孫雪雪，張明武，李小平，肖千璐，李奕宏

（1. 黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；3. 水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003）

0 引 言

受水流運動及泥沙淤積的影響，天然河流通常具有典型的主槽和灘地。而彎道的水沙運動規(guī)律研究是天然河道水沙運動規(guī)律研究的基礎，彎道水流在重力與離心力作用下將產生與順直河道不同的運動特性，主要表現為水面縱橫比降、橫向環(huán)流、縱向垂線平均流速重分布等現象，是一種復雜的三維螺旋紊流，彎道水流特性決定彎道泥沙運動和河床演變的基本規(guī)律，對河床演變、河道整治、河岸防護等都有重要的影響［1，2］。同時，灘地植被對水流和泥沙運動有著顯著的影響。一方面，當水流漫灘時，植被阻滯水流，減小植被區(qū)及其附近的水流流速，改變了水流流動結構，導致很強的橫向剪切層的發(fā)生，影響河流質量和動量的交換，從而影響河道整體的水流輸運能力，同時減小灘地的過流能力，并增大主槽過流量，造成河岸局部侵蝕和床面沖刷等現象。另一方面，植被在美化環(huán)境、水體生態(tài)修復、水土保持和固岸固灘方面有一定的作用［3-5］。

在彎曲復式河槽中灘地植被作用下的漫灘水沙結構方面的研究中，目前多見于清水水流和推移質運動規(guī)律，然而對于多沙河流，含沙水流是其特點之一，其在物理特性、運動特性和輸沙特性等方面不能用已有的清水水流和推移質運動規(guī)律來描述，需改進現有理論模型，建立適用含沙漫灘水流的彎曲復式河槽和灘地植被耦合作用水沙輸移橫向分布模型［6，7］。

由于以往測量儀器的局限性，早期的研究主要集中在平均流速、阻力定律和粗糙度系數的估計上，對植被區(qū)的水流結構沒有進行詳細的描述、分析和理解［8］。這些水動力特征在防洪和泥沙運動中的意義尚未得到充分研究。針對沒有考慮灘地植被作用下的彎曲復式河槽的水流特性，國內外許多學者開展過試驗、數值模擬和理論研究。其中，Lambert和Sellin［9］試驗研究表明:自然復式河槽水流結構極其復雜，傳統的水力學分析方法不能有效的估計主槽和漫灘交界面大量的動量交換。對于彎道中的數值模擬技術，Zarrati 等［10］提出2 維水深平均數學模型對斷面橫向各點流速和水深進行了模擬；針對灘地植被和彎曲復式河槽耦合作用下的水流特性研究相對較少。Liu 等［11］針對灘地種草復式彎曲河槽進行試驗，得到主槽的流速場、紊流結構和雷諾應力等試驗數據，試驗表明:灘地上柔性的草對整個河道的行洪能力有顯著的減少作用。劉超等［12］主要研究灘地有植被的彎曲復式河槽中的橫向流速分布問題，在動量方程中加入拖曳力，考慮主槽彎曲度與二次流的影響，沿水深積分時運用紊流擴散項的3 種不同積分方法，分別求得水深變化區(qū)域3種不同形式的流速分布解析解?？紤]到彎曲復式河槽水流天然河流的泥沙問題。江恩慧等［13］和吳騰等［14］通過對水流微小控制體進行受力分析，從考慮側向二次流慣性力和河道彎曲度的動量方程出發(fā)，進一步考慮灘地植被的影響，建立灘地植被復式河槽流速橫向分布模型，提出灘地植被彎曲復式河槽流速和挾沙力的橫向分布規(guī)律?；蔽男牛?5］通過水槽實驗，研究了淹沒植被密度和上游流速對紊動能（TKE）以及植被區(qū)內細顆粒的凈沉積分布的影響，與無植被河床（裸床）相比，植被化河床在特定區(qū)域有促進/阻礙沉積的作用，他進一步采用隨機位移模型對泥沙顆粒的沉積模式進行數值模擬，發(fā)現植被產生的TKE 在大于臨界值時，泥沙沉降概率隨TKE 的增大而減?。恍∮谂R界值時，泥沙沉降概率等于常數，且與無植被河床的沉降概率相同。

本研究采用試驗模擬和理論研究相結合的手段，建立灘地植被彎曲復式河槽模型，進而開展懸移質漫灘洪水演進的概化模型試驗，分析灘地植被影響下彎曲復式河槽水流泥沙因子橫向分布特征，對流速和挾沙力橫向分布的分析解模型進行驗證，該項成果將為黃河下游灘區(qū)運用和河道治理提供理論依據，并對豐富水沙運動的基本理論，促進水力學及河流動力學與生態(tài)學的融合具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 模型設計

彎曲復式河槽概化模型總長60 m，斷面總寬度為7 m，其中主槽寬度為70 cm。彎曲段120°圓弧內半徑為150 cm，外半徑為220 cm。水槽兩邊的壁面采用磚砌水泥墻，床面采用粉煤灰，床面比降0.2%。為了控制槽內水位，槽尾設有可調高低的電動尾門。試驗采用LS300-A 型便攜式流速儀測量流速，采用比重瓶法測量含沙量。測量儀器包括比重瓶、高精度天平等。泥沙粒徑采用泥沙激光粒度分析儀測量。模型現場布置見圖1。

圖1 概化水槽模型現場Fig.1 Panorama of the generalized water tank model

試驗設計了5 段彎曲復式河槽，分別采用了5 種植被布置方案:第1 種是灘地無植被彎曲復式河槽；第2 種是灘地凸岸有一排植被的彎曲復式河槽；第3 種是灘地凹岸有一排植被的彎曲復式河槽；第4 種是主槽兩岸灘唇處有一排植被的彎曲復式河槽；第5 種是灘地種滿植被彎曲復式河槽。單株模型植被選用一次性竹筷，長度為7 cm，直徑為5 mm。植被離主槽橫向距離為10 cm，植被之間縱向間距為4 cm。灘地無植被情況，流速測量斷面為CS6 和CS8。灘地凸岸有植被情況，流速測量斷面為CS10 和CS12。灘地凹岸有植被情況，流速測量斷面為CS14和CS16。灘地兩岸有植被情況，流速測量斷面為CS18和CS20。兩岸灘地種滿植被，植被之間橫向和縱向間距均為10 cm，流速測量斷面為CS22 和CS24。具體試驗布置見圖2。值得注意的是，兩岸灘地無植被的兩個彎道進口連接與后面4 個河段的不同，對實驗結果有一定影響，特別是對于主槽的穩(wěn)定性的影響。

圖2 植被模型布置示意圖Fig.2 Experimental design

1.1.2 試驗組次與條件

根據含沙量的不同和泥沙粒徑的不同組合，本研究設計以下7 種工況，設計流量為100 m3/h，實際情況有所出入。工況0是初始工況，目的是對初始設計的地形進行水流條件適應；不同含沙量分別是:小含沙量5 kg/m3左右，中含沙量14.5 kg/m3左右，大含沙量35.3 kg/m3左右，工況設置見表1。

表1 試驗工況表Tab.1 Test condition

1.2 灘地植被彎曲復式河槽水沙橫向分布理論公式

SKM 方法是Shiono 和Knight［4，16，17］以及Knight 和Shiono［4，5］提出的一個預測無植被河槽垂線平均流速和床面切應力分布的解析解模型，一開始沒有考慮植被因素的作用。Rameshwaran 和Shiono［6］擴展和改進SKM 方法，增加植被因素，對于灘地有植被的順直河道流速分布進行預測，結果表明該方法也能很好地應用于灘地植被作用下的復式河槽流速分布計算。

采用實驗觀測數據，驗證灘地無植被、灘地凸岸有一排植被、灘地凹岸有一排植被、主槽兩岸灘唇處有一排植被及灘地種滿植被5 種情形流速橫向分布公式。表2 為5 種情況的控制方程和邊界條件。

表2 5種算例的控制方程和邊界條件Tab.2 Control equations and boundary conditions of five examples

1.3 彎曲復式河槽垂線平均挾沙力橫向分布模型

在獲得彎曲復式河槽漫灘水流流速橫向分布模型之后，進一步引入挾沙力公式，計算彎曲復式河槽漫灘水流垂線平均挾沙力橫向分布。

懸移質輸沙率公式有很多，本文采用張紅武［18］挾沙力公式為:

式中:κ為卡門常數；γs為泥沙容重；γm為渾水容重。

因此，一旦流速橫向分布和水深橫向變化規(guī)律確定，則挾沙力沿橫向分布可以直接求解。

2 成果分析

2.1 彎曲復式河槽植被作用下漫灘洪水流速的橫向分布

灘地植被不同布置條件下彎曲復式河槽灘槽發(fā)生不同的沖淤演變。對于流速沿程變化，上段斷面流速橫向分布變化較大，下段流速相對均勻。由于灘地淤積主要集中在灘唇部分，導致中上段斷面大流速不僅僅集中在主槽內，還出現在左右岸邊壁附近，甚至出現邊壁流速大于主槽流速。灘地植被對水流流速的減緩作用非常明顯。兩岸植被，不管是一排還是種滿植被，都對主槽穩(wěn)定有作用。灘地無植被情況下，主槽容易出現移動（另外，由于主槽兩岸灘地未布置植被的第一段連續(xù)彎道主槽與進口的銜接，不同于后面四段的進出口銜接，一定程度上加重了主槽擺動）。灘地種滿植被布置對灘地淤積以及灘地流速分布都有著均勻的作用，可以減小灘地邊壁流速過大現象，以及增大主槽流速作用。在7 種不同工況（表2）下灘地無植被彎曲復式河槽流速比較圖，見圖3。

圖3 斷面不同工況流速比較圖.Fig.3 Transverse velocity of each section under different working conditions

其中，對工況3下的流速分布做具體分析:灘地無植被彎曲復式河槽中（CS6），左岸灘地流速小于右岸灘地流速，主槽流速從左到右逐漸增大。最大流速出現在右岸灘地靠近主槽附近，最大流速為0.22 m/s。右岸邊壁附近流速有所增加，達到0.20 m/s。灘地凸岸有植被彎曲復式河槽中（CS10），左岸灘地流速小于右岸灘地流速，主槽流速相對較小，主槽最小流速為0.050 m/s。植被區(qū)流速較附近流速最小。最大流速出現在右岸灘地，最大流速為0.18 m/s。灘地凹岸有植被彎曲復式河槽中（CS14），左岸灘地流速小于右岸灘地流速，主槽流速從左到右逐漸增大。植被區(qū)流速較附近減小明顯，流速為0.026 m/s。最大流速出現在右岸灘地，最大流速為0.12 m/s。灘地兩岸有植被彎曲復式河槽中（CS18），流速相對比較均勻在0.05～0.1 m/s之間波動。植被區(qū)流速較附近有所減小。灘地種滿植被彎曲復式河槽中（CS22），流速相對比較均勻，在0.05 m/s附近。主槽流速比植被區(qū)流速略大。

2.2 灘地植被彎曲復式河槽水沙橫向分布理論公式檢驗及挾沙力橫向分布計算結果

2.2.1 灘地無植被彎曲復式河槽

灘地無植被彎曲復式矩形河槽中，左岸灘地流速小于右岸灘地流速。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐漸增加。模型計算結果在右岸灘地相較于測量結果相對平緩一些。測量結果右岸主槽附近的流速相對較大，然后向邊壁有逐漸變小的趨勢，計算結果沒有完全模擬出來。主槽的挾沙能力變化比較大，凹岸小于凸岸。左岸灘地挾沙能力小于右岸，見圖4（a）。

圖4 斷面計算與測量流速橫向分布比較以及計算挾沙力.Fig.4 Velocity at the curved top of the curved compound rectangular channel and comparison chart of the transverse distributions of sediment carrying capacity

2.2.2 灘地凸岸有植被彎曲復式河槽

灘地凸岸有植被彎曲復式矩形河槽中，左岸灘地流速小于右岸灘地流速。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐漸增加。灘地植被處流速有急速的減小。模型計算結果與測量數據模擬得相對比較好。灘地凸岸有植被彎曲復式矩形河槽中，主槽的挾沙能力變化比較大，凹岸小于凸岸。右岸灘地植被處挾沙能力有一個突降。左岸灘地挾沙能力小于右岸，見圖4（b）。

2.2.3 灘地凹岸有植被彎曲復式河槽

灘地凹岸有植被彎曲復式矩形河槽中，左岸灘地和右岸灘地流速基本相當。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐漸增加。灘地植被處流速有急速的減小。模型計算結果與測量數據模擬得相對比較好。主槽的挾沙能力變化比較大，凹岸小于凸岸。左岸灘地植被處挾沙能力有一個突降。左岸灘地挾沙能力和右岸的基本相當，見圖4（c）。

2.2.4 主槽兩岸灘唇處有一排植被彎曲復式河槽

主槽兩岸灘唇處有一排植被彎曲復式矩形河槽中，左岸灘地和右岸灘地以及主槽流速基本相當。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐漸增加。兩岸灘地植被處流速有急速的減小。模型計算結果與測量數據模擬得相對比較好，只在邊壁處計算結果小于測量數據。主槽的挾沙能力變化比較大，凹岸小于凸岸。兩岸灘地植被處挾沙能力有一個突降。左岸灘地挾沙能力和右岸的基本相當，見圖4（d）。

2.2.5 灘地種滿植被彎曲復式河槽

灘地種滿植被彎曲復式矩形河槽中，左岸灘地和右岸灘地流速基本相當，主槽流速相對較大。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐漸增加。模型計算結果與測量數據模擬得相對較好。主槽的挾沙能力相對較大，而且變化比較大，凹岸小于凸岸。左岸灘地挾沙能力和右岸的基本相當，見圖4（e）。

3 結 論

基于黃河下游片林和高稈作物對灘地含沙水沙運動和淤積實際考慮，提出彎曲復式河槽概化模型試驗，得到如下結論。

（1）灘地植被對水流流速的減緩作用非常明顯；兩岸植被不管是一排還是種滿植被，都對主槽穩(wěn)定有作用；灘地無植被情況下，主槽容易出現移動。

（2）灘地種滿植被布置對灘地淤積以及灘地流速分布都有著均勻的作用，可以減小灘地堤腳流速過大現象，以及增大主槽流速作用。

（3）通過5 個算例對灘地植被的彎曲復式河槽流速橫向分布模型進行檢驗。通過解析解模型結果和試驗結果對比，整體上分布模型和試驗結果相符合。