閆曉楠，朱殿芳，郭志學(xué)，張 婧，李潤(rùn)祥

（1. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065； 2. 成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610023；3. 西華大學(xué)，四川 成都 610039）

0 引 言

天然河流按照形態(tài)和動(dòng)態(tài)特征，通常分為4 種河型:游蕩型、分汊型、彎曲型和順直型［1］。在我國(guó)，分汊型河流分布相當(dāng)普遍，黑龍江和松花江的許多河段普遍發(fā)育分汊型河道。分汊型河道的水流運(yùn)動(dòng)特性是諸多因素綜合作用下形成的，作為天然河流中一種常見的河型，對(duì)于其水流特性進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

目前，許多學(xué)者對(duì)分汊河道研究取得了不少成果。Taylor［2］通過水槽試驗(yàn)，建立了直角分汊槽水流比與水深之間的關(guān)系；Reynolds 等［3］和Ramamurthy 等［4］均對(duì)Fr數(shù)和水深進(jìn)行研究，分別建立了他們之間的聯(lián)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在分水分沙公式的建立上做了許多深入研究。丁君松［5］以過水?dāng)嗝婷娣e、平均水深及河床糙率推導(dǎo)出分流比的計(jì)算公式，通過分析實(shí)測(cè)資料，建立了分沙模型；韓其為［6］、余文疇［7］、秦文凱［8］、余新明［9］、童朝鋒［10］等在丁君松分沙模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了分沙模型。

分汊型河道一般由順直段、分汊段和匯流段組成，邊界條件極其復(fù)雜，其水流特性與順直和彎曲河道相比，具有自身的獨(dú)特性。水流在分汊口分汊，流線方向改變劇烈，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)河道演變起到重要作用，因此許多學(xué)者對(duì)分汊口的水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了探索。Neary 等［11］對(duì)直角分汊明渠不同水深處的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)分汊口表、中、底層水流結(jié)構(gòu)具有較大差異。Barkdoll［12］、Ramamurthy［13］、童朝鋒［14］等測(cè)量了明渠分汊流的流速分布等，發(fā)現(xiàn)明渠中存在顯著的二次流。

分汊口部分關(guān)注較多的是分汊明渠，分汊明渠的水流特性研究成果在一、二維上較為豐富，三維水流結(jié)構(gòu)的探究仍值得深入。此外，在天然河流中，分汊河道一般為復(fù)式斷面。然而前人對(duì)于分汊口的水流特性的研究是簡(jiǎn)化為矩形過流斷面進(jìn)行的，無法得到較為符合天然實(shí)際的分汊口三維水流結(jié)構(gòu)。因此，本文擬通過順直復(fù)式分汊河道水槽試驗(yàn)，探索分汊口水流在復(fù)式斷面耦合作用下的運(yùn)動(dòng)特性，盡可能貼切反映天然河道分汊口水流運(yùn)動(dòng)。

1 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室中進(jìn)行，采用鋼化玻璃邊界。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)12 m，寬2 m，高0.5 m，比降為1‰，河道床面用水泥抹光。模型上游段為單一的復(fù)式河道，長(zhǎng)3 m，經(jīng)分流段進(jìn)入汊道段。模型中段布置兩側(cè)帶有灘地的江心洲，左右汊河道斷面均為單一復(fù)式斷面。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，江心洲長(zhǎng)4 m，寬0.6 m，高0.2 m，灘槽寬度比為2.5∶1，左右汊寬度比為1∶2。汊道段下游進(jìn)入?yún)R流段，重新恢復(fù)為單一復(fù)式斷面。汊道段主槽邊界與上下游主槽邊界均由弧線順滑銜接。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾萌鐖D1所示。

本次試驗(yàn)利用薄壁三角量堰進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，通過下游側(cè)葉式尾門調(diào)節(jié)下游水位條件，尾部沉沙池為水流出口。此外，為使水流進(jìn)入水槽時(shí)盡可能平順，在進(jìn)水口處布置了花墻，并在花墻中布置了多排平水管。

試驗(yàn)共布置7個(gè)測(cè)量斷面，以測(cè)量斷面為界，同時(shí)考慮水槽的形態(tài)變化，將試驗(yàn)水槽分為上游段、分流段、汊道段、匯流段、下游段?？紤]到分流段邊界條件變化較大，該段測(cè)量斷面進(jìn)行了加密布置。測(cè)線沿?cái)嗝娌贾?，同樣在分流段進(jìn)行了測(cè)線加密。每條測(cè)線上布置了沿水深共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。

試驗(yàn)采用聲學(xué)多普勒流速儀ADV測(cè)量流速，縱向流速向下游為正值，橫向流速指向左岸為正值，垂向流速向上為正值。試驗(yàn)中利用三角堰進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，使用超聲波水位儀測(cè)量水深。對(duì)于相同的邊界條件，選用了65、75、85 L/s 共3 個(gè)流量進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experiment cases

2 斷面平均流速沿程分布

對(duì)測(cè)量ADV測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算，通過式（1）和式（2）計(jì)算得到垂線平均流速（up），通過垂線分割法和式（3）求得斷面平均流速V。75 L/s 流量工況下，斷面平均流速的沿程分布如圖2所示。

圖2 斷面平均流速沿程分布（A2工況）Fig.2 Average velocity distribution of streamwise （Case A2）

式中:ui為各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)流速分量為各測(cè)點(diǎn)的時(shí)均流速；T為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間；H為測(cè)點(diǎn)處的水深值；Aj為各條測(cè)線對(duì)應(yīng)子區(qū)域的面積。

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，CS01 到CS03 水流受到下游分流的影響，斷面平均流速沿程增大。這與羅福安［15］在直角分水口水流形態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論一致。在CS03 到CS06 間，由于江心洲洲頭的阻水作用強(qiáng)烈，雖然斷面展寬，但局部區(qū)域水位卻有所壅高，水流流速減小，甚至出現(xiàn)回流，斷面平均流速沿程顯著減小。從CS06 到CS07，水流分流繞過江心洲，斷面束窄，流速增大，故斷面平均流速有明顯增大。這表明，在江心洲洲頭分汊段，水流流速受到邊界條件的顯著影響，流速的急劇變化可能對(duì)江心洲洲頭附近的河道形態(tài)塑造起到了重要作用。

3 相對(duì)流速垂線分布

試驗(yàn)中，順直段布置了CS01～CS03 三個(gè)斷面，分流段測(cè)量斷面為CS04-CS07，共4 個(gè)斷面。相對(duì)流速的表達(dá)式為U/V，其中U為測(cè)點(diǎn)時(shí)均流速。相對(duì)水深Hr的表達(dá)式為Hr=zp/H（y），其中zp為測(cè)點(diǎn)處水深，H（y）為斷面y位置處的垂線水深。本文采用以上兩個(gè)無量綱數(shù)分析水槽流速的分布特征。A1、A2、A3三個(gè)工況下，分汊口水流相對(duì)流速的垂線分布規(guī)律大致相同。因此本節(jié)將以A2 工況為例，簡(jiǎn)要介紹水流相對(duì)流速的垂線分布規(guī)律。A2工況下，順直段和分流段斷面不同位置垂線流速分布分別如圖3～5所示。

圖3 順直復(fù)式段流速分布圖Fig.3 Velocity distribution of straight compound section

圖4 順直復(fù)式段流速分布圖Fig.4 Velocity distribution of branching section

圖5 CS07流速分布圖Fig.5 Velocity distribution in CS07

3.1 上游順直段相對(duì)流速垂線分布

從圖3（a）中可以看出（以江心洲洲頭為y軸零點(diǎn)），上游復(fù)式斷面CS01 水流主槽和灘地相對(duì)流速垂線分布大致滿足對(duì)數(shù)分布:從底部到水面，相對(duì)流速隨水深增大?？拷鞑圻叡诤蛢砂哆叡诘乃鳎▂=0.05，0.14，0.79 m）由于灘槽交互作用和受到邊壁的影響，水流發(fā)生橫向交換，最大相對(duì)流速不再位于水體表面，而是有一定程度的下降。主槽流速相對(duì)于灘地流速大得多，這符合復(fù)式河道水流“主槽大，邊灘小”的特征［16］，反映出主槽水流的主導(dǎo)作用。此外，還發(fā)現(xiàn)灘槽交界處（y=0.49 m）灘地流速有明顯的增大，這是由于復(fù)式河道中主槽與灘地之間發(fā)生動(dòng)量交換所致。測(cè)線與江心洲洲頭橫向距離越大，主槽流速越大，這表明此斷面水流流速已經(jīng)受到了江心洲分汊的影響。這表明，在受到江心洲洲頭分汊的影響后，雖然上游復(fù)式斷面流速垂線分布仍大致符合復(fù)式河道的水流規(guī)律，但主汊一側(cè)水流由于下游分汊水流的影響，流速顯著增大。這可能是造成分汊河道主支汊分流分沙的差異性的重要因素，深刻地影響著分汊河道的演變。

CS01、CS02、CS03 斷面均為單一復(fù)式斷面，且逐漸靠近江心洲。從圖3（b）中可以發(fā)現(xiàn)，主槽垂線上整體相對(duì)流速減小，反映出江心洲的阻水作用往下游逐漸增大。同一斷面主槽主汊一側(cè)垂線流速均沿橫向增大，這些反映出江心洲的作用在縱向與橫向上均有所表現(xiàn)。

3.2 分流段相對(duì)流速垂線分布

斷面展寬后，CS04 斷面流速分布仍大致滿足對(duì)數(shù)分布，但灘地流速與主槽流速的差距增大。由于江心洲的阻擋作用顯著，洲前水位仍會(huì)壅高，灘地相對(duì)高度降低，展寬段斷面平均流速也有顯著減?。ㄒ妶D2）。華祖林［17］在對(duì)矩形斷面的江心洲分汊研究時(shí)，在汊道入口中發(fā)現(xiàn)了水流分離區(qū)。而對(duì)比圖3（c）和圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，兩岸灘地近邊壁處相對(duì)流速較CS03 明顯減小，雖還未出現(xiàn)回流，但這已說明在復(fù)式分汊河道中，在分流段分離區(qū)就已經(jīng)開始在灘地岸邊附近發(fā)展。

CS05 斷面位于江心洲正前方，水流已經(jīng)分流，阻水作用對(duì)水流流速起到了主導(dǎo)作用，流速在橫向上存在顯著變化。在主槽中，從支汊一側(cè)到主汊一側(cè)，相對(duì)流速?gòu)?.7 增大到了1.4，表明在洲頭分汊段水流橫向運(yùn)動(dòng)劇烈。由圖4（b）可以看出，支汊進(jìn)口（y=-0.03 m）由于靠近江心洲且邊界約束強(qiáng)，受到的阻水作用更大，垂線流速整體顯著減小。支汊近底水流近底流速反向，出現(xiàn)了回流。由于兩汊主槽邊界的約束差異，在此斷面支汊一側(cè)主槽流速受到了極大影響，灘面以下流速顯著減小，而灘面以上水流流速受到的阻水作用較小，流速變化不大。

CS06斷面已經(jīng)發(fā)展為分汊復(fù)式斷面，分流作用主導(dǎo)了流速的變化。支汊主槽展寬，流線順滑，水流與邊界的沖擊減弱，從圖4（c）中可以看出，相對(duì)CS05 斷面，主槽流速明顯增大，近底回流區(qū)消失。由于分流流量的差異，兩汊主槽流速差異顯著。而邊界條件的影響在主槽邊壁（y=0.70 m）和兩汊邊灘表現(xiàn)得較為明顯。分流水流沖擊邊壁（y=0.70 m），灘面以下水流流速顯著減小，而由于灘面寬闊，水流未受到邊壁的約束，灘面以上測(cè)點(diǎn)流速仍然維持較高值，因此灘面上下流速差異極大。主汊邊壁垂線流速相對(duì)于支汊小的多，這表明主汊邊壁分離區(qū)的發(fā)展更快。

CS07斷面已經(jīng)完全發(fā)展為分汊斷面，江心洲兩側(cè)產(chǎn)生了兩個(gè)方向相反的立軸漩渦［圖5（a）為彩沙示蹤圖］，支汊為順指針，主汊為逆時(shí)針。從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)，漩渦中心流速最大，距離漩渦越遠(yuǎn)，流速逐漸減小。此外，還可以發(fā)現(xiàn)兩汊斷面的不同也導(dǎo)致了流速具有顯著差距。

綜上所述，在分流段，河道邊界的變化和江心洲分流作用是流速變化的主導(dǎo)因素。河道邊界的影響表現(xiàn)在兩汊主槽邊壁的產(chǎn)生的折沖水流，邊灘展寬導(dǎo)致的灘地流速減小，以及分離區(qū)的發(fā)展。兩汊分流流量的影響則主要表現(xiàn)在分汊后兩汊主槽流速的顯著差異。兩汊因分流產(chǎn)生的漩渦以及過流量的差異引起的流速差異可能會(huì)對(duì)江心洲和河道演變產(chǎn)生重要影響。

4 流量對(duì)流速的影響

復(fù)式河道的灘槽之間存在著水流交換，而兩者之間流速不同，將會(huì)帶來動(dòng)量的交換。因此，灘槽水流流速必然會(huì)相互影響。N G Bhowmilk 和M Demissic［18］曾對(duì)美國(guó)的兩條河流的主槽、河漫灘及全斷面的流速隨水位變化進(jìn)行過分析，結(jié)果表明水流漫灘以后，隨著水位的繼續(xù)上漲，主槽和全斷面的流速反而有所下降。當(dāng)灘地水深約為主槽平均水深的35%，斷面流速達(dá)到最低值，自此之后，又隨水位的抬高而不斷加大。然而，對(duì)于最低值之后，流速的變化卻未進(jìn)行深入研究。

如表2所示，在當(dāng)灘地水深大于主槽平均水深的35%后，隨著流量增大，斷面流速不斷增大，這與前人的研究結(jié)果一致。本文試驗(yàn)中，隨著流量的梯級(jí)增大，支汊一側(cè)灘地流速的增大趨勢(shì)也增大，而斷面平均流速、主槽流速、主汊一側(cè)灘地流速、灘槽水深比的增大趨勢(shì)則均逐漸減小。這說明在斷面流速達(dá)最低值后，流速隨流量的增大趨勢(shì)逐漸減緩。而主支汊斷面形狀的差異導(dǎo)致兩汊流速增大趨勢(shì)的不同，當(dāng)主汊一側(cè)灘地流速增長(zhǎng)變緩時(shí)，支汊一側(cè)灘地流速隨流量增大仍顯著增大。

表2 CS04斷面流速Tab.2 The velocity in CS04

為反映出分流段流速隨流量增大的變化，分析了不同流量下斷面CS04 相對(duì)流速垂線分布（圖6），可以看出，隨著流量的增大，主槽相對(duì)流速先增大后減小，這表明在35%之后，隨著流量的增大，斷面流速的增大趨勢(shì)在某一臨界值逐漸減緩。當(dāng)水位超過一定限度后，灘地的流速增大，不斷接近主槽流速，復(fù)式斷面形態(tài)對(duì)于水流流速的影響開始不斷減弱。這表明，在達(dá)到某一閾值后，復(fù)式斷面形態(tài)對(duì)斷面流速的影響幾乎可以忽略。此時(shí)，灘槽的區(qū)分已經(jīng)失去了意義，可以將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單斷面河道進(jìn)行研究。

圖6 不同流量下斷面CS04相對(duì)流速垂線分布Fig.6 Vertical distribution of relative velocity of CS04 under different discharge

5 結(jié) 論

通過概化水槽試驗(yàn)，利用相對(duì)流速和相對(duì)水深兩個(gè)無量綱數(shù)對(duì)江心洲洲頭分流區(qū)流速分布進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）在順直復(fù)式分汊河道中，江心洲前的單一復(fù)式段的垂線相對(duì)流速分布基本滿足對(duì)數(shù)分布。

（2）復(fù)式分汊河道洲頭的流速主要受分汊形態(tài)的影響。隨著水流靠近江心洲，江心洲的分流作用與阻水作用先后對(duì)流速起到了主導(dǎo)作用，斷面平均流速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。此外，由于分汊形態(tài)對(duì)流速分布具有重要影響，主汊受到江心洲的影響較小，主支汊流速變化程度和趨勢(shì)有明顯不同。

（3）復(fù)式斷面形態(tài)是分汊口主槽和灘地流速變化的主要影響因素。一方面，復(fù)式斷面形態(tài)垂向的變化導(dǎo)致主槽灘面上下水流能量損耗程度出現(xiàn)了差異，灘面上下流速差異顯著。另一方面，復(fù)式斷面形態(tài)導(dǎo)致灘地流速產(chǎn)生了橫向上的變化。主支汊灘地寬度的不同，也造成了兩汊邊壁分離區(qū)發(fā)展的差異性。（4）在當(dāng)灘地水深大于主槽平均水深的35%后，隨著流量增大，斷面流速不斷增大，斷面流速的增大趨勢(shì)在某一臨界值逐漸減緩，復(fù)式河道可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單斷面河道來進(jìn)行研究。