紀(jì) 偉

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

對(duì)天然河道的水流運(yùn)動(dòng)特性開(kāi)展研究，可為河道整治、河道泥沙輸運(yùn)預(yù)測(cè)、取水建筑物設(shè)計(jì)、污染物混合運(yùn)移預(yù)測(cè)等提供科學(xué)依據(jù)。順直、彎曲、單島雙汊型、四島型群汊等各種典型天然河道的二次流與水流運(yùn)動(dòng)各有特點(diǎn)，目前文獻(xiàn)中對(duì)順直、彎曲、單島雙汊型河道的水流運(yùn)動(dòng)特性研究較為常見(jiàn)，而作為典型天然河道之一的四島型群汊河道的二次流與水流運(yùn)動(dòng)特性卻少有研究見(jiàn)諸文獻(xiàn)。

關(guān)于順直河道、彎曲河道、單島雙汊型河道二次流和水流運(yùn)動(dòng)的研究均有較多的文獻(xiàn)報(bào)道。對(duì)于順直河道水流的相關(guān)研究，例如：基于LDA 的測(cè)量數(shù)據(jù)，Nezu 等［1-2］注意到當(dāng)寬深比大約小于5 時(shí)，明渠中心線上最大流速發(fā)生在自由表面以下。Shiono 和Knight［3］對(duì)順直明渠紊流中三維流速分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，該數(shù)值模擬結(jié)果可用來(lái)重現(xiàn)垂向平均流速沿橫向的分布。對(duì)于彎曲河道水流特性的相關(guān)研究，劉月琴和萬(wàn)艷春［4］根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析彎道水流的紊動(dòng)特性，得出彎道水流縱向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)彎道水流縱向、橫向及垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)進(jìn)行比較。為研究連續(xù)彎道中的水流運(yùn)動(dòng)，特別是過(guò)渡段水流問(wèn)題，吳華莉等［5］對(duì)正弦派生曲線、梯形斷面的連續(xù)彎曲河道開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彎頂中垂線水流橫向環(huán)流隨流量、水深的增大而增大。Blanckaert 等［6］為研究彎道中二次環(huán)流的規(guī)律推導(dǎo)出一個(gè)非線性數(shù)學(xué)模型，它能再現(xiàn)下游流速垂向分布和二次環(huán)流隨曲率增大而衰減的過(guò)程。對(duì)于單島雙汊型河道水流特性的相關(guān)研究，童朝鋒［7］進(jìn)行分汊角為30° 的分汊口三維水流特性試驗(yàn)研究，對(duì)表層和底層平面流場(chǎng)的差異性進(jìn)行分析，同時(shí)發(fā)現(xiàn)主河道和支汊在橫斷面上存在兩個(gè)方向相反的環(huán)流。吳迪等［8］通過(guò)試驗(yàn)研究復(fù)式斷面Y 形交匯河道的水流特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，水流漫灘后，水深變化較大的地方位于灘槽交界面附近，且水面出現(xiàn)大小不一的旋渦。

4 個(gè)分汊島的存在，使得四島型群汊河道被分汊島分割成兩級(jí)形態(tài)各異的多股汊道，其二次流與水流運(yùn)動(dòng)特性比順直、彎曲、單島雙汊型河道更為復(fù)雜。然而目前對(duì)于四島型群汊河道二次流特性還缺乏系統(tǒng)研究，本文通過(guò)四島型群汊河道的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，得到各汊道中關(guān)鍵斷面的三維水動(dòng)力參數(shù)，并從二次流分布特征、二次流強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行分析討論，來(lái)揭示四島型群汊河道的二次流特性。

1 物理模型試驗(yàn)裝置與工況

為便于研究，對(duì)天然四島型群汊河道分汊島的形態(tài)進(jìn)行概化，對(duì)四島型群汊河段開(kāi)展物理模型試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)安排在一個(gè)特制的水槽中進(jìn)行, 水槽全長(zhǎng)25 m,可進(jìn)行±1°變坡。除了水槽中間段，其余部分保持為寬0.5 m、高0.6 m 的直槽。試驗(yàn)測(cè)量段由主河道、群汊段兩部分組成。各汊道的橫斷面均為矩形，主支汊的縱坡均為0.2%。四島型群汊河道的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)的平面布置如圖1。

圖1 四島型群汊河道物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)的平面布置示意圖

試驗(yàn)中, 水槽流量由進(jìn)口閥門、電磁流量計(jì)及量水堰共同控制, 平水頭水箱處于一定高度以保證水頭恒定。四島型群汊河道被4 個(gè)分汊島M1,M2,M3和M4 分割為10 條汊道（B1～B10），分汊點(diǎn)為P1,P2,P3,P4。

為詳細(xì)掌握群汊河道二次流特性，在四島型群汊河道中分別布置26 個(gè)測(cè)量斷面（S1～S26），圖2 為四島型群汊河道的試驗(yàn)測(cè)量斷面布置圖。試驗(yàn)中各橫斷面的垂線量測(cè)條數(shù)根據(jù)汊道寬度而有所變化,每條垂線上設(shè)置7 個(gè)垂向測(cè)點(diǎn), 間隔為2 cm。河道水深H0 固定為14.5 cm, 并選取2 種不同的上游來(lái)流量，即工況1:9.6 L/s、工況2:4.8 L/s。

圖2 試驗(yàn)測(cè)量斷面布置圖

試驗(yàn)采用美國(guó)SonTek 公司進(jìn)口的16 MHz 聲學(xué)多普勒流速計(jì)Micro ADV 測(cè)量水流的水動(dòng)力參數(shù)。Micro ADV 在每個(gè)測(cè)點(diǎn)以25 Hz 頻率采樣45 s, 每點(diǎn)共有1125 個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

2 四島型群汊河道二次流分布特征分析

四島型群汊河道的二次流分布非常復(fù)雜，每個(gè)汊道的斷面二次流方向均不同，有些斷面存在環(huán)流，而有些斷面二次流雜亂，不存在環(huán)流，與順直河道、彎曲河道、單島雙汊型河道之間均存在較大差異。

兩種工況的斷面二次流分布如圖3。汊道B1 位于分汊島M2 與左岸之間，汊道B1 有一個(gè)向左的偏轉(zhuǎn)角，使得斷面S7 的平面流速矢量向左偏，所以斷面右半部分二次流從右向左流動(dòng)。斷面左半部分平面流速矢量非常小，形成回流區(qū)，因此出現(xiàn)一個(gè)順時(shí)針環(huán)流。位于分汊島M1 與M2 之間的汊道B2 略向左偏轉(zhuǎn)，從而汊道B2 中的平面流速矢量向左偏，造成斷面S8 的二次流從右向左流動(dòng)。

圖3 四島型群汊河道的斷面二次流分布

汊道B7 位于分汊島M4 與左岸之間，進(jìn)入汊道B7 的平面水流向左偏轉(zhuǎn)，中層和底層向左偏轉(zhuǎn)的角度較大，表層較小，所以斷面S18 中層和底層的二次流從右向左流動(dòng)，表層的二次流很小且從左向右流動(dòng)，在斷面中層與表層之間形成一個(gè)順時(shí)針環(huán)流。由于位于分汊島M3 與M4 之間的汊道B8 斷面逐漸縮小，迫使平面流速矢量向中心集聚，造成斷面S19 的右半部分二次流從右向左流動(dòng)，左半部分二次流從左向右流動(dòng)，且在中間區(qū)域形成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。

3 四島型群汊河道二次流強(qiáng)度分析

二次流強(qiáng)度表示為橫向流速與縱向流速的比值，用以描述各汊道的二次流強(qiáng)度差異。以全斷面的橫向流速與縱向流速之比來(lái)衡量二次流強(qiáng)度：

式中n 是斷面內(nèi)布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

四島型群汊河道在工況1 和工況2 條件下，斷面二次流強(qiáng)度分布區(qū)間如表1，四島型群汊河道各汊道斷面二次流強(qiáng)度值如表2。四島型群汊河道的各測(cè)量斷面中S2、S4、S6、S7、S13、S16、S17 的二次流強(qiáng)度最大，斷面S5、S8、S19 的二次流強(qiáng)度最小，斷面S7、S10、S13 由于位于死水區(qū)二次流強(qiáng)度為零。斷面S3、S15、S20 的二次流強(qiáng)度介于0.2 和0.4 之間，斷面S11、S12、S21、S22、S23、S24 的二次流強(qiáng)度介于0.1和0.2 之間。

表1 斷面二次流強(qiáng)度分布區(qū)間

表2 各汊道的斷面二次流強(qiáng)度

對(duì)于四島型群汊河道的各汊道斷面二次流強(qiáng)度值，在工況1 和工況2 條件下，汊道B2 二次流強(qiáng)度都是沿程增大。汊道B7 的斷面S15、B8 的斷面S16都是支汊交匯處斷面，所以二次流強(qiáng)度較大，而汊道B9 二次流強(qiáng)度沿程減小。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)分析四島型群汊河道不同汊道內(nèi)二次流的分布特征，發(fā)現(xiàn)四島型群汊河道的二次流分布與彎曲河道、單個(gè)島的雙汊河道明顯不同。四島型群汊河道的二次流方向和大小由分汊島之間的位置關(guān)系與進(jìn)入汊道水流的平面流速分布共同決定。

（2）通過(guò)對(duì)四島型群汊河道的各汊道斷面二次流強(qiáng)度的分析可知，二次流強(qiáng)度較大的區(qū)域集中在匯流區(qū)、分流區(qū)及汊道曲率變化較大處。