中图分类号:TV147 文献标识码:A 文章编号:1007-2284(2011) 04-0062- 03
Research on the River Islands' Influence on the Distribution of Circulation of Curves and Branch Channels
LI Hong，WANG Ping-yi,WANG Gao-shan
Abstract: In this paper，within the section of the Yangtze River in Jianli，a curve and branch generalized model is determined through a river island analysis of the experiment data obtained at the same level flow ，with the continent over the beach head，The role of water river island: circulation and circulation generated by horizontal intensity distribution of the circulation flow caused by the presence of the horizontal circulation and sediment transport function can solve the curved branching channel. The mechaNIsm of evolution and a series of shoals provide a theoretical basis for the problem.
Key words: curved branch; generalized model; transverse circulation; evolution mechanism
0 引言
分汊型河道在冲积平原河流中常见。我国分叉河流也相当普遍，例如: 赣江自樟树以下，湘江自株洲以下，西江出羚羊峡，北江出飞来峡以后，都普遍发育江心洲分汊河流，黑龙江和松花江的某些河段也属于这一类型。长江中游浅滩众多，碍航问题复杂，成为制约航运发展的“瓶颈”，三峡工程蓄水运用后,将引起中游浅滩航道条件发生新的变化，部分浅滩航道条件还将进一步恶化[1] 。本文拟在前期研究工作的基础上，通过大量相关资料的收集、分析，通过概化模型试验，对弯曲分汊河道江心洲的演变与横向环流分布相互之间的影响进行研究，并揭示长江中游典型弯道段浅滩的演变规律与碍航特征。研究成果将为长江中下游航道系统的整治工程提供参考，能够为解决弯曲分汊河段的一系列问题提供一定的理论依据。
1 模型设计
长中下游弯曲分汊河段众多，在概化模型设计的过程中,通过对长江中下游弯曲分汊河段平面形态对比，参照物理模拟中模型与原型之间必须遵循的一些相似原则[2] ，如: 几何、边界相似，运动相似，动力相似等选择了窑监河段为代表进行概化模型设计。窑监水道位于长江中游的下荆江河段，历来是长江中游重点碍航水道之一。该水道上起西山，下迄太和岭，长约16 km，左岸为湖北省监利县，右岸为湖南省华容县，窑监水道属微弯分汊河型，水道上段左侧有洋沟子边滩，右侧是一较稳定深槽，称为上深槽。水道下段被乌龟洲分为左、右两汊，左汊称监利左汊，右汊为乌龟夹。窑监水道的演变主要体现在其下段主支汊周期性易位[3] 。
模型河底坡降取0. 01%。进出口顺直段横断面取矩形，长度按照弯道动力学要求取进出口宽度的3~ 5 倍设计，以保证进口顺直段水流呈均匀流状态，水流出弯后环流充分衰减。弯曲分汊段江心洲按梯形概化，两岸概化为垂直边壁。概化模型进出口顺直段横断面按1m等间距布置，弯曲段按16°分割，在弯顶附近适当加密，且在乌龟洲洲头、弯顶和洲尾布置控制横断面。
本试验考虑到窑监河段的发展演变过程，分为3 个时期:即左汊为主汊、左右汊平衡和右汊为主汊，其中右汊为主汊又分为有边滩和无边滩，共4 种洲滩形式。本文对4 种洲滩型式分别简称为左汊为主、左右平衡、右汊为主、右汊为主加边滩。分别对4 种洲滩形式制作模型，测得4 种洲滩形式下河道的水流结构、泥沙冲淤和洲滩演变情况，以得出整个弯曲分汊河段的演变机理。
2 模型场地布置及模型验证
模型平面布置如图1 所示，其中: 有进水池、定床区、动床区、沉沙池，整个试验的供水系统由泵站、量水堰、引水渠、进口前池、模型试验段、尾水(沉沙)池和回水渠等组成。在进行试验前，为了检验概化模型设计的可靠性，对模型进行了验证。根据测定的水力要素计算模型综合糙率为0. 011~ 0. 012; 进出口流速平面分布较均匀; 根据实测流速计算所得流量值与设计量值比较，相对误差在3%以内; 根据实测各汊道内的流速计算出各汊道的流量，进而得出分流比，与设计分流比比较，相对误差在4%以内; 模型中，洲头、洲尾位置有漩涡出现，洲尾以下右岸有小范围回流出现，这些现象与原型符合较好[4]。
图1 概化模型平面布置示意图
3 模型试验工况
试验控制流量和水深相同定床试验条件，具体工况表如表1所示。模型河床及乌龟洲、洋沟子边滩和新河口边滩按与原型相似进行铺沙和塑造，然后开展清水冲刷试验，观测河床及乌龟洲演变情况。
本概化模型设计主要依据收集的一些弯曲分汊河段(特别是窑监河道) 的形态特征和水流泥沙特性资料，确定概化模型试验所需的主要参数。模型断面形态则按1：60 正态缩小，流速比尺为: λV = 7. 75。
4 江心洲位置不同时环流分布形态和环流强度
选取流量(Q= 92. 9 L/ s，h= 20 cm) 时，工况1(右汊为主) 、工况2(左右平衡) 、工况3(左汊为主) 和工况4(加边滩) 的环流分布来研究江心洲位置不同时，横向环流和环流强度大小的分布。
右汊为主时，左汊和右汊均为正向环流，在洲头和洲尾处环流强度较大，如图2 所示。左右平衡时，环流形态比较单一,左汊和右汊均是正向环流，在16 号断面江心洲洲尾回流区有强度很小的反向环流存在，如图3 所示。左汊为主时，弯道开始段4- 6 号断面，整个区域表现为反向环流，进入弯道以后,左汊部分完全环流全为正向环流，而右汊部分在开始为很强烈的正向环流，经过弯顶11 号断面以后，逐渐发展为反向环流,如图4 所示。加边滩后，整个右汊弯道存在强度较大的正向环流，而在左汊虽也有正向环流出现，且强度很小，如图5 所示。
表1 模型试验工况
图2 工况1 整个测区环流分布图
图3 工况2 整个测区环流分布图
图4 工况3 整个测区环流分布图
图5 工况4 整个测区的环流分布
整个断面的环流强度以全断面的纵横向流速之比来衡量[5] :
式中: n 是断面内均匀布置的测点数目; wi 和u i 分别表示某个测点的横向流速和纵向流速。将上述4 种工况下的环流强度绘成图表，如图6 所示。
分析4 种工况下两支汊环流强度的大小分布(如表2 所示) 。结合图表经分析可得出: 对于左汊, 不论江心洲的位置如何, 环流强度都是“两头大, 中间小”, 即洲头和洲尾环流强度大, 中间段环流强度小。强度最小位置出现在弯顶附近, 强度最大位置出现在洲头或洲尾处, 这与水流的分流与汇合有关。对于右汊, 环流强度的大小影响着泥沙的输移量, 在左右汊平衡(工况2) 和左汊为主(工况3) 时, 最大环流强度出现在洲尾位置, 而在右汊为主和右汊为主加边滩时, 最大环流强度出现在洲头位置, 洲尾的环流强度要明显小于洲头的环流强度。综上所述, 右汊为主时右汊的环流强度要明显小于其余3 种情况时的右汊环流强度。
表2? 4 种工况下环流强度值
图6 四种工况时的左右汊环流强度对比
5 结语
通过实验数据分析得出以下结论。
(1) 在流量相同时，随着江心洲位置的转换，造成的分流比不同，环流状态也不一致。
(2) 江心洲位于偏向弯道凸岸即左汊为主时，整个区域表现为反向环流，进入弯道以后，左汊部分完全环流全为正向环流，而右汊部分在开始为很强烈的正向环流，经过弯顶11 号断面以后，逐渐发展为反向环流。
(3) 江心洲位于弯道中间位置即左右汊平衡时，其环流形态比较单一，左汊和右汊均是正向环流，在16 号断面江心洲洲尾回流区有强度很小的反向环流存在。
(4) 江心洲位于偏向弯道凹岸即右汊为主时，右汊的环流强度要明显小于其余3 种工况时的右汊环流强度。
由于弯曲分汊河段的演变机理影响因素很多，本文仅对江心洲位置的变化作了同级流量下的定量分析，尚许多因素未考虑，对此还有待进一步深入的研究。
参考文献:
[1] 余文畴，卢金友. 长江河道演变与治理[M]. 北京: 中国水利电力出版社，2005.
[2] 吴宋仁. 陈永宽. 港口及航道工程模型试验[M] . 北京: 人民交通出版社，1993.
[3] 李青云. 付中敏. 窑监河段航道治理方案研究[J] . 水运工程,2009，(3) .
[4] 郑惊涛. 弯曲分汊河段泥沙运动规律研究[D] . 重庆: 重庆交通大学，2008.
[5] 王平义. 弯曲河道动力学[M]. 成都: 成都科技大学出版社，1995.
作者简介: 李红(1981-)，女，主要从事高校教育工作。
