向家壩下長(zhǎng)江干流長(zhǎng)河段河道橫剖面分形特征

倪志輝,周 舟,吳立春,鐘 亮,趙 健

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;3.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016; 4重慶第二師范學(xué)院,重慶 400067)

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向家壩下長(zhǎng)江干流長(zhǎng)河段河道橫剖面分形特征

倪志輝1,2,3,周 舟1,吳立春4,鐘 亮2,趙 健3

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;3.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016; 4重慶第二師范學(xué)院,重慶 400067)

以長(zhǎng)江干流向家壩—朱沱河段內(nèi)局部礙航灘段為研究對(duì)象,建立二維非恒定-分形數(shù)學(xué)模型,統(tǒng)計(jì)滿足最低維護(hù)水深的航道寬度,計(jì)算河道橫剖面分維數(shù),顯示其呈1階分維特性。河流寬度分維數(shù)和水深以及與所在河段、所在斷面的形狀有很大關(guān)系,一般淺灘呈現(xiàn)寬度分維數(shù)隨水深增大而增大的趨勢(shì)，橫剖面分維數(shù)隨流速增大整體上呈逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)比同一河段內(nèi)各灘分維數(shù)的大小,在上游流量相同時(shí),河道橫斷面地形越平順橫剖面分維數(shù)越小。

分形維數(shù);橫剖面分形;數(shù)值模擬;非恒定流;通航水力要素；向家壩；長(zhǎng)江

分形理論(fractal theory)是由Mandelbrot[1]于20世紀(jì)70年代率先提出并創(chuàng)立的一種探索自然界復(fù)雜形態(tài)的數(shù)學(xué)分支。Mandelbrot試圖用這種方法描述自然界中的一些傳統(tǒng)歐氏幾何無(wú)法描述的復(fù)雜對(duì)象,例如彎曲的河流、復(fù)雜的海岸線等。分形維數(shù)是描述分形集幾何特征的定量參數(shù),能夠反映分形的基本特征。流域水系、水網(wǎng)等地貌形態(tài)也具有分形特征。Nikora[2]對(duì)蘇聯(lián)境內(nèi)多條河流平面形態(tài)的分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,得出河道平面形態(tài)在一定尺度內(nèi)具有分形特征的結(jié)論；Rego等[3]用多重分形去趨勢(shì)波動(dòng)法研究了巴西一些河流的主要的復(fù)雜水波動(dòng),認(rèn)為巴西河流水位可以從多重分形的角度得出規(guī)律；Movahed等[4]采用分形方法研究了河流的流量波動(dòng)；Sapozhnikov等[5-6]提出了分析河道自相似性的新方法。地表水系是一種典型的分枝現(xiàn)象,這種分枝圖像具有自相似性。Balkhanov等[7-8]從分形的角度對(duì)一些河流水系進(jìn)行了研究;Horton[9]在對(duì)水系進(jìn)行諸多研究的基礎(chǔ)上,提出著名的Horton定律,目前研究表明世界上大多數(shù)河流滿足Horton定律,也即他們都有自相似性；沈中原等[10]建立了多重分形計(jì)算模型,并將其用于流域地貌形態(tài)的分形量化研究；馬宗偉等[11]提出河流水系形態(tài)可通過(guò)其分形特征來(lái)反映；白玉川等[12]對(duì)蜿蜒河流分維數(shù)做了一定研究；陳康寧等[13]基于分形理論構(gòu)建了區(qū)域水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)河北省水資源系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；武國(guó)正等[14]以烏梁素海實(shí)測(cè)資料為例,分析了分形理論在水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)中的適用性；倪志輝等[15-19]將分形理論應(yīng)用于河流垂線流速分布及水流摻混長(zhǎng)度的研究上,并討論了長(zhǎng)江重慶主城河段河流長(zhǎng)度的分維數(shù)與洪水的關(guān)系,得出同一河段,河流長(zhǎng)度分維值越大,河流的泄洪能力越差,所對(duì)應(yīng)洪水發(fā)生的可能性以及洪水的強(qiáng)度越大。此外Micheal等[20-23]近年來(lái)也在河流分形方面做了許多研究；假冬冬等[24]對(duì)彎曲河道數(shù)值模擬的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),并分析了優(yōu)劣。

本文以長(zhǎng)江干流向家壩以下至重慶朱沱水文站共長(zhǎng)約270 km的河段為研究對(duì)象,在搜集大量實(shí)測(cè)地形資料的基礎(chǔ)上,利用一維及二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算河段的水流條件,并采用大量實(shí)測(cè)資料對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證,表明數(shù)模計(jì)算結(jié)果可以作為變維分形的數(shù)據(jù),結(jié)合累計(jì)和變維分形的結(jié)果即縱、橫剖面分形維數(shù),確定研究河段航道通航的指標(biāo)。針對(duì)局部重點(diǎn)灘險(xiǎn)河段,通過(guò)建立二維非恒定-分形數(shù)學(xué)模型,統(tǒng)計(jì)不同水深條件下的河道寬度,采用累計(jì)和變維分形求解河道橫剖面的分形維數(shù)。同時(shí),分析橫剖面分維數(shù)與通航水流條件之間的關(guān)系。

1 二維非恒定-分形數(shù)學(xué)模型

1.1 模型控制方程

連續(xù)性方程及ξ、η方向的動(dòng)量方程分別為

(1)

(2)

(3)

式中:h為水深;H為水位;g為重力加速度;Cξ、Cη為正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù);ξ、η為正交曲線坐標(biāo)系中的兩個(gè)正交曲線坐標(biāo);u、v分別為沿ξ、η方向的流速;n為曼寧系數(shù);σ為各個(gè)方向上的應(yīng)力張量。

1.2 定解條件

初始條件為各節(jié)點(diǎn)上的初始水位、流速:

(4)

(5)

(6)

開邊界給定水位或流量過(guò)程:

(7)

(8)

動(dòng)邊界采用凍結(jié)法處理,即在程序中設(shè)置干水深、淹沒(méi)水深和濕水深3個(gè)特征水深,當(dāng)某一單元的水深小于濕水深而大于干水深時(shí),該單元只考慮質(zhì)量守恒,不考慮動(dòng)量守恒;當(dāng)水深小于干水深時(shí),單元被凍結(jié),不參與計(jì)算;淹沒(méi)水深用來(lái)檢測(cè)單元是不是已經(jīng)被淹沒(méi)。

1.3 變維分形

Mandelbrot[1]將部分以某種方式與整體相似的形體定義為分形。分形分布滿足如下關(guān)系式:

(9)

式中:s為歐氏長(zhǎng)度;y為度量尺碼;D′為分形維數(shù);A′為比例常數(shù)。

對(duì)式(9)兩端取自然對(duì)數(shù)得:

lns=lnA′-D′lny

(10)

在直角坐標(biāo)系中l(wèi)ns-lny的圖像為直線,用最小二乘法擬合該直線,它的斜率即為-D′,從而得到分形維數(shù)D′。

河道橫剖面分維的物理意義是流量在河流橫向長(zhǎng)度方向的維數(shù)。因此,流量與河流寬度間也存在統(tǒng)一的自相似性:

(11)

式中:Q為流量;r為灘段最窄處河道寬度;D為河流橫剖面分形維數(shù),主要與流速、地形、水深等方面有關(guān);A為比例常數(shù)。

D為常數(shù)的分形稱為常維分形;若D與特征線度(這里的特征線度為河寬r)呈函數(shù)關(guān)系,則稱之為變維分形。事實(shí)上,自然界中大量的復(fù)雜現(xiàn)象都需要用變維分形來(lái)描述,嚴(yán)格滿足常維分形形式的現(xiàn)象是不存在的。維數(shù)是尺度變換下的不變量。許多學(xué)者對(duì)變維分形進(jìn)行了研究,并提出了多種方法,如采用累積和系列變換分形的方法[18]、一維動(dòng)態(tài)豪斯道夫分維數(shù)法[25]。本文采用由累計(jì)和序列獲得的分維模型,稱為“累計(jì)和分形”[18]。該方法的具體步驟如下:

步驟1 根據(jù)二維非恒定數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果,統(tǒng)計(jì)各特征流量下滿足一定河道水深的水面寬度,確定流量、河寬的原始數(shù)據(jù)對(duì)(Ni,ri),按N從小到大排列,i=1, 2, …,n(n為正整數(shù))。

步驟2 以(N1,N2,N3,…)為基本序列,按下面的規(guī)則構(gòu)造1階累計(jì)和序列:

(12)

步驟3 建立1階累計(jì)和的分段變維分形模型。雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中數(shù)據(jù)點(diǎn)(S1i,ri)和(S1i+1,ri+1)連線斜率的相反數(shù)D1i,i+1即為1階累計(jì)和的分段變維分形的分維數(shù)。根據(jù)n個(gè)數(shù)據(jù)對(duì),可以得到n-1條線段的分段變維分形的分維數(shù),稱之為分維數(shù)序列。

步驟4 將(S1i,ri)繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中,并對(duì)該數(shù)據(jù)序列做線性擬合,所得直線斜率即相應(yīng)河段的河流寬度分維數(shù)。

圖1 棧橋?yàn)┯?jì)算網(wǎng)格

1.4 模型計(jì)算網(wǎng)格及驗(yàn)證

二維水流計(jì)算主要是在一維水流計(jì)算的基礎(chǔ)上,模擬重點(diǎn)灘段在日調(diào)節(jié)非恒定流影響下河道的水流條件。在長(zhǎng)約270 km的研究河段上,選取8個(gè)灘險(xiǎn)河段,其中,水富—宜賓段2個(gè),即棧橋?yàn)┖忘S蔥咀灘;宜賓—朱沱段取6個(gè)灘段:楊柳磧?yōu)⑦^(guò)兵灘、金魚磧?yōu)蓷l牛灘、白龍灘及磨盤石灘。

對(duì)選取的8個(gè)灘段分別建立模型,模擬河段平均長(zhǎng)度在5 km左右,計(jì)算灘段范圍、網(wǎng)格灘頭概況以棧橋?yàn)槔?jiǎn)要說(shuō)明。

棧橋?yàn)┪挥陂L(zhǎng)江干流向家壩至宜賓航段內(nèi),下距宜賓合江門18.3 km,航道里程1 062 km。灘段左岸溝口為沖積灘,左岸土神沱等石盤與右岸周家磧、桐梓林邊灘相對(duì),致航槽彎、窄、險(xiǎn),故河段在枯中水期時(shí),河道流態(tài)紊亂以致礙航。棧橋?yàn)┻M(jìn)口取在灘段上游二郎灘附近,出口取在灘段下游碎米灘附近,模擬河段約長(zhǎng)5 km,計(jì)算網(wǎng)格采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格間距約30 m,共布置8 352個(gè)網(wǎng)格單元,3 009個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),糙率根據(jù)流量的不同取0.033～0.035。計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

結(jié)合河段實(shí)測(cè)資料及一維非恒定數(shù)學(xué)模型計(jì)算值,根據(jù)所建立的二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)所選河段進(jìn)行模型驗(yàn)證,通過(guò)水面線、斷面流速分布等驗(yàn)證模型的合理性及其可靠性。

a. 水面線驗(yàn)證。流量為1 780 m3/s時(shí)棧橋?yàn)┘包S蔥咀灘段水面線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如表1和表2所示。

棧橋?yàn)┘包S蔥咀灘的水面線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,誤差全部小于0.10 m,符合相關(guān)規(guī)范的計(jì)算精度要求。

表1 棧橋?yàn)┒S數(shù)模水面線驗(yàn)證

表2 黃蔥咀灘二維數(shù)模水面線驗(yàn)證

其余灘段受實(shí)測(cè)資料缺少的限制,采用一維非恒定數(shù)學(xué)模型計(jì)算值對(duì)二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果與棧橋?yàn)┖忘S蔥咀灘的水面線驗(yàn)證結(jié)果相似,水位誤差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，表明各計(jì)算河段均能滿足與原型河道阻力相似的要求。

b. 流速驗(yàn)證。采用3個(gè)斷面(棧橋?yàn)┒?個(gè)實(shí)測(cè)斷面(圖1中C1和C2)和黃蔥咀灘段1個(gè)實(shí)測(cè)斷面C3)的實(shí)測(cè)流速進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果見圖2和圖3。各測(cè)點(diǎn)流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,誤差未超過(guò)15%,達(dá)到計(jì)算精度要求。

圖2 棧橋?yàn)┖佣螖嗝媪魉俜植简?yàn)證(流量1 780 m3/s)

圖3 黃蔥咀河段C3斷面流速分布驗(yàn)證

其余灘段結(jié)合一維計(jì)算所得左右岸流速值,對(duì)比驗(yàn)證相應(yīng)流量下的二維數(shù)模岸邊流速,驗(yàn)證結(jié)果與棧橋?yàn)┖忘S蔥咀灘的驗(yàn)證結(jié)果相似,流速誤差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

2 河道橫剖面分維數(shù)

由于八個(gè)灘段分布在兩個(gè)通航條件不同的航段上,其中棧橋?yàn)┖忘S蔥咀灘位于長(zhǎng)江干流水富—宜賓航段,其余6個(gè)灘段位于長(zhǎng)江干流宜賓—朱沱段。在現(xiàn)行航道尺度下,水富—宜賓航段與宜賓—朱沱航段最低維護(hù)水深不同,故按航道現(xiàn)狀對(duì)8個(gè)灘險(xiǎn)河段分兩個(gè)航段探討。

2.1 水富—宜賓航段

按航道現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)滿足最低維護(hù)水深要求的各特征流量的河寬,即統(tǒng)計(jì)棧橋?yàn)┖忘S蔥咀灘滿足1.8 m最低通航水深時(shí)灘段最窄處河道寬度。為計(jì)算兩個(gè)灘段橫剖面分形維數(shù),以棧橋?yàn)槔?首先進(jìn)行簡(jiǎn)單分形計(jì)算,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,各數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯不呈直線分布,說(shuō)明棧橋?yàn)┖佣魏恿鲗挾纫喑首兙S分形關(guān)系,需要采用變維分形模型對(duì)其進(jìn)行處理。采用累計(jì)和變維分形的方法對(duì)該河段的河流寬度分形進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過(guò)程見表3(在此只列出4級(jí)流量的計(jì)算過(guò)程,不過(guò)多贅述)。

圖4 棧橋?yàn)┖佣魏恿鲗挾确志S序列

流量Qi/(m3·s-1)寬度ri/mDi，i+1S1iD1i，i+1S2i13008648313001300150091996-23155752800-105897841001835106754-13548954635-10750428735185010569108135936485-106550915220

對(duì)黃蔥咀灘進(jìn)行同樣的過(guò)程計(jì)算,最終計(jì)算匯總結(jié)果見表4及圖5,可以看出,數(shù)據(jù)點(diǎn)與所擬合的直線吻合的很好,相關(guān)系數(shù)均大于0.99,說(shuō)明各灘段的河流寬度具有一階分維特性。

表4 水富—宜賓段各灘段河流寬度分維值計(jì)算結(jié)果

圖5 水富—宜賓段河流寬度1階累計(jì)和分維序列

2.2 宜賓—朱沱段

統(tǒng)計(jì)包括楊柳磧?yōu)┰趦?nèi)的6個(gè)灘段滿足2.7 m最低通航水深要求時(shí)灘段最窄處河道寬度,計(jì)算6個(gè)灘段橫剖面分形維數(shù)。以楊柳磧?yōu)槔?由前述棧橋?yàn)┯?jì)算過(guò)程可知,橫剖面分維數(shù)呈1階分維特性,因此采用累計(jì)和變維分形的方法對(duì)楊柳磧?yōu)┑暮恿鲗挾确中芜M(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過(guò)程同表3。對(duì)其余5個(gè)灘段進(jìn)行同樣的計(jì)算,最終計(jì)算結(jié)果見表5及圖6?？梢钥闯?數(shù)據(jù)點(diǎn)與所擬合的直線吻合得很好,相關(guān)系數(shù)均大于0.99,說(shuō)明宜賓—朱沱段內(nèi)各灘段橫剖面分維數(shù)具有1階分維特性。

表5 宜賓—朱沱段各灘段河流寬度分維值計(jì)算結(jié)果

圖6 宜賓—朱沱段河流寬度1階累計(jì)和分維序列

2.3 不同水深下橫剖面分維數(shù)

上述計(jì)算橫剖面分維數(shù)的過(guò)程中,河道寬度取值為水富—宜賓段滿足1.8 m水深的河寬及宜賓—朱沱段滿足2.7 m水深的河寬。為討論同河段下橫剖面分維數(shù)與水深的關(guān)系,現(xiàn)對(duì)兩個(gè)航段內(nèi)的灘段不同水深下河道寬度分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算,其中,水富—宜賓段統(tǒng)計(jì)滿足2.7 m及3.5 m水深的河道寬度;宜賓—朱沱段統(tǒng)計(jì)滿足3.2 m及3.5 m水深的河道寬度,計(jì)算結(jié)果見表6及表7。

表6 水富—宜賓段各灘段分維值計(jì)算結(jié)果

表7 宜賓—朱沱段各灘段分維值計(jì)算結(jié)果

3 分析與討論

上述各灘險(xiǎn)河段橫剖面分形維數(shù)反映了滿足一定水深的河道寬度與相應(yīng)上游流量大小的相關(guān)程度。而滿足特定水深的河道寬度受所在河段的橫斷面形狀影響很大,因此從某種角度來(lái)說(shuō)河道橫剖面分維數(shù)反映的也是河道橫斷面形狀與河道來(lái)流量的相關(guān)程度。而流量相同的情況下水深、流速的大小取決于所在河道橫斷面形狀。

3.1 橫剖面分維值

從表6、表7可以看出,天然河道的橫剖面分維數(shù)存在著變維分形現(xiàn)象,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),各灘段分維值都小于零,即為負(fù)分維數(shù)。分形理論的創(chuàng)始人Mandelbrot為描述多重分形系統(tǒng)的復(fù)雜性而引入了負(fù)分維。從數(shù)學(xué)上理解,它刻畫空集“空”的程度,實(shí)質(zhì)上是由系統(tǒng)的隨機(jī)性產(chǎn)生的。負(fù)分維從一個(gè)側(cè)面描述了系統(tǒng)的隨機(jī)特性,反映了必然性與偶然性的內(nèi)在聯(lián)系,更具有普遍意義。負(fù)分維數(shù)的絕對(duì)值越大,表明自相似性越好。計(jì)算結(jié)果顯示,長(zhǎng)江干流水富—朱沱段各水深下的橫剖面分維值在-0.928 2～-1.277 6之間,最大值出現(xiàn)在水深3.5 m時(shí)的棧橋?yàn)?-0.928 2),最小值出現(xiàn)在水深3.5 m時(shí)的兩條牛灘(-1.277 6)。水富—宜賓段較宜賓—朱沱段分維數(shù)要稍大,但并不明顯。計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上,表明河道橫剖面河流寬度具有顯著的1階分維特性。

3.2 橫剖面分維數(shù)與水深的關(guān)系

根據(jù)所得河流寬度分維數(shù),同一河段不同水深河道橫剖面分維數(shù)不同,同一水深不同河段的分維數(shù)也不一樣,因此將統(tǒng)計(jì)的不同水深的灘險(xiǎn)段河流寬度分維數(shù)及所在灘險(xiǎn)河段類別及礙航成因列于表8及表9。由表可知,對(duì)灘險(xiǎn)類別為淺灘的灘段,除白龍灘外,其余河段橫剖面分維數(shù)均呈隨水深增大逐漸增大的趨勢(shì);橫剖面分維數(shù)隨水深減小的灘段為兩條牛灘和白龍灘,橫剖面分維數(shù)隨水深變化無(wú)規(guī)律的為黃蔥咀灘和過(guò)兵灘,橫剖面分維數(shù)隨水深呈增大趨勢(shì)的灘段為棧橋?yàn)?、楊柳磧?yōu)?、金魚磧?yōu)┘澳ケP石灘。棧橋?yàn)?、楊柳磧?yōu)?、金魚磧?yōu)┘澳ケP石灘4個(gè)灘段的地形具有一定的共性,其左岸或右岸均有一較大的淺灘,且河道深槽呈“V”形,相對(duì)較寬,例如圖7中的楊柳磧斷面及磨盤石斷面。因此可推測(cè)得知,河道橫剖面分維數(shù)大小和水深變化的關(guān)系與所在河段的地形有很大關(guān)聯(lián)。

表8 水富—宜賓段灘險(xiǎn)類別及相應(yīng) 水深下河流寬度分維數(shù)

表9 宜賓—朱沱段灘險(xiǎn)類別及相應(yīng) 水深下河流寬度分維數(shù)

圖7 楊柳磧?yōu)┘澳ケP石灘河道橫斷面地形

河道橫剖面分維數(shù)從某種角度來(lái)講反映的也是河道橫斷面形狀與河道來(lái)流量的相關(guān)程度,橫斷面形狀越平滑,則相關(guān)程度越低,分維數(shù)越小。因此可以認(rèn)為在上游流量相同時(shí),橫斷面越平順?lè)志S數(shù)越小。在水富—宜賓河段內(nèi),黃蔥咀灘橫斷面形狀相對(duì)棧橋?yàn)┮交?反映在圖中,黃蔥咀灘橫剖面分維數(shù)在統(tǒng)一水深下平均比棧橋?yàn)┬?0%左右。宜賓—瀘州河段及瀘州—朱沱河段等橫斷面相對(duì)平順的灘段,其橫剖面分維數(shù)也都相對(duì)較小。

3.3 橫剖面分維數(shù)與流速的關(guān)系

各灘段平均流速基本隨流量的增大呈線性增大的趨勢(shì)。將各灘段平均流速與對(duì)應(yīng)流量下的橫剖面分維數(shù)一起繪于直角坐標(biāo)系,如圖8所示。圖中橫剖面分維數(shù)均為各航段內(nèi)滿足現(xiàn)行航道最小維護(hù)水深下的河流寬度分維數(shù)。

由圖8可知,隨著各灘段平均流速的增大(即流量的增大),除過(guò)兵灘外,其余灘段河道橫剖面分維數(shù)雖有起伏變化但整體上呈逐漸減小的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象在黃蔥咀和兩條牛灘表現(xiàn)得極為明顯,在流速均增大1倍的情況下(黃蔥咀1.0 ～2.0 m/s,兩條牛0.6～1.2 m/s),分維數(shù)都有60%～70%的增大。這是因?yàn)闄M剖面分維數(shù)表示的是河道流量與一定水深下河道寬度的相關(guān)程度。隨流速減小,橫剖面分維數(shù)逐漸變小意味著隨流速減小(河道流量減小),河寬變化程度與流量變化程度之間的相關(guān)度逐漸下降。

4 結(jié) 論

圖8 水富—朱沱段各灘險(xiǎn)段橫剖面分維數(shù)與平均流速關(guān)系

a. 分維數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上,說(shuō)明河道橫剖面河流寬度具有1階分維特性。從某種角度來(lái)說(shuō)河道橫剖面分維數(shù)反應(yīng)的是河道橫斷面形狀與河道來(lái)流量的相關(guān)程度,發(fā)現(xiàn)河道橫剖面分維數(shù)和水深的關(guān)系與所在河段、所在斷面的形狀有很大關(guān)系,一般淺灘呈現(xiàn)分維數(shù)隨水深增大的趨勢(shì)。

b. 除特殊地形外,一般橫剖面分維數(shù)整體上隨流速的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)。

c. 對(duì)比同一河流各灘段分維數(shù)的大小,上游流量相同時(shí),河道橫斷面地形越簡(jiǎn)單平順橫剖面分維數(shù)越小。

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Fractal research of long river channel’s transverse section downstream Xiangjiaba Dam of Changjiang River//

NI Zhihui1, 2, 3, ZHOU Zhou1, WU Lichun4, ZHONG Liang2, ZHAO Jian3

(1.KeyLaboratoryofHydraulicandWaterwayEngineeringoftheMinistryofEducation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.NationalEngineeringResearchCenterforInlandWaterwayRegulation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 3.SouthwesternResearchInstituteofWaterTransportationEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400016,China; 4.ChongqingUniversityofEducation,Chongqing400067,China)

Using a navigation-obstructing section downstream the Xiangjiaba Dam of Changjiang River as a research object, a two-dimensional unsteady fractal mathematical model that can meet the requirement for maintaining a minimum water depth was established for statistical analysis of the channel width, and the fractal dimension of the river channel’s transverse section was calculated, demonstrating one-order fractal dimension characteristics. The results show that the fractal dimension of the channel width has a close relationship with the water depth, the topography of river reach, and the shape of transverse section, demonstrating a general increasing trend of the fractal dimension of the channel width with the increasing water depth for a shoal and a general decreasing trend of the fractal dimension of the transverse section with the increasing flow velocity. Comparison of the fractal dimension of different shoals in the same river reach shows that the fractal dimension is relatively small for a transverse section with smooth topography under the same flow rate from upstream.

fractal dimension; fractal analysis of transverse section; numerical simulation; unsteady flow; navigable hydraulic elements; Xiangjiaba Dam; Changjiang River

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2016YFC0402104);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃(cstc2016jcyjA0380);內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(NHHD-201514)

倪志輝(1980—),男,副研究員,博士,主要從事河流海岸水動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:benny251@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.011

TU612.3

A

1006-7647(2017)01-0060-08

2015-12-04 編輯：鄭孝宇)