河岸植被覆蓋影響下的河流演化動(dòng)力特性分析

楊樹(shù)青，白玉川，2，徐海玨，2，黃 哲

（1.天津大學(xué) 河流海岸工程泥沙研究所，天津 300072；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

1 研究背景

河流的塑造演化過(guò)程受多種因素的控制，如流量、河道寬度、水深、坡降、床沙粒徑及區(qū)域植被分布等。水利工程中大壩的建設(shè)，河道整治工程中的水流改道[1］以及氣候變化[2］等，都會(huì)使得河流的水沙條件發(fā)生改變，引起河流沿程的水動(dòng)力與沉積關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致河流在短時(shí)間內(nèi)的急劇演化發(fā)展。河岸植被同樣對(duì)河道演化起著重要作用，尤其是在河道流量驟增的洪水期。

傳統(tǒng)洪水控制政策一般沒(méi)有將河岸植被列入規(guī)劃，對(duì)于沒(méi)有適當(dāng)植被規(guī)劃的地區(qū)，其河岸抗侵蝕能力較弱，河道演化較快[3］；而對(duì)于渠化的河道，雖然滿(mǎn)足了現(xiàn)代航運(yùn)的要求，但水泥和鋼筋混凝土固化了的河岸，又阻止了水體與土壤的自然交換，不符合目前生態(tài)環(huán)保理念。自然植被或人工植被河岸，在洪水來(lái)臨時(shí)可通過(guò)水體滲透或兩岸河畔林的儲(chǔ)水，起到調(diào)蓄洪水的輔助作用；同時(shí)，在生態(tài)環(huán)保理念下，河岸植被對(duì)河流展寬及河道穩(wěn)定性有較大影響，一方面，河岸灘植被區(qū)增加了河道阻力，有效地降低水流流速，降低了水流挾沙能力[4］，從而影響泥沙輸運(yùn)沉積過(guò)程[5-6］，河床形態(tài)形成及河灣穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為水體也易向阻力小的主槽轉(zhuǎn)移[7］，增大了河道的刷深，改變降低河道曲率，使蜿蜒型河道變得更順直[8］；另一方面，河岸植被影響河岸強(qiáng)度從而改變崩岸條件及河岸穩(wěn)定性，易形成淤積體，減小河岸侵蝕，影響河道的橫向遷移特性[9］等。

河岸植被對(duì)河流演化動(dòng)力特性的影響問(wèn)題，目前的研究手段以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法[10-11］和自然模型實(shí)驗(yàn)法[12-14］為主，理論分析和數(shù)學(xué)模擬[13，15］則次之，其原因主要由于植被覆蓋下兩岸土壤的沖刷機(jī)理尚不清楚，還不能建立完全統(tǒng)一的沖刷規(guī)律的描述公式。一些學(xué)者[16-17］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)植被密度對(duì)河道的影響進(jìn)行量化，分析表明河道寬深比與植被覆蓋率具有相關(guān)性，覆蓋率越大，河道越窄深。河岸植被通過(guò)改變河道的水流運(yùn)動(dòng)及沖刷特性，進(jìn)而影響河道的寬深比從而改變河流的型態(tài)。

實(shí)際測(cè)量雖能反映實(shí)際的影響情況，但由于實(shí)際地形不重復(fù)、河道植被分布隨機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間尺度較短且地域有一定的局部性等，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量還不能完整地得到植被對(duì)河床及河岸侵蝕的量化影響[18］。因此，研究河岸植被對(duì)河道演化特定的影響問(wèn)題自然模型法仍然是主要的研究手段。但目前研究植被對(duì)河道水動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)多關(guān)注于兩個(gè)方面：一方面分析短時(shí)間尺度的定岸河道，其河岸植被對(duì)水流結(jié)構(gòu)及床面形態(tài)的影響響應(yīng)；另一方面分析長(zhǎng)時(shí)間尺度植被對(duì)河流演化過(guò)程中河型穩(wěn)定，河寬、水深變化等的影響，而對(duì)于河道動(dòng)力軸線(xiàn)演化及其演化過(guò)程中與主槽穩(wěn)定性關(guān)系的研究較少。同時(shí)大部分實(shí)驗(yàn)研究更側(cè)重于分析河演過(guò)程中的河岸侵蝕特性，并未對(duì)典型蜿蜒河流的河灣遷移特性進(jìn)行研究。

本文利用無(wú)黏性沙并成功地培養(yǎng)出了用于模擬的河岸植被，并在初始河道一岸及兩岸成株種植。采用自然模型實(shí)驗(yàn)的方法描述不同河岸植被種植密度情況下河流演化動(dòng)力特性，研究不同植被覆蓋條件對(duì)河道演化的水流運(yùn)動(dòng)特性、主槽穩(wěn)定特性、河灣遷移特性及輸沙強(qiáng)度等的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)儀器為自循環(huán)系統(tǒng)，水槽長(zhǎng)4 m，寬1.5 m，深0.5 m，水槽由高度可調(diào)并用支架支撐，形成不同的河道坡降。在水槽尾部設(shè)置集水箱，系統(tǒng)設(shè)置循環(huán)水泵，將水流從集水箱送至前水箱，經(jīng)過(guò)兩次平水進(jìn)入河道，后經(jīng)尾門(mén)進(jìn)入集水箱，形成水流自循環(huán)，儀器見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及初始開(kāi)挖河道及河岸植被布設(shè)

由于實(shí)際水流在經(jīng)過(guò)流域時(shí)會(huì)分為兩部分，一部分在河床與河岸邊界中流動(dòng)，形成河流水流；另一部分則滲入地下，形成滲流。為更接近實(shí)際河流情況，本實(shí)驗(yàn)將河流水流與滲流分開(kāi)，沿水槽四周設(shè)計(jì)并預(yù)留滲流通道，左右兩側(cè)預(yù)留寬度為15 cm，進(jìn)口及出口預(yù)留寬度為25 cm。理論上實(shí)驗(yàn)總流量=河流流量+滲流流量。模型河道實(shí)驗(yàn)用沙根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選定為天然河流非均勻的無(wú)黏性細(xì)沙，中值粒徑為0.22 mm，鋪沙厚度為15 cm，沙粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)沙粒級(jí)配曲線(xiàn)

模型河道開(kāi)挖初始為4 cm×4 cm矩形斷面，見(jiàn)圖1。初始入流角設(shè)定為30°，以研究擾動(dòng)對(duì)河道演變進(jìn)程的影響，施放流量Q=120 ml/s的恒定流，河床坡降設(shè)定為12‰，更易形成蜿蜒型河流[19］。來(lái)流量的選擇主要考慮在實(shí)驗(yàn)規(guī)模的小河幾何尺度上，所能達(dá)到的河流流速大于泥沙起動(dòng)流速。實(shí)驗(yàn)選取6個(gè)橫向測(cè)量斷面（S1—S6），觀察斷面形態(tài)隨時(shí)間的演化規(guī)律。

隨著河道的演化，測(cè)量不同時(shí)刻的河床斷面高程、流速、河寬、水深等。輸沙強(qiáng)度隨河道演化發(fā)展而發(fā)生變化，每隔30 min測(cè)量水槽尾部沉沙筒的沉沙量，計(jì)算輸沙率。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每30 min將下游沉沙對(duì)應(yīng)的等量干沙加入進(jìn)口加沙器，以滿(mǎn)足連續(xù)輸沙邊界條件。利用水槽上方拍攝系統(tǒng)定點(diǎn)獲取瞬時(shí)河道信息，攝像間隔為20 min。獲取的圖像通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及變形矯正提取瞬時(shí)時(shí)刻的河岸岸線(xiàn)及主流線(xiàn)，從而捕捉實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托『悠矫嫘螒B(tài)的演化過(guò)程。

為研究河岸植被覆蓋對(duì)彎曲河流塑造及演化過(guò)程的影響響應(yīng)，設(shè)定相同的水沙邊界條件，如流量、床沙粒徑、坡降等?？刂谱兞吭O(shè)定為河岸植被的種植密度，本文用河岸植被覆蓋率描述。實(shí)驗(yàn)共7組，第1組為無(wú)植被情況，第2、3、4組為一岸（左岸）種植植被，第5、6、7組為兩岸種植植被。

植被的選取一方面考慮河岸侵蝕過(guò)程，另一方面考慮植被根系對(duì)河岸的機(jī)械強(qiáng)度的作用，即對(duì)提高河岸抗剪性的作用。河岸植被種類(lèi)很多，本文研究植被覆蓋率對(duì)河流動(dòng)力影響問(wèn)題涉及到的植被為灌木或大樹(shù)。一般凹岸樹(shù)木植被的掏刷發(fā)生在密集根系的下部，水流先沿植被根系形成掏刷，導(dǎo)致植被倒伏，而后倒伏的植被對(duì)河岸形成保護(hù)，最后逐漸被水流沖刷帶走。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)多種植被草對(duì)比，最終選取與自然河岸植被侵蝕特過(guò)程性相似的模型植被草。從流體力學(xué)的角度，每一顆樹(shù)實(shí)際上是一個(gè)極其復(fù)雜的擾流問(wèn)題，其阻力的增加來(lái)自樹(shù)阻水面積。因此，按株種植實(shí)驗(yàn)植被，使得水流擾動(dòng)過(guò)程相似。

不同地區(qū)不同樹(shù)木種類(lèi)，不同植被密度等對(duì)其河岸抗剪強(qiáng)度影響不同。如Wu等[20］早在1979年分析加拿大位于阿拉斯加的威爾士王子島上河流兩岸樹(shù)木對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，得出有植被河岸抗剪強(qiáng)度較無(wú)植被河岸提高1.0～1.3倍。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)量測(cè)，得到有植被河岸其抗剪強(qiáng)度較無(wú)植被河岸提高了1.26～1.41倍，因此與實(shí)際對(duì)比在合理的范圍內(nèi)。圖3顯示了實(shí)際河岸植被與模型植被示意圖對(duì)比。

圖3 植被示意圖

植被帶種植寬度為18 cm，長(zhǎng)3 m，種植網(wǎng)格寬為1 cm，采用梅花形種植方式（見(jiàn)圖1）。成草的生長(zhǎng)高度平均為6.47 cm，根系長(zhǎng)度平均達(dá)2.7 cm，有效根系覆蓋平均直徑d≈1 cm。為消除初始時(shí)段河道迅速展寬帶來(lái)的分析誤差，整個(gè)植被帶距離初始河道4 cm，滿(mǎn)足當(dāng)河道展寬至河岸植被岸時(shí)，河床接近于自然梯形斷面，急劇展寬歷時(shí)較短，一般小于20 min。因植被根系的存在對(duì)彎曲河流演變速率影響較大，為此本文將有效根系覆蓋的面積作為河岸植被覆蓋率。計(jì)算得到4種植被有效覆蓋率分別為0%、20%、40%、80%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析觀察彎曲河流的演化過(guò)程，初始階段，河灣從上游向下游傳播。隨著演變的不斷進(jìn)行，下游河灣水流條件逐漸成熟，曲率增大，下游河灣按照自身的演變機(jī)理進(jìn)行演化。入流角對(duì)河灣演變的影響為短期作用，在初始階段加速了其變化，但從長(zhǎng)期來(lái)看，河流會(huì)按照水沙條件達(dá)到自身的動(dòng)平衡狀態(tài)。將水流表面流速作為河道中的水流流速。計(jì)算河流演化過(guò)程中的水力參數(shù)，如弗勞德數(shù)及雷諾數(shù)。實(shí)驗(yàn)中雷諾數(shù)在500～4000之間，黏性底層的黏滯阻力可以忽略不計(jì)。表1顯示了7組實(shí)驗(yàn)工況的基本參數(shù)及最終河型。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察到有無(wú)植被河岸有不同的侵蝕特性。對(duì)于無(wú)植被情況，水流侵蝕河岸，水流沿河岸底部掏刷逐步形成懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)局部失穩(wěn)后發(fā)生局部塌落；而對(duì)于有河岸植被覆蓋情況，水流沖刷河岸時(shí)，植被根系被裸露在外（見(jiàn)圖3），形成局部擾動(dòng)掏刷，失穩(wěn)塌落較少。

當(dāng)河岸有植被存在時(shí)，一方面，植被的存在增強(qiáng)了水流的局部擾動(dòng)，增強(qiáng)了局部掏刷。另一方面，河岸植被增加了河岸阻力，同時(shí)倒伏的河岸植被常常附著在河岸邊緣，增大局部水力糙率。在河道演化的初始階段，河道寬深比較小時(shí)，水流多處于急流，由于沿植被帶水流湍急紊動(dòng)強(qiáng)烈，增強(qiáng)了河道底部切應(yīng)力，床沙顆粒在自床面躍起過(guò)程中，遇到向上的旋渦，造成植被帶床沙的起懸，沙粒掉在旋渦以外時(shí)，進(jìn)入主流區(qū)，沿岸沖刷嚴(yán)重。同時(shí)由于水流沿植被帶的強(qiáng)烈擾動(dòng)作用，主流散亂，河道中心出現(xiàn)交錯(cuò)淤積，使得主流無(wú)法向?qū)Π镀?，河灣彎曲發(fā)展緩慢。隨著河道演變的繼續(xù)及河道的不斷展寬，植被間的水流流速減小，河岸植被的阻力作用增強(qiáng)，植被區(qū)紊動(dòng)降低，一定程度上抑制了床沙的起動(dòng)及再懸浮，淤積增加。因此，植被對(duì)河道演化中河道的沖淤及河灣穩(wěn)定特性的影響是這兩方面共同作用的結(jié)果。

當(dāng)只有單側(cè)種植植被時(shí)，水流易集中于沒(méi)有植被的地方，有植被一岸嚴(yán)重抑制了河岸的侵蝕，無(wú)植被凹岸形成高流速區(qū)，加劇河床及河岸侵蝕。當(dāng)兩岸均有植被覆蓋時(shí)（如RUN6），主流偏向凹岸一側(cè)，由于植被帶對(duì)阻力的增大的作用，減小了河道的順勢(shì)沖刷，主流線(xiàn)從而向河道中間偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響到河道泥沙的淤積變化及河床地形。因此河岸植被越密集，水流對(duì)河岸的局部擾動(dòng)越強(qiáng)烈，水流與河床之間的相互適應(yīng)周期越長(zhǎng)，從初始順直河道到形成穩(wěn)定的河相關(guān)系越緩慢。

表1 基本參數(shù)及最終河型

3.2 河道水流運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在河道入口處投放大量示蹤粒子，粒子大部分會(huì)向水流動(dòng)力軸線(xiàn)聚集，通過(guò)PTV粒子識(shí)別系統(tǒng)，提取示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并繪制模型河流在不同時(shí)刻的水流動(dòng)力軸線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。觀察RUN1發(fā)現(xiàn)，河演過(guò)程中水流動(dòng)力軸線(xiàn)更貼近凹岸偏向頂沖點(diǎn)下游，隨著凹岸進(jìn)一步侵蝕，凹岸頂沖點(diǎn)逐漸向下游推移。初始80 min，下游河岸基本限于河岸崩塌，到360 min時(shí)，形成典型的蜿蜒河流形態(tài)，沿全河段水流動(dòng)力軸線(xiàn)保持近似相同的曲率及波長(zhǎng)發(fā)展傳播。

圖4 水流動(dòng)力軸線(xiàn)隨時(shí)間變化規(guī)律

觀察RUN3動(dòng)力軸線(xiàn)演化過(guò)程，在河流演變到80 min時(shí)，主流調(diào)整的過(guò)程中伴隨著下游分汊的產(chǎn)生，且汊道逐漸向上游傳遞。在180 min時(shí)刻床面逐漸形成穩(wěn)定的流路，伴隨著河道主流的形成及下游汊道的影響，在360 min沿全河段形成兩處較大支流。在1.5～2.0 m之間段，因植被的阻擋作用本應(yīng)彎曲發(fā)展的河道，向順直方向發(fā)展，由圖5（a）看到沿左岸形成了3塊大的淤積體，且在淤積體的另一側(cè)水流重新調(diào)整主流流路。隨的演化的繼續(xù)，在600 min時(shí)，右岸邊灘逐漸消亡，左岸邊灘逐漸淤積，形成了新的淤積體（圖5（a），淤積體4）。這樣的現(xiàn)象在實(shí)際河流中也常常見(jiàn)到，如圖5（b）為red河Mataura支流cattle flat附近的河道，一岸為植被帶分布，一岸為草地，其主流向抗沖能力差的一岸移動(dòng)。因此，河岸抗侵蝕能力的不對(duì)稱(chēng)性，致使只有一岸植被覆蓋的河道，其主流擺動(dòng)頻繁，主支流交替演化，河流在長(zhǎng)期處于分汊或辮狀的河勢(shì)狀態(tài)（圖5（b））。河勢(shì)的這種不斷調(diào)整變化并不是兩岸抗侵蝕能力差異越大，調(diào)整就越頻繁。從RUN2工況可以看到，當(dāng)左岸植被非常密集時(shí)，相反兩岸的互相擾動(dòng)并未產(chǎn)生共振，主流偏離植被岸尋求新的水動(dòng)力環(huán)境。

圖5 河道示意圖

從圖6看到，3組（RUN2，RUN3，RUN4）一岸（左岸）植被覆蓋河道相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻其河岸侵蝕和主支流情況，960 min時(shí)主流形成了較大的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)兩河岸的侵蝕速率也不同。具體表現(xiàn)為：初始時(shí)刻河道中心線(xiàn)在y=0.85 m處，最終時(shí)刻主流線(xiàn)均偏向無(wú)植被岸。無(wú)植被河岸曲率沿程非均勻分布，有植被岸出現(xiàn)了整體性被侵蝕的現(xiàn)象，且岸線(xiàn)曲率沿程較小。

圖6 相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻，不同組次河流河岸及動(dòng)力軸線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，河岸植被使得河道沿橫向的平面擺動(dòng)速度明顯減緩。有植被護(hù)岸河道的演化，其形成較為穩(wěn)定的動(dòng)力軸線(xiàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)。尤其對(duì)于兩岸植被護(hù)岸不對(duì)稱(chēng)情況，動(dòng)力軸線(xiàn)調(diào)整較為漫長(zhǎng)，甚至主流線(xiàn)初始有蜿蜒的趨勢(shì)，但因局部植被擾流阻力作用，導(dǎo)致流速沿?cái)嗝嬷胤植迹乖镜膹澢厔?shì)遭到破壞。RUN2，RUN3，RUN4分別在400 min，180 min，600 min左右才基本完成床面調(diào)整。圖7顯示了河道演變80 min時(shí)一岸及兩岸40%河岸植被覆蓋率情況下，1.5～2.0 m河段的床面形態(tài)?？梢钥吹絉UN3床面沒(méi)有固定的主流，仍處于散亂狀態(tài)，而RUN6已形成明顯的主流趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，河岸單側(cè)植被帶分布時(shí)，主流線(xiàn)調(diào)整過(guò)程為：散亂—微彎/分汊—彎曲—順直（伴有散亂）—微彎/分汊。

圖7 t=80min，1.5～2.0 m床面形態(tài)

圖8顯示了在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻3組不同兩岸河岸植被覆蓋率情況，1.5～2.5 m河段的床面形態(tài)。無(wú)河岸植被河道河灣水動(dòng)力軸線(xiàn)順勢(shì)演化（如圖4 RUN1工況），并產(chǎn)生順勢(shì)凹岸沖刷凸岸淤積，而由于河岸植被加強(qiáng)了河岸抗沖性，水動(dòng)力軸線(xiàn)順勢(shì)沖刷減小，會(huì)促使河道向低彎曲方向發(fā)展。如圖8（c）所示黑色為較細(xì)顆粒泥沙主流挾沙軌跡，反映了80%植被覆蓋情況下河道主流較為集中，流速增大，從而增強(qiáng)了水流挾沙能力并導(dǎo)致河道的集中沖刷效應(yīng)。

從圖8可以看到，無(wú)植被情況床面沖刷坑尺度較大，數(shù)量較多，其彎道旋渦作用明顯；當(dāng)河岸布設(shè)植被時(shí)，植被對(duì)水流的擾動(dòng)作用及阻力破壞了彎道本應(yīng)形成的大尺度旋渦，植被覆蓋率越大，作用越明顯，當(dāng)河岸植被覆蓋率為80%時(shí)，河床已沒(méi)有明顯的大尺度的沖刷坑。

圖8 穩(wěn)定時(shí)刻1.5～2.5 m床面形態(tài)

3.3 主槽穩(wěn)定特性天然河流在洪水期河床的泥沙沖淤與水動(dòng)力條件相關(guān)，而當(dāng)流量、坡降一定時(shí)，不同的水動(dòng)力條件某種意義上是河流的當(dāng)前形態(tài)和河岸邊界條件所規(guī)定的，因此河岸植被覆蓋率對(duì)河道動(dòng)力演化及主槽的穩(wěn)定發(fā)展起到了非常重要的作用。

將不同河岸植被覆蓋率條件下主流線(xiàn)與深鴻線(xiàn)隨時(shí)間演化曲線(xiàn)繪制如圖9所示。從圖9看到，在演化的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻，無(wú)植被覆蓋情況，深泓線(xiàn)與水流動(dòng)力軸線(xiàn)吻合較好。而隨著植被覆蓋率的增大（0%→40%→80%），其吻合度逐漸變差。這種低協(xié)調(diào)性也體現(xiàn)了植被河岸邊界對(duì)水流不斷擾動(dòng)過(guò)程。對(duì)于單側(cè)植被的彎曲型河道（RUN2），水動(dòng)力軸線(xiàn)逐漸向無(wú)植被側(cè)偏移，同時(shí)伴隨著深泓線(xiàn)的不斷調(diào)整變化。進(jìn)一步分析從出現(xiàn)明顯主流路時(shí)刻到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻，河道水動(dòng)力與地貌兩者之間的相互協(xié)調(diào)作用。可以看到演化階段深鴻線(xiàn)隨主流線(xiàn)的變化趨勢(shì)而調(diào)整變化，且滯后于主流線(xiàn)。同時(shí)，由于這種反饋的滯后，地形改變與水動(dòng)力之間存在不同步，這種特性導(dǎo)致了床面形態(tài)對(duì)水動(dòng)力過(guò)程具有負(fù)反饋機(jī)制，地形對(duì)水流產(chǎn)生了反作用。

圖9 不同時(shí)刻水動(dòng)力軸線(xiàn)與深泓線(xiàn)演化關(guān)系

河道的斷面形態(tài)演化反映了河床的沖淤變化及河道的展寬過(guò)程，取RUN1、RUN2、RUN5，RUN6共4組不同工況下進(jìn)行對(duì)比分析。研究歷時(shí)從0時(shí)刻到河道演變達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)床面形態(tài)演變規(guī)律及其穩(wěn)定特性，選取2個(gè)典型斷面S2和S3進(jìn)行分析，如圖10所示。無(wú)植被情況，河床斷面先展寬后淤高，沿凹岸一側(cè)逐漸沖深，最終形成鮮明的主河槽。主河槽沿程左右岸交替擺動(dòng)，形成彎曲型河道。

對(duì)于兩河岸植被覆蓋工況（RUN5，RUN6），河道在初始階段急速展寬淤高后，多數(shù)河段呈現(xiàn)出先沖刷下切而后又淤積抬升的規(guī)律，河岸植被有效地抑制了床面的持續(xù)下切。實(shí)驗(yàn)觀察RUN6斷面發(fā)現(xiàn)，沿河兩岸最終形成了交替發(fā)展且連續(xù)的邊灘，斷面形成穩(wěn)定的復(fù)式河槽。由圖10（d）看到，在S2、S3斷面呈現(xiàn)出兩岸淤高收窄的特性。因此，兩岸植被的種植可以有效地抑制持續(xù)的河岸侵蝕過(guò)程，河道穩(wěn)定寬深比較小，在洪水期更易發(fā)展為窄深型。

RUN2工況有植被覆蓋河道一側(cè)，相比RUN1的主河槽交替擺動(dòng)，RUN2沿植被岸表現(xiàn)出明顯的單邊沖刷，主槽偏向植被岸，呈現(xiàn)出“一岸河灘一岸深槽”的獨(dú)特規(guī)律。在河道逐漸演化過(guò)程中，相比RUN1工況河床的持續(xù)淤積抬高，RUN2呈現(xiàn)出先淤高而后下切的規(guī)律。呈現(xiàn)這種規(guī)律主要是由于河道的單岸擾動(dòng)，致使兩岸演化不同步，從而水流不斷被擾動(dòng)，河床長(zhǎng)期處于沖淤調(diào)整過(guò)程。這種擾動(dòng)作用在河道彎頂處尤為明顯，且不同步擾動(dòng)還可能表現(xiàn)為河道沿縱向呈現(xiàn)多組二級(jí)深槽及淺灘的交替分布。

3.4 河灣遷移特性在泛濫平原上，河岸植被是改變河勢(shì)的主導(dǎo)因素之一。無(wú)植被情況下交錯(cuò)編織的河道，當(dāng)有植被種植時(shí)，其交錯(cuò)編織的數(shù)量存在明顯減少的趨勢(shì)。由于河岸植被因素的不同，交錯(cuò)編織的河流在一定的河岸覆蓋植被條件下，可能逐漸發(fā)展成為深切的蜿蜒河流[13］。而對(duì)于典型的蜿蜒河流，河岸植被也會(huì)增加河道向下游的遷移速率（沿橫斷面），因此會(huì)減小河流的曲率[23］。將4組不同的兩岸植被覆蓋情況下對(duì)應(yīng)全河道最終平均曲率繪制如圖11所示，植被覆蓋有效的減小了河道的曲率。各工況河道最終曲率隨著覆蓋的增大而減小。當(dāng)河岸80%植被覆蓋時(shí)，曲率為1.01，接近于順直河道。

圖11 兩岸植被覆蓋下植被對(duì)河流曲率的影響及最終河道形態(tài)（無(wú)植被+80%河岸植被覆蓋）

Ikeda等[22］認(rèn)為蜿蜒河流遷移速率M與凹岸擾動(dòng)流速u(mài)′=umax-uˉ（剩余流速）正相關(guān)，u′代表了水流作用于河岸的剪切力大小，單位為m/s。侵蝕系數(shù)E0代表了河岸在水流作用下的抗侵蝕能力，與植被覆蓋程度有很大關(guān)系。河岸的遷移速率可以定義為：

在每一特定的河槽形態(tài)及流量條件下，河道彎曲產(chǎn)生的擾動(dòng)流速?zèng)Q定了水流剪切力在河床及河岸的分配[23］。本文運(yùn)用彎道遷移的線(xiàn)性模型來(lái)說(shuō)明河道彎曲對(duì)側(cè)向遷移速率的綜合影響[22］。模型本身是采用水沙運(yùn)動(dòng)方程在曲率上的攝動(dòng)展開(kāi)，來(lái)線(xiàn)性的估算橫斷面河床高程及沿水深的平均流速且已經(jīng)得到了很多學(xué)者在實(shí)際河流中的認(rèn)可和驗(yàn)證[24-25］。本文基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。擾動(dòng)流速（剩余流速）為近岸最大流速減去斷面平均流速，即u′=umax-uˉ。近岸最大流速為近岸最大表面流速，平均流速為流量/斷面面積。根據(jù)河流的演化曲率沿程差異，將河流分為3段（50～150 cm，15～250 cm，250～350 cm），分別計(jì)算不同時(shí)間段對(duì)應(yīng)的遷移速率及擾動(dòng)流速。

圖12 遷移速率與擾動(dòng)流速的關(guān)系

對(duì)于無(wú)植被情況，因河岸侵蝕特性的不同，其規(guī)律性不完全一致。因此，只分析有植被河岸對(duì)應(yīng)每一時(shí)段不同斷面河岸遷移速率與剩余流速的關(guān)系，繪制如圖12所示?？梢钥闯?，在同樣量級(jí)大小的水流剪切力，20%植被覆蓋率的河岸遷移速率比80%植被覆蓋率大，40%植被覆蓋率的河岸遷移速率比多數(shù)情況比80%植被覆蓋率大。對(duì)應(yīng)同樣大小的彎道遷移速率，植被覆蓋率越大，河道演變過(guò)程中的水流剪切力越大，這也是為什么河岸植被的覆蓋會(huì)導(dǎo)致河道向窄深型方向發(fā)展的主要原因。還可以看到，對(duì)于3種植被覆蓋的線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)均為正相關(guān)，表明整體大的彎道遷移需要同樣相應(yīng)大的水流剪切力。40%河岸植被覆蓋率對(duì)應(yīng)的擬合曲線(xiàn)斜率較大，表明在這種覆蓋率條件下河岸遷移速率對(duì)其水流剪切力較為敏感，整體河道形成較大的非均勻橫向遷移。80%及20%河岸植被覆蓋率對(duì)應(yīng)的擬合曲線(xiàn)坡度較為平緩，說(shuō)明河岸植被覆蓋較大或較小時(shí)，盡管局部的河道彎曲變化明顯，但在整體河道上仍為較均勻的橫向遷移。

3.5 輸沙特性分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程植被覆蓋率對(duì)輸沙強(qiáng)度的影響如圖13所示，從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，輸沙率隨時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小的波動(dòng)變化過(guò)程，在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)刻，各組輸沙率均趨于相對(duì)小值。這是由于在實(shí)驗(yàn)初期，水沙的相互作用強(qiáng)烈，床面形態(tài)大幅調(diào)整，而隨著河床與水流之間的互相適應(yīng)，輸沙率的周期性波動(dòng)幅值逐漸減小，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察單雙岸植被布設(shè)條件下輸沙規(guī)律可以看到，在初始短時(shí)期內(nèi)，單岸植被覆蓋其輸沙率較雙岸植被覆蓋條件下大，而穩(wěn)定時(shí)刻變小。例如RUN3，由于強(qiáng)烈的單側(cè)擾動(dòng)及主流的不穩(wěn)定，初始時(shí)期輸沙劇烈，且變化梯度及幅值均較無(wú)河岸植被條件大；而對(duì)于相同植被覆蓋率的兩岸植被覆蓋工況RUN6，由于兩岸的相互抑制作用，初始時(shí)期輸沙率反而較小，之后呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

對(duì)于本文小河的實(shí)驗(yàn)尺度，保持穩(wěn)定河道且不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重沙量損失的允許干沙量一般為1.5 g/min[29］。

從初始順直到最終蜿蜒的河流，其演化過(guò)程為河岸的整體不斷被侵蝕和蜿蜒幅度的逐漸擴(kuò)大（圖4）。初始階段河灣迅速展寬，水流能夠在短時(shí)間內(nèi)完成初步造床功能[26-28］。從80 min開(kāi)始，由于泥沙沖刷和沉積過(guò)程的發(fā)展推動(dòng)，河灣逐漸形成。為研究蜿蜒河流的河灣遷移規(guī)律，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，將演化過(guò)程分為4個(gè)時(shí)間段：0～80 min，80～360 min，360～720 min，720～960 min。由于初始階段河道迅速展寬至植被河岸，因此，初始河岸植被對(duì)流速的擾動(dòng)影響較小，只分析80～960 min的擾動(dòng)流速及彎道遷移速率的關(guān)系。將時(shí)間段分為3段：80～360 min，360～720 min，720～960 min，分別用時(shí)段末最大流速及平均流速計(jì)算擾動(dòng)流速u(mài)′。7組實(shí)驗(yàn)最終穩(wěn)定時(shí)刻輸沙率分別為3.16、4.74、0.92、0.068、7.11、1.05和0.11 g/min。植被覆蓋率為20%和40%時(shí)，河道演化過(guò)程中其平均輸沙率均較無(wú)植被工況明顯減少。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)植被帶時(shí)，河岸植被的存在增大了局部的水力糙率，從而導(dǎo)致植被間的水流流速減小，淤積增加，起到了柔性護(hù)岸的作用；同時(shí)，植被帶有效地抑制了河道的橫向沖刷。但當(dāng)河岸植被覆蓋率提高到80%時(shí)，輸沙率反而增大。出現(xiàn)這種變化規(guī)律的主要原因是：當(dāng)植被非常密集時(shí)，河岸植被反而成為一種硬約束，類(lèi)似于植被墻，雖然最大程度的提高了河岸強(qiáng)度，但使得河道的擾動(dòng)增大，增大了河道的垂向沖刷（如圖10（c）所示）。同時(shí)，由于兩岸植被對(duì)橫向沖刷的抑制，河道寬度相對(duì)較小，來(lái)流量情況下，主流流速相對(duì)增大，水流的挾沙能力增強(qiáng)。因此，河岸植被對(duì)河道輸沙率的影響可正可負(fù)，與其覆蓋率有很大關(guān)系。植被覆蓋率對(duì)河道輸沙的影響程度反映了河岸植被對(duì)水流擾動(dòng)及河床河岸作用的比例關(guān)系。

只分析有河岸有植被工況可以看到，植被覆蓋率越大，輸沙率也越大，并且單雙岸布設(shè)情況具有很好的一致性。但植被覆蓋率對(duì)輸沙的影響并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，20%植被覆蓋情況其輸沙比40%及80%植被覆蓋情況小得多。在本文實(shí)驗(yàn)河岸植被情況下得到，覆蓋率越小控制輸沙效果越好，但當(dāng)水沙條件及植被邊界條件發(fā)生改變時(shí)，可能出現(xiàn)不同的結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。

圖13 各組實(shí)驗(yàn)輸沙率隨時(shí)間的變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文采用無(wú)黏性細(xì)沙，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同河岸植被覆蓋率條件下的河流塑造演化過(guò)程，并對(duì)河演的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論：（1）實(shí)驗(yàn)中，無(wú)植被河道，水流動(dòng)力軸線(xiàn)沿橫向及縱向順勢(shì)沖刷。單岸植被覆蓋河道，沿植被岸易淤積形成邊灘，水流易向沒(méi)有植被一岸偏移。從平面形態(tài)上看，常伴有主支流交替發(fā)展，主流不斷擺動(dòng)，長(zhǎng)期維持不穩(wěn)定的河勢(shì)狀態(tài)。（2）河岸植被越密集，水流的局部擾動(dòng)及集中沖刷越強(qiáng)烈，順勢(shì)沖刷減小，河床與水流的相互適應(yīng)周期越長(zhǎng)，從初始順直到形成穩(wěn)定河相關(guān)系越緩慢。（3）兩岸植被覆蓋在有效減小河岸橫向遷移的同時(shí)增加了沿河道向下游的縱向遷移，減小了河道的曲率。（4）彎曲河流河灣遷移速率與凹岸擾動(dòng)流速成正相關(guān)關(guān)系。同樣大小的彎道遷移速率，植被覆蓋率越大，河道演變過(guò)程中所需要的水流剪切力越大。本研究彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不足的同時(shí)為數(shù)學(xué)模型對(duì)物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)提供實(shí)驗(yàn)參考；對(duì)于洪水期有河岸植被覆蓋河道演化預(yù)測(cè)及人工種植植被的河道整治工程均有一定的實(shí)際意義。