水流蜿蜒彎曲起彎點變化規(guī)律研究

陳楷爍CHEN Kai-shuo；賴永輝LAI Yong-hui；唐妍TANG Yan；祝志豪ZHU Zhi-hao

（廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣州510000）

0 引言

自然界中的諸條河流，形態(tài)各異，儀態(tài)萬方。根據其平面型態(tài)及演變規(guī)律特性的不同，主要分為順直型、彎曲型、分汊型、游蕩型等四類[1]。其中，彎曲型河流由于數量眾多，流域寬廣，對人類社會經濟發(fā)展影響力巨大，是與我們人類的生產生活關系最為貼切緊密的代表性河流[2-3]。近幾十年來，隨著我國經濟社會的飛速發(fā)展，各種生產活動的開展以及大規(guī)模城鎮(zhèn)建設活動，對包括彎曲型河流在內的各類河流均造成了極大的外在影響[4-7]和脅迫[8]，導致其流域下墊面條件[9-11]發(fā)生了巨大變化，原來隨著千萬年歷史時間沉淀形成的相對平衡和穩(wěn)定的態(tài)勢被干擾甚至打破。在此情勢下，針對新的上游來水來沙水文條件以及已發(fā)生變化的流域下墊面條件，分析確定新情勢下的科學穩(wěn)定河型，對保持河勢穩(wěn)定，達到河流兩岸的長治久安，有著極為重要的現實意義[12]。而其中首要的，是對彎曲型河流的起彎點的研究工作，以求在確定起彎點后，再輔以其下的合理蜿蜒彎曲外形，實現相對穩(wěn)定的合理河型。針對該問題，開展了本次在不同坡度、流量條件下的水流蜿蜒彎曲自流動起彎點變化規(guī)律試驗研究。

1 試驗組織與開展

1.1 試驗條件

本次試驗主要在一臺由可任意變坡的長2m，寬1.5m的鋼化玻璃面板和便于套繪水流流路變化的輔助構件，以及相關操作設施共同組成的試驗設備上進行。該設備坡度變化范圍為：0～90°。

1.2 試驗內容

為探索水流蜿蜒彎曲起彎點的變化規(guī)律，試驗中選擇水流彎曲起彎點距離（從水流自流動的起點，至水流由順直型態(tài)演化到明顯彎曲型態(tài)的拐點，兩者間的直線距離）與水流出流流量、坡度、流速、水流寬度等不同因素的相關關系和規(guī)律進行了研究。

試驗中的水流出流流量、坡度、流速、水流寬度等在不同的流量和不同的坡度下進行的水流自流動試驗中測算獲得。根據試驗坡度，流量的差別，對流量、坡度分為3 級不同流量級和3 級不同的坡度組合。具體地，按照出流能力大小的不同，流量分為20～40ml/s、40～60ml/s、60～80ml/s三級流量組，并將其分別命名為流量組1、流量組2 和流量組3。坡度方面，在初步探索試驗條件時，觀察到玻璃面板坡度小于10°時，水流雖呈蜿蜒彎曲形態(tài)，但水流彎曲幅度較小，流路不清晰，規(guī)律性不明顯，因此，選用18°、28°、48°三級坡度分別進行研究。試驗中的水流寬度由測量儀器直接讀數記錄獲得。對于水流流速，由于試驗剛開始時，水流呈直線下泄流動態(tài)勢，隨后才逐漸發(fā)生彎曲，由水流滴水點至出口的直線距離，除以水流直線下泄時從進口至出口的時間，所得比值即為流速數值。

2 試驗過程、成果及分析

2.1 起彎點距離與流量變化相關性

2.1.1 直接相關性分析

試驗中流量變幅在0.2～0.8ml/s 之間，其中大部分集中在[0.2～0.7]ml/s 內，占實驗總次數的98%。由圖1 可見，隨著流量的增大或減少，起彎點距離并未出現明顯的相關變化，起彎點距離與流量的關系點據較為散亂，并未呈現清晰的趨勢性規(guī)律變化，說明起彎點距離與流量的直接相關性不強，兩者間的直接關系不明顯。

圖1 起彎點距離與流量關系圖

2.1.2 變換后的相關性，起彎點距離/流量與流量變化相關性分析

因起彎點距離與流量的直接相關性不強，通過變換參數進行相關性分析研究。將相關參數變換為起彎點距離/流量，以探索起彎點距離/流量這一變換后的參數與流量的相關關系，詳見圖2 三級流量下起彎點距離/流量變化規(guī)律圖和表1。圖中，橫坐標為三級流量下按流量自大而小的排序序號，縱坐標為起彎點距離/流量，所得點據形成三級流量下起彎點距離/流量的變化規(guī)律。根據試驗成果數據，對應于0.2～0.8ml/s 的來流流量，起彎點距離/流量的變動幅度在0.01～88.42cm·s/ml 之間，均值為19.75cm·s/ml。對應于三個流量級，起彎點距離/流量的均值依次為12.82、20.62、25.66cm·s/ml，其中大部分數據主要集中在[5～21]之間，占總數據量的約66%。

由圖2 和表1 點據可見，經轉換之后，起彎點距離/流量與流量的相關性顯著增強，表明起彎點距離/流量這一變換后的參數與流量有著良好的相關關系。隨著流量的逐步減少，起彎點距離/流量參數呈現明顯的逐步遞減態(tài)勢，顯示起彎點距離/流量與流量間兩者有著良好的負相關關系。同樣地，在均值方面，三級流量逐步遞減時，起彎點距離/流量參數均值同步呈現逐步遞增變化情況，從12.82 增加至25.66cm·s/ml。

圖2 三級流量下起彎點距離/流量變化規(guī)律圖

表1 起彎點距離/流量隨三級流量變化統(tǒng)計

2.2 起彎點距離與坡度變化相關性

2.2.1 直接相關性分析

探究起彎點距離與坡度的直接相關關系時，試驗中的坡度組合為18°、28°、48°。由圖3 可見，起彎點距離與坡度的關系點據較為散亂，并未呈現清晰的趨勢性規(guī)律變化，說明起彎點距離與坡度變化的直接相關性不強，兩者間的直接關系不明顯。

圖3 起彎點距離與坡度關系圖

2.2.2 變換后的相關性，起彎點距離/坡度與坡度變化相關性分析

試通過變換參數方式進行探究，將相關參數整理變換為起彎點距離/坡度，以探索起彎點距離/坡度這一變換后的參數在三級坡度下的變化規(guī)律。詳見圖4 三級坡度下起彎點距離/坡度變化規(guī)律圖和表2。圖中，橫坐標為三級坡度下所做試驗排序，縱坐標為起彎點距離/坡度，所得點據形成三級坡度下起彎點距離/坡度的變化規(guī)律。試驗成果數據顯示，三級坡度下，起彎點距離/坡度的變動幅度在0.04～2.11 之間，均值為0.42，對應于三級坡度，起彎點距離/坡度的均值依次為0.30、0.38、0.60，其中大部分數據主要集中在[0.1～0.4]之間，占總數據的約68%。

由圖4 和表2 點據可見，經轉換之后，起彎點距離/坡度與坡度的相關性顯著增強，隨著坡度的3 級遞增變化起彎點距離/坡度呈現明顯的逐步遞減態(tài)勢，這顯示兩者有著良好的負相關關系。同樣地，在均值方面，三級坡度逐步遞增時，起彎點距離/坡度距離參數總體同樣發(fā)生逐步遞減變化。

圖4 三級坡度下起彎點距離/坡度變化規(guī)律圖

表2 起彎點距離/坡度隨三級坡度變化統(tǒng)計

2.3 起彎點距離與水流寬度變化相關性

2.3.1 直接相關性分析

探究起彎點距離與水流寬度變化的直接相關關系時，試驗中的水流寬度變幅在0.3～1.0cm 之間，大部分的數據主要集中在[0.4～0.7]cm 內，占總數據的52%。由圖5 可見，明顯的，起彎點距離在水流寬度的變化過程中，無論是逐步增加或逐步減少，其相應變化并不能引起起彎點距離的規(guī)律性變化，說明兩者之間的不存在良好的直接相關性。

圖5 起彎點距離與水流寬度關系圖

2.3.2 變換后的相關性，起彎點距離/水流寬度與水流寬度相關性分析

通過變換參數方式進行探究，將相關參數變換為起彎點距離/水流寬度。詳見圖6 起彎點距離/水流寬度與水流寬度相關性變化規(guī)律圖。此時，據成果數據，起彎點距離/水流寬度的變動幅度在1.43～100 之間，均值為18.42，其中大部分數據主要集中在[5～20]之間，占總數據的約62%。

由圖6 點據可見，經轉換之后，起彎點距離/水流寬度與水流寬度的相關性依舊不顯著，當水流寬度逐步增加或者減少，起彎點距離/水流寬度這一變換后的參數并未出現相應的明顯跟隨性變化，點據較為散亂。據此，即使在進行了起彎點距離/水流寬度與水流寬度的變換性相關分析后仍然不存在接近性的相關關系，說明起彎點的形成與水流寬度之間基本上不存在任何直接性或間接性的相關關系。

圖6 起彎點距離/水流寬度與水流寬度相關性變化規(guī)律圖

2.4 起彎點距離與流速變化相關性

2.4.1 直接相關性分析

探究起彎點距離與水流流速變化的直接相關關系時，試驗中的流速變幅在10～58cm/s 之間，大部分的數據主要集中在[11～38]內，占總數據的86%。由圖7 可見，起彎點距離與流速的關系點據較為散亂，并未呈現清晰的趨勢性規(guī)律變化，說明起彎點距離與流速變化的直接相關性不強，兩者間的直接關系不明顯。

圖7 起彎點距離與流速關系圖

2.4.2 變換后的相關性，起彎點距離/流速與流速變化相關性分析

探究起彎點距離與流速的變換性間接關系時，同理，進行變換，將相關參數變換為起彎點距離/流速。詳見圖9起彎點距離/流速與流速相關性變化規(guī)律圖。圖中，橫坐標為水流流速，縱坐標為起彎點距離/流速。根據試驗中數據，起彎點距離/流速的變動幅度在0.05～2.76 之間，均值為0.38，其中大部分數據主要集中在[0.09～0.5]之間，占總體數據約75%。

由圖8 點據可見，經轉換之后，起彎點距離/流速與流速的相關性顯著增強。隨著流速的逐漸遞增，起彎點距離/流速呈現明顯的對應性逐步遞減態(tài)勢，這顯示兩者有著良好的負相關關系。

圖8 起彎點距離/流速與流速相關性變化規(guī)律圖

2.5 試驗成果綜合分析

綜合以上試驗相關數據和成果，可以看出，水流自流動蜿蜒彎曲演進過程中，起彎點的存在與發(fā)生，受流量、坡度、水流流速等幾個因素的影響，與該幾個因素有著一定的間接性相關關系，呈現一定程度的負相關關系和變化。于此同時，水流自流動起彎點，與水流的寬度則基本不受其變化，不產生直接或間接性變化影響。

3 結論與展望

①對彎曲型河流的起彎點進行研究，以輔助確定沖積河流的合理蜿蜒彎曲外形，實現相對穩(wěn)定的合理河道態(tài)勢，對于已受到前期不合適整治的河流的自然修復與恢復，根據河流自身的發(fā)展趨勢和特點來重新塑造河型，從而實現河流的安全行洪泄洪，維持河道河勢的穩(wěn)固久安，有著極為重要的現實應用價值和科學研究意義。

②本次不同坡度、流量條件下的水流蜿蜒彎曲自流動起彎點變化規(guī)律試驗研究，探索研究了水流彎曲起彎點與水流出流流量、坡度、流速、水流寬度等諸因素的定性相關關系和影響規(guī)律。試驗成果表明：水流彎曲起彎點雖然與流量、坡度、流速、水流寬度等因素間沒有直接相關關系，但變換后的水流彎曲起彎點與流量、坡度、流速的比值，卻與相關因素有著間接影響關系，呈一定程度上的負向相關。但自始至終，水流彎曲起彎點與水流寬度之間，無論是直接相關還是間接相關性，均不存在緊密的相關關系，相關關系點據呈無相關關系的散亂態(tài)勢。

③本次試驗是在一定流量與坡度變化范圍內，探討的單一水流的水流彎曲起彎點影響變化規(guī)律，而非有著河岸邊灘與河流的真實河流，雖然給出和說明了相關各因素的影響數值變化范圍，但與實際情況仍有一定的差距，主要仍為定性探索研究。河流起彎點的具體位置及相關因素影響變化具體量值，建議在下一階段結合實踐的實地模擬研究中予以進一步深入研究和定量確定。

注：對周聰、劉丹、李上艷、郭毅林、許錦怡、莊依潔、梁舒婷、林日冰等同學在本項研究中的辛勤試驗工作致以衷心感謝！