長(zhǎng)江-鄱陽(yáng)湖交匯處三維水流結(jié)構(gòu)研究

唐洪武,黃淑君,袁賽瑜,李 坤,肖 洋,肖仲凱

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局,江蘇 南京 210011)

作為中國(guó)最大的河流和最大的淡水湖,長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖的水沙運(yùn)動(dòng)、河道演變、水環(huán)境生態(tài)一直是水科學(xué)和水工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖交匯處是連接長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖以及實(shí)現(xiàn)江湖物質(zhì)輸移交換的重要控制區(qū)域,認(rèn)識(shí)其水流結(jié)構(gòu)具有重要的實(shí)際意義與科學(xué)價(jià)值。前人對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度交匯水槽[1-8]和中小尺度天然交匯河道[9-12]的水流結(jié)構(gòu)有較多研究報(bào)道。研究表明,水流交匯處會(huì)形成分離區(qū)、剪切層、螺旋流、停滯區(qū)等復(fù)雜水流形態(tài)。Best等[1-2]系統(tǒng)研究交匯水流流態(tài)與交匯角、匯流比、寬深比、河床高程等之間的關(guān)系。Yang等[3]深入研究分離區(qū)的水流特征。Yuan等[4-5]通過水槽試驗(yàn)研究交匯水流尤其是剪切層的三維紊流結(jié)構(gòu)及其對(duì)床面變形的作用機(jī)理。Tang等[6]研究復(fù)雜床面形態(tài)下水流結(jié)構(gòu)與物質(zhì)輸移摻混之間的響應(yīng)關(guān)系。林青煒等[7]開展基于PIV的交匯處渦旋結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究。Yuan等[8]進(jìn)一步開展淮河支流交匯處底泥污染的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。然而,像長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖交匯處這樣尺度大、流速快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的交匯處研究相當(dāng)有限。而且由于日常航運(yùn)等影響,測(cè)量大江大湖交匯處的水流結(jié)構(gòu)很困難。聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)作為一種新型的斷面流速測(cè)量?jī)x器,測(cè)量過程直觀高效,而且精度可靠[13],適用于大型交匯處的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。本文基于ADCP測(cè)量技術(shù),在2018年8月對(duì)長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖交匯處的17個(gè)橫斷面流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量和分析。

1 研究河段與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)設(shè)置

表1 觀測(cè)時(shí)期的九江和湖口站水文數(shù)據(jù)

長(zhǎng)江在江西九江流經(jīng)張家洲時(shí),右汊被官洲分流后匯合,再與鄱陽(yáng)湖的出湖水流在湖口縣附近交匯。研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖的交匯河段,距離上游三峽大壩超過900 km,下至長(zhǎng)江入海口有800 km。2018年8月11—14日展開現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),此時(shí)為長(zhǎng)江汛期,由表1可知,測(cè)量時(shí)期內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)水文條件基本不變。圖1中Y、P分別表示長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖河道的斷面,A表示交匯后的斷面。測(cè)量斷面共17個(gè),江湖交匯前長(zhǎng)江設(shè)置4個(gè)、鄱陽(yáng)湖3個(gè),交匯后設(shè)置10個(gè)。在圖1中圓點(diǎn)位置進(jìn)行水質(zhì)測(cè)量和水樣采樣,方點(diǎn)位置為交匯物質(zhì)摻混圖(圖2)的拍攝點(diǎn)。交匯Ⅰ表示因官洲分隔的長(zhǎng)江左、右汊的交匯處,交匯Ⅱ表示長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖的交匯處。

圖1 研究區(qū)域和測(cè)量斷面設(shè)置Fig.1 Study area and measurement profile setup

圖2 交匯Ⅱ摻混層位置照片F(xiàn)ig.2 Photo of the mixing layer of confluenceⅡ

使用ADCP(Sontek M9)測(cè)量斷面三維流速、斷面水深、斷面流量和表層水溫等。ADCP配置有2組不同頻率的波束(每組4個(gè),傾角25°)測(cè)量斷面流速,正中間配置垂直波束測(cè)量水深。ADCP可以根據(jù)不同水深自動(dòng)調(diào)整發(fā)射頻率和采樣單元的大小,滿足不同水深的測(cè)量要求，從而保證測(cè)量精度(±0.002 m/s)。ADCP安裝在配套的單體船上,傳感器入水深度為0.1 m,ADCP正上方安裝差分全球定位系統(tǒng)(DGPS),DGPS精度為1.0 m,不僅可以用于測(cè)量船速,同時(shí)可以定位單體船使其沿著測(cè)量斷面直線前行。鄱陽(yáng)湖流速小,控制船速約1.5 m/s,其他斷面的船速則控制約2.0 m/s。為了獲得較好的平均流場(chǎng),并減小航道來(lái)往的船只干擾,每個(gè)斷面重復(fù)測(cè)量4次。ADCP采集的數(shù)據(jù)用后處理軟件velocity mapping toolbox (VMT)計(jì)算重復(fù)測(cè)量下的斷面三維流速[14],使用內(nèi)置的Rozovskii方法計(jì)算二次流。使用美國(guó)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(YSI EXO2)測(cè)量pH、溶解氧和電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)。水樣采樣點(diǎn)位于水面以下4 m(約為0.4倍水深)[15],每個(gè)采樣點(diǎn)采集2份1 L的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室,過濾烘干等處理后確定樣品的懸沙濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本水動(dòng)力水質(zhì)參數(shù)分析

匯流比QR(支流流量/主流流量)、流速比UR(支流流速/主流流速)和動(dòng)量通量比MR(支流動(dòng)量通量/主流動(dòng)量通量)是影響交匯處水流結(jié)構(gòu)的主要特征參量。交匯Ⅰ(長(zhǎng)江右汊/左汊)左汊為主流,主流流量是支流的3倍,MR為0.257,QR為0.336,交匯角為20°(交匯角用兩汊深泓線夾角確定),交匯后的流向基本與主流流向一致(由深泓線判斷)。交匯Ⅱ(鄱陽(yáng)湖/長(zhǎng)江)長(zhǎng)江干流為主流,MR僅為0.089,QR為0.222,交匯角58°,交匯后的流向基本與支流流向一致,長(zhǎng)江水流發(fā)生了大角度的偏折。雖然2處交匯都是Y形不對(duì)稱交匯,但交匯Ⅰ支流發(fā)生偏折,而交匯Ⅱ則是主流發(fā)生偏折。交匯Ⅰ是同一條河分汊后交匯,水動(dòng)力相近。交匯Ⅱ?yàn)榻煌瑏?lái)源水流的交匯,水流條件差異大,水動(dòng)力結(jié)構(gòu)復(fù)雜。交匯Ⅰ的UR(0.791)約為交匯Ⅱ(0.352)的2倍,MR約為交匯Ⅱ的3倍。

交匯Ⅰ左右汊屬于長(zhǎng)江水流,交匯后與交匯前的水質(zhì)特性基本一致(表2),長(zhǎng)江左右汊斷面(Y0和Y1)除懸沙濃度外,溫度、pH、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)都接近,由于左汊流量大、流速大,懸沙濃度比右汊高約18%。交匯Ⅱ長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖兩股水流的pH相差不大,但長(zhǎng)江的電導(dǎo)率是鄱陽(yáng)湖的2倍,溶解氧低于鄱陽(yáng)湖,懸沙濃度約為鄱陽(yáng)湖的5倍。在交匯Ⅱ現(xiàn)場(chǎng)可直接觀察到兩汊水體顏色的差異(圖2),照片從斷面A7拍攝點(diǎn)向上游拍攝得到,右側(cè)長(zhǎng)江來(lái)水懸沙濃度高、呈黃色渾濁,左側(cè)鄱陽(yáng)湖出流相比之下清澈、顯綠色,兩股水流交界分明,反映了兩汊水流不同的懸沙濃度,而且通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)分界線往下游延伸約4 km。

表2 長(zhǎng)江、鄱陽(yáng)湖主要水流特性參數(shù)

注:Q為斷面流量,A為斷面面積,vave為斷面平均流速,Dir為自正北方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的水流方向,W為河寬,HM為斷面垂線水深的中值,T為表層水流溫度,ρ為由水溫查得的相應(yīng)密度,σ為電導(dǎo)率,DO為溶解氧,SC為懸沙濃度;水質(zhì)水樣在采樣點(diǎn)水深4 m處采集,A0斷面數(shù)據(jù)以左起第3點(diǎn)數(shù)據(jù)為例。

以交匯Ⅱ第一個(gè)交匯斷面A0為例分析參數(shù)沿橫向的變化情況。由圖3可知,A0斷面上兩股水流在距左岸1 900 m的位置發(fā)生流速突變,此處為摻混劇烈的剪切層(也稱摻混層),表層水溫也發(fā)生突變。觀測(cè)期間正值夏天,當(dāng)天最高氣溫為37 ℃,鄱陽(yáng)湖湖區(qū)面積大、受熱多,出湖水流表層水溫達(dá)33.8 ℃,遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江表層水溫(29.2 ℃)。溫度差異帶來(lái)的密度差異會(huì)影響剪切層處渦旋的形成和發(fā)展以及兩汊水流的物質(zhì)摻混[16]。由圖4可見,從左岸到右岸pH減小、DO增大,而懸沙濃度、電導(dǎo)率大幅度減小,所以后兩者更能反映兩汊水流水質(zhì)參數(shù)差別和摻混過程。

圖3 A0斷面流速與表層溫度橫向分布Fig.3 Lateral distributions of velocity and surface water temperature at cross-section A0

圖4 A0斷面水質(zhì)特性橫向分布Fig.4 Lateral distribution of water quality characteristics at cross-section A0

2.2 交匯水流斷面流速場(chǎng)

圖5 沿水深平均的水平流速分布(單位:cm/s)Fig.5 Depth-averaged horizontal velocity vectors (units: cm/s)

圖5給出了17個(gè)測(cè)量斷面沿水深平均的水平流速分布。長(zhǎng)江主流在左汊河道,流速主槽大、兩側(cè)小。主流與右汊水流交匯后,在斷面Y2距離左岸1 200 m(交匯點(diǎn)Ⅰ附近)處出現(xiàn)停滯區(qū)(設(shè)定順?biāo)鞣较蛄魉傩∮?.5 m/s為停滯區(qū)),停滯區(qū)長(zhǎng)約200 m,交匯后主流方向仍與左汊主槽一致。斷面A0的左側(cè)長(zhǎng)江部分的速度場(chǎng)趨于均勻,可認(rèn)為交匯Ⅰ的兩汊水流在斷面A0處摻混基本完成,所以交匯I的摻混完全長(zhǎng)度約為1.2 km。鄱陽(yáng)湖出湖水流流速小(0.3 m/s),在斷面A0處,主流長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖水流發(fā)生摻混,并受鄱陽(yáng)湖出流影響開始發(fā)生偏折進(jìn)入下游。在A0斷面距左岸1 900 m處出現(xiàn)停滯區(qū),停滯區(qū)長(zhǎng)約300 m。交匯斷面右側(cè)鄱陽(yáng)湖低流速水流在交匯過程中流速逐漸增大,斷面A3至A5中間段出現(xiàn)最大流速區(qū),直至斷面水流A6流速在整個(gè)斷面上分布基本均勻,所以交匯Ⅱ的摻混完全長(zhǎng)度約為2.6 km。在斷面A6、A7左岸出現(xiàn)分離區(qū),水流存在回流。由于斷面寬度束窄,最后2個(gè)斷面A8、A9的流速增大,最大流速達(dá)2 m/s。

表3給出了交匯Ⅱ交匯后各斷面水流特征參數(shù),可見長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖交匯后,除了斷面A5有新洲左側(cè)的水流匯入、流量增加約1 600 m3/s、寬深比較上一個(gè)斷面有所增大以外,斷面A0到A8呈現(xiàn)河道逐漸變窄、寬深比逐漸減小、流速逐漸變大的趨勢(shì)。斷面A8的河寬最小,斷面平均流速最大為1.26 m/s。鄱陽(yáng)湖湖水的匯入導(dǎo)致交匯后水流表層水溫升高,隨著與長(zhǎng)江水摻混程度的增加,表層溫度逐漸趨于與交匯前長(zhǎng)江表層水溫一致。

表3 交匯Ⅱ交匯后水流特性

圖6給出了16個(gè)測(cè)量斷面的斷面內(nèi)流速場(chǎng)。交匯Ⅰ的斷面Y2沒有出現(xiàn)明顯的螺旋流,可能由于交匯Ⅰ的左右兩汊流速比為0.791(表2),兩股水流流速差異不大,而且支流偏折角度較小(20°),沒有產(chǎn)生螺旋流。加上交匯Ⅰ右汊河床明顯高于左汊,河床高程不一致也會(huì)加快兩汊水流摻混[12]。對(duì)于交匯Ⅱ,斷面A0處兩汊水流剛交匯，尚未出現(xiàn)螺旋流,而隨著兩流的劇烈剪切,斷面A1可以看到在距離左岸1 700 m的位置水流會(huì)在近水面匯聚、在近床面分散,形成一對(duì)反向的螺旋流。類似的成對(duì)反向螺旋流在前人的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中也被觀測(cè)到[17]。螺旋流向下水流的位置與河道主槽深泓線基本一致。

圖6 測(cè)量斷面的斷面內(nèi)流速場(chǎng)(單位:cm/s)Fig.6 Measured flow velocity fields in all cross sections (units: cm/s)

從斷面A1到A7觀察交匯Ⅱ螺旋流的變化,可以發(fā)現(xiàn)螺旋流在垂向范圍逐漸擴(kuò)大加深直至斷面A4,從A5斷面開始螺旋流垂向流速減小,而側(cè)向擴(kuò)展較為明顯,主要與河道斷面形態(tài)由V形向U形轉(zhuǎn)變有關(guān)。在A6和A7斷面,成對(duì)螺旋流的尺寸不再擴(kuò)大。斷面A8和A9僅出現(xiàn)了單向的逆時(shí)針方向螺旋流,可能是由于交匯下游斷面寬深比減小以及流場(chǎng)受斷面A7右岸碼頭等工程影響所致。螺旋流加快兩股水流的摻混[18],在下游約2.6 km處摻混完全。

2.3 環(huán)流旋度

環(huán)流旋度(v/u，v為橫向流速，左岸指向右岸為正；u為垂直斷面流速，向下游為正)可以表征斷面內(nèi)環(huán)流的強(qiáng)度,可以定量反映螺旋流的強(qiáng)度。圖7中可以明顯看出2個(gè)螺旋流:環(huán)流旋度正值分布在左岸近水面和右岸近底面,環(huán)流旋度負(fù)值分布在左岸近底面和右岸近水面。環(huán)流旋度絕對(duì)值最大值分布在右岸螺旋流的近底面和近水面的中部。選取各斷面上環(huán)流強(qiáng)度絕對(duì)值最大值處的垂線(z=0.3H、0.5H、0.7H、0.9H,圖6中是豎直虛線；H為水深,z為選取點(diǎn)到水面垂直距離),來(lái)對(duì)比螺旋流強(qiáng)度在沿水深和沿水流方向的變化過程。由表4可見,沿水深方向,環(huán)流旋度在近水面和近河床的值較中部大,這與彎道二次流的環(huán)流旋度沿水深的分布規(guī)律一致[19]。斷面A1、A2、A3的環(huán)流強(qiáng)度可達(dá)0.6,向下游發(fā)展過程中環(huán)流強(qiáng)度逐漸減小,至斷面A7環(huán)流強(qiáng)度降到0.1左右。可見,兩汊水流剛交匯時(shí)產(chǎn)生的螺旋流強(qiáng)度大,但隨著兩汊水流動(dòng)量的交換,螺旋流的強(qiáng)度逐漸減小。最后2個(gè)斷面的單向螺旋流環(huán)流強(qiáng)度基本低于0.1,這主要與河道斷面束窄、流速u增大有關(guān)。

圖7 斷面A4的環(huán)流旋度分布Fig.7 Measured secondary flow strength distribution at cross-section A4

2.4 交匯的摻混系數(shù)變化

為了描述交匯處水流摻混特征,引入2個(gè)參數(shù):動(dòng)能校正系數(shù)(科里奧利系數(shù))α和動(dòng)量校正系數(shù)(布西涅斯克系數(shù))β:

(1)

式中:V——水深平均流速。

α、β均為大于1的數(shù)，且過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植荚讲痪鶆?其值越大[20]。天然河道的動(dòng)能校正系數(shù)大于 1.1,受斷面形狀的影響較大[21]。而且,α、β在窄深河道變化范圍小,在寬淺河道變化范圍大[21]。

表4 交匯Ⅱ交匯后各斷面環(huán)流旋度的垂線分布

圖8給出了交匯前后各個(gè)測(cè)量斷面的α、β值。交匯Ⅰ交匯前長(zhǎng)江左汊和右汊都屬于寬淺河道,流速分布較均勻,α約為1.1。交匯后摻混流速不均勻,α增大到1.4。交匯Ⅱ交匯前,鄱陽(yáng)湖出口的斷面形態(tài)變化大,斷面左側(cè)大半是淺灘,右側(cè)為深航道,因此斷面流速分布不均勻,α最大達(dá)到3.0。長(zhǎng)江和鄱陽(yáng)湖交匯后在A0斷面開始發(fā)生摻混,此處由于兩股水流的流速相差大,α值約為2.7。往下游兩股水流逐漸摻混,流速不均勻程度降低,α減小,到A6斷面,α已經(jīng)減小至1.3。由于碼頭等地形影響,最后2個(gè)斷面水流結(jié)構(gòu)的不均勻性增加,使得α增大。動(dòng)量校正系數(shù)β的變化趨勢(shì)與α大體一致,交匯Ⅰ摻混后Y2斷面β為1.2。交匯Ⅱ鄱陽(yáng)湖斷面P0的β接近1.8,長(zhǎng)江斷面流速分布均勻，β小,交匯后β高達(dá)1.7，再隨著摻混程度增加，β減小至A6斷面為1.15。

圖8 α、β的沿程變化Fig.8 Streamwise variations of α and β

α、β沿程變化可反映兩股水流的摻混過程。水流交匯后α、β值突然增大(圖8),反映了兩股水流在交匯處水流流速的差異,但隨著兩流摻混,斷面流速逐漸趨于均勻,α、β值恢復(fù)到某一低值。此時(shí),兩流摻混完全,該值只與河道和斷面形態(tài)有關(guān)。在長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖交匯處,由α、β得到的完全摻混距離為2.6 km,與2.2節(jié)流速場(chǎng)的結(jié)果是一致的。

2.5 床面切應(yīng)力分布

河道床面切應(yīng)力是反映河床沖淤變形的重要參數(shù)。Wilcock[22]提出基于垂線平均流速和泥沙粒徑參數(shù)的床面切應(yīng)力公式如下:

(2)

式中:.τ0——床面切應(yīng)力;U——垂線平均流速;CZS——謝才系數(shù)[23];κ——卡門系數(shù),取值0.41;H——水深;ks——與床沙顆粒相關(guān)的粗糙高度，ks=2.5D50;D50——床沙的中值粒徑。

圖9 測(cè)量區(qū)域床面切應(yīng)力分布(單位:Pa)Fig.9 Contour of bed shear stress in the measure site (units: Pa)

由式(2)計(jì)算得到所有測(cè)量斷面的床面切應(yīng)力后,由Surfer Demo 11軟件進(jìn)行克里金插值,得到整個(gè)交匯處的床面切應(yīng)力分布(圖9)。床面切應(yīng)力的分布與流速分布(圖5)是基本一致的。鄱陽(yáng)湖出口段床面切應(yīng)力約為0.5 Pa,主槽航道床面切應(yīng)力較淺灘略大。長(zhǎng)江左汊的床面切應(yīng)力可達(dá)2.0 Pa,大于右汊的床面切應(yīng)力。交匯后長(zhǎng)江側(cè)的床面切應(yīng)力大于鄱陽(yáng)湖側(cè),直至斷面A6(圖9中黑色虛線)床面切應(yīng)力在斷面上分布趨于均勻。之后因?yàn)楹訉挏p小，流速增大,相應(yīng)床面切應(yīng)力增大至3.0 Pa。

3 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)江經(jīng)官洲分流后的交匯由于流速相近、河床高差不同等原因摻混迅速,而長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖的交匯在交匯處下游2.6 km才能實(shí)現(xiàn)完全摻混。長(zhǎng)江-鄱陽(yáng)湖交匯后出現(xiàn)一對(duì)反向的螺旋流,水流在近水面相匯、在近河床分開。螺旋流沿程向垂向和橫向擴(kuò)展,環(huán)流強(qiáng)度由0.6降低至0.1,而最后2個(gè)測(cè)量斷面由于寬深比減小以及碼頭等地形影響下出現(xiàn)單向螺旋流,環(huán)流強(qiáng)度低于0.1。通過動(dòng)能校正系數(shù)α和動(dòng)量校正系數(shù)β的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)2個(gè)參數(shù)可以定量反映兩汊水流的摻混程度,摻混越完全,斷面流速分布越均勻,參數(shù)值越趨近于1。長(zhǎng)江-鄱陽(yáng)湖摻混完全時(shí),α、β分別約為1.3和1.15。兩流交匯不僅發(fā)生能量和動(dòng)量摻混,同時(shí)也伴隨著水質(zhì)的摻混,顯示水質(zhì)摻混過程以及完全摻混距離因參數(shù)而異。結(jié)合水質(zhì)參數(shù)分布,發(fā)現(xiàn)水溫、電導(dǎo)率和懸沙濃度較其他水質(zhì)參數(shù)更能反映兩汊的摻混程度。經(jīng)過計(jì)算獲得河道床面切應(yīng)力的分布與流速分布基本一致,交匯下游段出現(xiàn)最大床面切應(yīng)力為3.0 Pa。研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)長(zhǎng)江、鄱陽(yáng)湖物質(zhì)輸移、水質(zhì)變化、河床沖淤演變等提供數(shù)據(jù)支撐。