三峽庫(kù)區(qū)黃花城河段環(huán)流結(jié)構(gòu)與渦尺度特征初探

王永強(qiáng)，胡春宏，張 鵬，楊勝發(fā)，胡 江，李文杰

(1. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；3. 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)

彎道作為天然河流中廣泛存在的一種形態(tài)，水動(dòng)力條件與泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程極為復(fù)雜，是河流動(dòng)力學(xué)和地貌學(xué)的重要研究對(duì)象，對(duì)河道沖淤演變有重要作用[1- 2]。位于三峽水庫(kù)常年回水區(qū)的重慶忠州黃花城河段為典型的分汊連續(xù)彎道河段，有3個(gè)連續(xù)彎道且曲率較大，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)局部區(qū)域出現(xiàn)淤積高度達(dá)50 m的沖瀉質(zhì)泥沙淤積造床，迫使航槽易位，增加船舶航行風(fēng)險(xiǎn)[3]。該河段彎道較急，同時(shí)受三峽常年回水區(qū)的壅水影響，導(dǎo)致水流條件復(fù)雜，水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)彎道水流結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了大量研究，主要圍繞演變動(dòng)力過(guò)程[4]、泥沙橫向輸移[5- 6]以及水流紊動(dòng)特性[7- 9]等方面。在規(guī)則幾何彎道水流結(jié)構(gòu)研究方面，馬淼等[10]在90°彎道明渠中研究了小寬深比條件下彎道徑寬比與湍動(dòng)能及環(huán)流強(qiáng)度之間的關(guān)系，提出了傳統(tǒng)超高理論公式適用的徑寬比判別臨界值；白若男[11]使用PIV測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高精度U型彎道的13個(gè)斷面進(jìn)行三維流速測(cè)量，分析了彎道內(nèi)水流特征與上下游之間的相互作用關(guān)系；張炳昌等[12]基于大渦數(shù)值模擬方法研究了大寬深比正弦派生曲線彎道水槽中的三維水流運(yùn)動(dòng)，揭示了彎道水流紊動(dòng)能以及彎頂附近渦量的變化規(guī)律。關(guān)于室內(nèi)連續(xù)彎道水流結(jié)構(gòu)的研究，目前仍以二次流現(xiàn)象及其作用分析為主[13- 16]，對(duì)二次流內(nèi)在機(jī)制認(rèn)識(shí)不深；而對(duì)于天然連續(xù)彎道河流，多通過(guò)建立數(shù)值模型分析水沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[17]。另外，隨著測(cè)量技術(shù)的提高，明渠湍流結(jié)構(gòu)逐漸得到認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)湍流結(jié)構(gòu)不是完全隨機(jī)的過(guò)程，而是包含著有序的大尺度湍流結(jié)構(gòu)和無(wú)序的小尺度湍流結(jié)構(gòu)在空間上的強(qiáng)三維運(yùn)動(dòng)[18- 20]。大尺度湍流結(jié)構(gòu)占有大部分的湍動(dòng)能，對(duì)小尺度湍流結(jié)構(gòu)有調(diào)控的作用，同時(shí)在物質(zhì)輸運(yùn)的起動(dòng)、擴(kuò)散、落淤等過(guò)程中扮演著非常重要的角色[21- 23]?，F(xiàn)有成果集中在經(jīng)典的壁面湍流，對(duì)于彎道湍流結(jié)構(gòu)研究較少，對(duì)于天然河流連續(xù)彎道中的環(huán)流結(jié)構(gòu)以及湍流結(jié)構(gòu)研究等方面認(rèn)識(shí)不充分。

本文針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)常年回水區(qū)內(nèi)重慶忠州黃花城河段具有的分汊連續(xù)彎道河段，采用聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP)開展三維瞬時(shí)速度原型觀測(cè)，從平均速度垂線分布、彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布、超大尺度湍流結(jié)構(gòu)瞬態(tài)特征以及脈動(dòng)速度功率譜等方面初步分析了天然連續(xù)彎道河段的水流結(jié)構(gòu)與渦尺度特性。

1 觀測(cè)布置與方法

1.1 原型觀測(cè)布置

基于專業(yè)的測(cè)量船舶搭載ADCP，開展重慶市忠州黃花城河段主要斷面的三維瞬時(shí)垂線速度的原型測(cè)量，測(cè)量垂線布置見圖1(a)。根據(jù)地形資料，結(jié)合水位信息，給出了測(cè)量時(shí)河段的水深(H)分布情況(圖1(b))，可以看出分汊河段的左汊水深較淺；水流從彎道入口(S1)斷面進(jìn)入，主流靠右汊向前運(yùn)動(dòng)。由于測(cè)量采樣時(shí)間較長(zhǎng)，考慮測(cè)量船舶長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性以及不影響上下行船舶通航等問(wèn)題，在航道邊緣初步確定了5條測(cè)量垂線，分別位于彎道入口、彎道中段、左汊、右汊和出口平順段，測(cè)量位置和河道水深分布如圖1所示。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)黃花城河段測(cè)量斷面布置和河道水深分布Fig.1 Layout of survey sections and distribution of water depth in the Huanghuacheng reach of Three Gorges Reservoir

由于對(duì)每條測(cè)量垂線實(shí)施測(cè)量時(shí)，需要經(jīng)過(guò)船舶定位、設(shè)備安裝、采樣、設(shè)備回收等過(guò)程，因此，5條測(cè)量垂線的數(shù)據(jù)采集分別在連續(xù)的5d內(nèi)完成(2013年8月11—15日)。5 d測(cè)量時(shí)段內(nèi)，流量大小略有變化，左汊(S3)和右汊(S4)統(tǒng)計(jì)流量值為各支汊流量大小。結(jié)合各垂線水位以及水面比降(J)的變化情況來(lái)看，水深以及水面比降變化相對(duì)較??；流量(Q)的改變會(huì)引起垂線時(shí)均速度(u)絕對(duì)大小的改變，但對(duì)流速沿水深方向上的分布趨勢(shì)影響較小，彎道呈現(xiàn)的環(huán)流結(jié)構(gòu)形式不會(huì)受此影響。因此，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠初步反映時(shí)均速度剖面分布、彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)以及超大尺度湍流結(jié)構(gòu)特征。測(cè)量垂線處的水流參數(shù)見表1。

表1 水流與ADCP測(cè)量參數(shù)

1.2 觀測(cè)設(shè)備

1.2.1 測(cè)量船舶及設(shè)備

原型測(cè)量使用長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院專業(yè)測(cè)量船，船體總長(zhǎng)30 m，型寬8 m，型深3 m，總噸位300 t；采用拋錨系泊，起錨拉力為45 t。在實(shí)施測(cè)量時(shí)，測(cè)量船舶采用船頭拋錨拉緊定位；為防止船尾在水流擾動(dòng)下的左右擺動(dòng)，采用約1 t重型錨石，用鋼纜拉緊固定于船尾。為檢驗(yàn)船體的晃動(dòng)大小，使用攝像機(jī)對(duì)岸邊和船體上標(biāo)志性的物體同框內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間拍攝，判斷船體與岸邊的相對(duì)位移。如圖2，選擇了視頻中3個(gè)時(shí)刻，分別代表了前、中、后3個(gè)時(shí)間段，圖中靠右為船上固定的鋼管。可以看出，3個(gè)時(shí)刻船體有較小的晃動(dòng)，總歷時(shí)約250 s，相對(duì)于遠(yuǎn)處的航標(biāo)船有從左向右的緩慢運(yùn)動(dòng)。流速測(cè)量采用的ADCP采樣頻率為1 Hz，而船舶的運(yùn)動(dòng)則是非常低頻的運(yùn)動(dòng)，因此。測(cè)量船舶能夠保證流速儀得到可靠的測(cè)量結(jié)果。

船舶在測(cè)量時(shí)采用船頭迎水進(jìn)行拋錨定位，船舶左側(cè)是靠近岸邊一側(cè)，因此，將ADCP布置在測(cè)量船舶的右側(cè)，測(cè)量垂線為靠河道中心一側(cè)。ADCP由連接鋼管延伸入水面以下約0.5 m，并固定于船上，采用在線測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 拍攝視頻的3個(gè)時(shí)刻Fig.2 Three moments of recorded video

1.2.2 三維流速測(cè)量

ADCP能夠同時(shí)測(cè)量沿水深方向多點(diǎn)三維瞬時(shí)速度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于海洋、河口、江河、湖泊等大尺度測(cè)流，與單點(diǎn)式流速測(cè)量方法相比，具有測(cè)量范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)量效率高、操作方便等特點(diǎn)[24]。ADCP野外測(cè)量基于東方、北方和垂向的地理坐標(biāo)系，流速量程為-5～5 m/s，測(cè)量精度為±0.3 cm/s[25]。實(shí)施測(cè)量時(shí)需要根據(jù)垂線位置處水深劃分測(cè)量單元以及設(shè)置采樣頻率，本文按0.5 m進(jìn)行分層采樣，設(shè)置采樣頻率為1 Hz，各斷面測(cè)量時(shí)長(zhǎng)詳見表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

由ADCP測(cè)量得到的三維瞬時(shí)速度是基于地理坐標(biāo)系下的3個(gè)速度分量，分別代表著東向(E)、北向(N)和垂向(U)的速度大小；而在研究分析時(shí)，通常采用以主流為縱向(X)、水深方向?yàn)榇瓜?Y)以及展向(Z，垂直于X-Y平面)的局部坐標(biāo)系(見圖1(a)中綠色坐標(biāo)系)。因此，需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將流速大小投影到局部坐標(biāo)系下。通過(guò)計(jì)算北向平均速度與東向平均速度，得到主流方向角；將地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)θ得到以主流方向?yàn)閄的新坐標(biāo)系分量，垂向流速保持不變。2個(gè)坐標(biāo)系下的速度分量關(guān)系公式表示如下：

U(y,t)=VE(y,t)cosθ+VN(y,t)sinθ

(1)

W(y,t)=VN(y,t)cosθ-VE(y,t)sinθ

(2)

V(y,t)=VU(y,t)

(3)

式中：U(y,t)、V(y,t)、W(y,t)分別為縱向、垂向和展向瞬時(shí)速度，m/s；VE(y,t)、VN(y,t)、VU(y,t)分別為地理坐標(biāo)系下E、N、U方向速度分量，m/s。

1.3.2 功率譜及預(yù)乘功率譜

三是需求導(dǎo)向的體制機(jī)制欠缺。一些企業(yè)受到“行政化價(jià)值觀”和 “官本位、唯上意志”體制機(jī)制影響，以 “上頭決策”代替 “一線觀察”，以“行政指令”代替 “市場(chǎng)選擇”，不能根據(jù)市場(chǎng)需求做出正確反應(yīng)和科學(xué)決策。國(guó)企、民企都存在類似問(wèn)題，如在體制機(jī)制上缺乏讓一線人員參與決策的機(jī)制，在生產(chǎn)調(diào)整升級(jí)過(guò)程中存在一定的盲目性，過(guò)度依靠領(lǐng)導(dǎo)的 “過(guò)氣經(jīng)驗(yàn)”，不敢啟用、重用新人和年輕一線工人參與重大創(chuàng)新試驗(yàn)。重短期、輕長(zhǎng)期，對(duì)徹底投入 “新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式”缺乏決心和耐心，新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換滯后。深圳新興產(chǎn)業(yè)占GDP比重已超過(guò)40%，大連還不到20%。

功率譜分析方法常用于解析超大尺度湍流結(jié)構(gòu)尺度的分布特征。因?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為離散信號(hào)，采用加窗的離散傅里葉變換計(jì)算流速功率譜：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：kx為波數(shù)；λx為波長(zhǎng)；u(y)為采用ADCP測(cè)量得到的時(shí)均剖面速度。

本文采用50H的長(zhǎng)度作為窗函數(shù)長(zhǎng)度，對(duì)測(cè)量流速信號(hào)進(jìn)行分窗計(jì)算功率譜，之后采用20%帶寬滑動(dòng)平均濾波函數(shù)對(duì)功率譜進(jìn)行濾波[26]。在5個(gè)測(cè)量垂線處，ADCP測(cè)量樣本量分別達(dá)到270H、154H、148H、332H和345H，對(duì)超大尺度湍流結(jié)構(gòu)的采樣樣本量約20～70次，基本能夠反映其尺度以及湍動(dòng)能分布特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷面形態(tài)與水面橫比降分析

收集了測(cè)量斷面在典型年份的地形以及測(cè)量時(shí)段的水面線資料[3，27](圖3)。從圖3可以看出，忠州黃花城河段在2012年之前呈現(xiàn)累積性淤積，2012年之后淤積強(qiáng)度減小，趨于相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 典型橫斷面地形和水面高程Fig.3 Typical cross- sectional topography and water level elevation

按經(jīng)典彎道水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，泥沙通常會(huì)落淤在彎道的凸岸，凹岸出現(xiàn)沖刷，但S1斷面的凹岸累積淤積達(dá)20 m，表現(xiàn)出獨(dú)特的淤積現(xiàn)象；S2斷面主要淤積在左岸區(qū)域，結(jié)合圖1(b)水深平面分布，可以看出左岸的淤積區(qū)域延伸到整個(gè)左汊入口且縱向上的淤積體達(dá)到了S3斷面；S3斷面整體表現(xiàn)為平淤，河道中間淤高與S2斷面左岸淤積體呈連通體；S4斷面表現(xiàn)為河道兩側(cè)有局部淤積，河道中間區(qū)域地形相對(duì)比較穩(wěn)定，沖淤變化不大；S5斷面在右岸(凸岸)存在少量淤積，左岸(凹岸)為彎道頂點(diǎn)，受水流頂沖，多年地形穩(wěn)定。

2.2 時(shí)均速度剖面分布

圖4給出了5條測(cè)量垂線處的3個(gè)速度分量時(shí)均速度(u(y)、v(y)、w(y)分別為X、Y、Z方向的時(shí)均速度)剖面分布，從圖中可以看出，5條測(cè)量垂線的縱向時(shí)均速度剖面分布表現(xiàn)出2種不同的變化趨勢(shì)，入口(S1)與左汊(S3)縱向流速沿水深增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，中段(S2)、右汊(S4)和出口(S5)的縱向剖面速度沿水深增大呈單調(diào)增加趨勢(shì)。

圖4 測(cè)量垂線時(shí)均速度剖面分布Fig.4 Time- averaged velocity profile distribution of the measured vertical line

入口(S1)垂線處縱向時(shí)均流速隨水深增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大流速達(dá)到0.45 m/s，展向流速方向隨水深增加呈先向左、再向右、再向左的變化過(guò)程，而垂向時(shí)均速度在整個(gè)水深范圍內(nèi)均趨于0。結(jié)合彎道平面形態(tài)、水面橫向比降以及斷面地形特征，初步認(rèn)為由于右岸河床的淤積頂托底部水體，形成向左的流動(dòng)趨勢(shì)；表面水流受彎道頂點(diǎn)處急彎岸壁的阻水作用，水面壅高，減小了表面縱向水流速度，進(jìn)而導(dǎo)致中部水體縱向流速較大且呈向右運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。左汊(S3)的時(shí)均速度沿垂線變化過(guò)程與入口(S1)垂線處時(shí)均速度分布類似，縱向時(shí)均速度先增加后減小，最大流速達(dá)到0.39 m/s，展向流速方向呈現(xiàn)出先向右、再向左、再向右的變化趨勢(shì)，與左汊(S3)處的河道平面形態(tài)有關(guān)。

中段(S2)、右汊(S4)和出口(S5)測(cè)量垂線的縱向剖面速度沿水深增加不斷增大，在水面區(qū)域達(dá)到最大值1 m/s左右。中段(S2)的展向流速方向表現(xiàn)為0.4H以下向左、0.4H以上向右；右汊(S4)與中段(S2)相似，展向流速方向表現(xiàn)為0.6H以下向左、0.6H以上向右，結(jié)合河道平面形態(tài)以及斷面地形特征，可以判斷測(cè)量垂線處于一個(gè)面向下游視角的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流結(jié)構(gòu)中；出口(S5)的展向流速方向與中段(S2)、右汊(S4)相反，表現(xiàn)為0.4H以下向右、0.4H以上向左，處于一個(gè)面向下游視角的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流結(jié)構(gòu)中。中段(S2)、右汊(S4)和出口(S5)測(cè)量斷面時(shí)均流速分布均符合經(jīng)典的彎道水動(dòng)力學(xué)特征[28]。

2.3 垂線環(huán)流結(jié)構(gòu)特征

圖5列出了5條測(cè)量垂線的三維時(shí)均速度矢量圖。從圖中可以看出，5條測(cè)量垂線上都存在不同尺度呈順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流結(jié)構(gòu)，在入口(S1)和左汊(S3)表現(xiàn)為雙環(huán)流結(jié)構(gòu)，在中段(S2)、右汊(S4)以及出口(S5)表現(xiàn)為全水深的單環(huán)流結(jié)構(gòu)。

入口(S1)測(cè)量垂線上存在雙環(huán)流結(jié)構(gòu)(圖5(a))，上層環(huán)流結(jié)構(gòu)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，底部環(huán)流結(jié)構(gòu)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；僅從速度方向來(lái)看，整個(gè)水深從上至下可分為3層水體，尺度約為3 m、8 m和5 m，相對(duì)尺度分別為0.17H、0.45H和0.28H；雙環(huán)流結(jié)構(gòu)的上層半徑約為3 m，底部環(huán)流結(jié)構(gòu)半徑約為5 m；從流速分布特征來(lái)看，底部展向速度最大，最大流速達(dá)到了0.1 m/s。按彎道水流原理，水流在經(jīng)過(guò)彎道入口處時(shí)，在垂線上縱向流速沿水深增加是逐漸增大，水流所受離心力(ρu(y)2/R，ρ為密度，R為彎道半徑)沿水深增加也不斷增大，而由水面橫比降所產(chǎn)生的壓力沿水深是均勻分布的，兩者的合力使表層水流流向凹岸，底層水流流向凸岸，所以彎道入口(S1)處橫向環(huán)流呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)[15，29- 30]；受三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)壅水以及急彎影響，導(dǎo)致彎道入口(S1)處水面區(qū)域縱向速度減小，引起水面區(qū)域離心力減??；同時(shí)由于河床淤積，頂托底部水流，綜合導(dǎo)致了中層水流的流速為垂線上最大。在河道大尺度層面有宏觀的彎道環(huán)流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，在局部區(qū)域受壅水以及地形影響，宏觀的大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)下移并形成水面區(qū)相對(duì)較弱的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流結(jié)構(gòu)。左汊(S3)測(cè)量垂線上有類似的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)(圖5(c))，大尺度受局部區(qū)域特征影響，形成次生環(huán)流結(jié)構(gòu)。

圖5 三維時(shí)均速度矢量圖Fig.5 Three- dimensional time- averaged velocity vector diagram

另外一種情況表現(xiàn)為全水深范圍內(nèi)的單環(huán)流結(jié)構(gòu)，如中段(S2，圖5(b))、右汊(S4，圖5(d))以及出口(S5，圖5(e))等測(cè)量垂線。中段(S2)和右汊(S4)2條測(cè)量垂線上環(huán)流結(jié)構(gòu)相似，均表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從水流速度方向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)看，中段(S2)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在y=12 m左右，相對(duì)水深為0.41H；右汊(S4)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在y=20 m左右，相對(duì)水深為0.59H，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)中心有向水面靠近的變化趨勢(shì)。同時(shí)，從展向流速分布特征可以看出，右汊(S4)表面環(huán)流結(jié)構(gòu)相對(duì)于中段(S2)有明顯的增強(qiáng)。出口(S5)處彎道與右汊反向，所以其環(huán)流結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；出口(S5)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在y=16 m左右，相對(duì)水深為0.45H，水流經(jīng)過(guò)右汊進(jìn)入急彎出口段，旋轉(zhuǎn)中心向下移，向床面靠近。這個(gè)變化過(guò)程初步認(rèn)為是由于中段(S2)、右汊(S4)以及出口(S5)水流速度較大，水動(dòng)力較強(qiáng)，大尺度彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，而三峽水庫(kù)壅水影響主要在表面區(qū)，引起了環(huán)流結(jié)構(gòu)下移的變化趨勢(shì)。

2.4 紊動(dòng)強(qiáng)度剖面分布

受三峽水庫(kù)回水影響以及無(wú)法對(duì)近床面流速進(jìn)行高精度測(cè)量，難以準(zhǔn)確計(jì)算得到測(cè)量垂線處的摩阻流速。因此，本文計(jì)算的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度由脈動(dòng)速度的均方根除以剖面速度進(jìn)行量綱一化，反映不同水深處流速脈動(dòng)相對(duì)于時(shí)均均值的紊動(dòng)強(qiáng)弱。相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(8)

式中：urms(y)為測(cè)量點(diǎn)縱向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度；u′(y)為測(cè)量點(diǎn)縱向脈動(dòng)速度。相應(yīng)地，vrms(y)、wrms(y)分別表示垂向與展向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算方法相同。

圖6給出了5條測(cè)量垂線的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度剖面分布情況，從圖中可以看出，相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度剖面分布大體表現(xiàn)為2種變化趨勢(shì)。入口(S1)和左汊(S3)測(cè)量垂線的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿水深增加有先減小后增大的變化趨勢(shì)，這與2條垂線存在的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，環(huán)流結(jié)構(gòu)的存在加劇了水體的脈動(dòng)，使相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度在水流核心區(qū)域最小，而在水面和底部附近較大，與王虹等[31]在連續(xù)急彎模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相似。中段(S2)、右汊(S4)和出口(S5)3條垂線的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿水深增加有單調(diào)遞減的變化趨勢(shì)，其中相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度在縱向和展向分布上大小相當(dāng)，與羅紅春等[32]的研究成果相符。

圖6 測(cè)量垂線相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度剖面分布Fig.6 Relative turbulence intensity profile distribution of measuring vertical line

2.5 高低速條帶結(jié)構(gòu)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)特征

二維高低速條帶結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)能夠初步反映水流中大尺度或超大尺度湍流結(jié)構(gòu)在縱向上的變化。如圖7所示，Ⅰ區(qū)域代表的是以低速條帶結(jié)構(gòu)為主的大尺度渦結(jié)構(gòu)，在縱向尺度上達(dá)到3H左右，大約占據(jù)了0～0.8H的水深范圍；Ⅱ區(qū)域代表的是以高速條帶結(jié)構(gòu)為主的大尺度流向渦結(jié)構(gòu)，在縱向尺度上達(dá)到1.5H左右，大約占據(jù)了0.2H～1H的水深范圍；Ⅲ區(qū)域代表的是以高低速條帶結(jié)構(gòu)相互摻混充分發(fā)展的大尺度擬序結(jié)構(gòu)。圖7僅反映了天然河流中湍流結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)短暫情況，可見瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在多尺度湍流結(jié)構(gòu)的相互摻混影響，運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步基于功率譜來(lái)分析其統(tǒng)計(jì)意義上的尺度分布特征。

圖7 瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的高低速條帶結(jié)構(gòu)Fig.7 Instantaneous motion of high and low speed stripe structure

2.6 渦尺度分布特征

圖8 縱向脈動(dòng)速度預(yù)乘波數(shù)譜Fig.8 Premultiplied spectrum of longitudinal pulsating velocity

從圖8可以看出，入口(S1，圖8(a))和左汊(S3，圖8(c))測(cè)量垂線在水面和床面分別具有1個(gè)超大尺度渦結(jié)構(gòu)，尺度達(dá)到20H左右；彎道中段(S2，圖8(b))、右汊(S4，圖8(d))和出口(S5，圖8(e))測(cè)量垂線上大尺度渦結(jié)構(gòu)占據(jù)了主要的能量，尺度大小為1H左右；超大尺度結(jié)構(gòu)沿水深增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，尺度達(dá)到10H左右。

5條測(cè)量垂線處的渦尺度沿垂線分布表現(xiàn)為2類主要尺度，在10H左右的超大尺度結(jié)構(gòu)和在1H左右的大尺度結(jié)構(gòu)；該分布特點(diǎn)總體上與其他壁面湍流的渦尺度分布特征有相似之處[34- 35]。然而，在彎道河段中超大尺度結(jié)構(gòu)的尺度分布特征有新的特點(diǎn)，以具有雙環(huán)流結(jié)構(gòu)的入口(S1)和左汊(S3)的超大尺度結(jié)構(gòu)尺度分布特點(diǎn)最為突出，表現(xiàn)為在垂線上有2個(gè)水深位置具有超大尺度結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)黃花城河段進(jìn)行三維瞬時(shí)流速原型觀測(cè)，分析連續(xù)彎道的水流結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)特性，主要得到以下結(jié)論：

(1) 基于測(cè)量垂線時(shí)均流速旋轉(zhuǎn)方向表現(xiàn)出的環(huán)流結(jié)構(gòu)特征，可以推斷黃花城連續(xù)彎道河段存在河道層面宏觀尺度的彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)。

(2) 入口斷面既是上一彎道頂點(diǎn)又是下一彎道入口，其彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)受河道層面宏觀的彎道環(huán)流運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)和局部壅水以及地形影響，表現(xiàn)為河道大尺度彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)下移并形成水面區(qū)相對(duì)較弱的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)雙環(huán)流結(jié)構(gòu)特征。

(3) 庫(kù)區(qū)連續(xù)彎道河段仍能形成超大尺度湍流結(jié)構(gòu)，尺度大小與經(jīng)典壁面湍流中超大尺度結(jié)構(gòu)量級(jí)相當(dāng)，但在垂線上的分布表現(xiàn)為受環(huán)流結(jié)構(gòu)影響較大。