長江上游邊灘河段水力特性試驗研究*

陳雅飛，王平義，王梅力，趙聰聰，鄭飛東

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 國家內(nèi)河航道整治工程研究中心，重慶 400074；3.重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院，重慶 400074)

長江上游多為卵石推移質(zhì)邊灘，根據(jù)錢撼等[1]對于邊灘堆積體的研究，邊灘具有束窄河道，造成局部水深壅高、改變局部水流流態(tài)等作用；劉林等[2]闡述河段形態(tài)和河道水文泥沙特征，并分析了順直河段交錯邊灘的演變特點及機理；聞云呈等[3]分析了靖江邊灘的演變特性和上游來水來沙、近岸漲落潮等多因素對靖江邊灘演變的影響；沈淇等[4]以靖江邊灘為例，分析了彎曲與分汊河型過渡段靖江邊灘年內(nèi)動態(tài)沖淤演變規(guī)律及其成因；施騏等[5]利用室內(nèi)概化模型試驗研究順直型河道交錯邊灘在不同水沙條件下演變的規(guī)律；李健等[6]研究了非恒定流條件長江中游邊灘的沖刷機理；Kasvi等[7]分析了沙質(zhì)河流彎曲河道邊灘的形態(tài)變化和水力參數(shù)。目前國內(nèi)已有研究河段的邊灘多位于長江中下游及平原河流地區(qū)，對于長江上游卵石推移質(zhì)邊灘所在河段的水力特性研究甚少。為此，本文通過查閱長江上游四川宜賓至重慶段航道圖，統(tǒng)計長江上游主要順直邊灘的特征參數(shù)，利用物理概化模型試驗，研究邊灘河段橫向和縱向斷面水深變化、主要斷面近底平均流速、斷面平均流速等水力特性，嘗試將流場與魚類生境選擇聯(lián)系起來。生境即生態(tài)環(huán)境，最早由Grinnell[8]提出，是指影響生物生活空間的各種因子，是自然界各種生物賴以生存的棲息地；Baily等[9]提出生境是生物群落或其中一種，在其內(nèi)可以生活著許多野生動物或者一個種群。

1 概化模型設計

1.1 試驗灘體

查閱長江上游四川宜賓至重慶段航道圖(比例尺1:15 000)，統(tǒng)計長江上游主要順直邊灘的特征參數(shù)，選取12個順直邊灘進行概化研究，灘面寬與河道寬之比取中位數(shù)0.5，試驗水槽寬3 m，灘寬按不利情況取150 cm；邊灘最大長度與灘面最大寬度之比取中位數(shù)4.0，則邊灘長寬比為4:1；灘體設計時迎水面坡度較緩取0.06；背水面坡度較陡取0.12；臨水面坡度分別取0.167和0.200，并將兩個灘體設為灘體A和B，平灘段考慮長寬比的影響取100 cm，灘頭段長167 cm，灘尾段長333 cm。灘體的迎水面以及背水面分別采用斜平面，平灘段與灘頭段、灘尾段采用圓弧線過渡，曲面的寬度隨灘體的規(guī)模而改變。統(tǒng)計得到邊灘高度的眾數(shù)為20.0，選取高度相似比尺為1:100，流速比尺為10，模型灘體高度為20 cm，從而由邊灘的高度設計試驗水深分別為15 cm(未淹沒)、20 cm(恰淹沒)、25 cm(完全淹沒)；試驗流量Qk大小根據(jù)豐枯水年的規(guī)律選取90、120、150 L/s。圖1為邊灘三視圖，圖2為邊灘試驗圖。

圖1 邊灘三視圖(單位：mm)

圖2 邊灘試驗圖

1.2 試驗方案及測點布置

本試驗所用室外矩形水槽系統(tǒng)由重慶交通大學省部級水利水運工程重點實驗室自行建造，尺寸為28.0 m×3.0 m×0.8 m(長×寬×高)，采用挪威Nortek科學儀器公司研制的高精度聲學多普勒點式流速儀Nortek ADV(Vectrino)測量流速。

劉家富等[10]參照丁壩的流速分區(qū)方法，將堆積體影響下的明渠水流分成4個區(qū)段，分別為主流區(qū)、上游滯流區(qū)、下游回流區(qū)、下游主流區(qū)和回流區(qū)的過渡區(qū)，類比丁壩和堆積體的水流分區(qū)方法，本試驗以邊灘順直段的中心所在斷面作為中心線，將邊灘附近的河段劃分為灘頭緩流區(qū)、主流區(qū)、灘尾回流區(qū)、主流區(qū)和灘尾回流區(qū)的過渡區(qū)。圖3為邊灘試驗流態(tài)分區(qū)。

圖3 邊灘試驗流態(tài)分區(qū)(單位：cm)

圖4a)為邊灘A水深流速測點布置，共設有18個橫斷面，灘體順直段的中心位于中心線處，即10#橫斷面的位置，1#～3#斷面間距為50 cm，3#～9#斷面間距為30 cm，9#～12#斷面間距為50 cm，12#～18#斷面間距為1 m；縱向設置8個測點，V1～V6斷面間距為30 cm，V6～V8斷面間距為40 cm。

圖4b)為邊灘附近流速測點布置，用ADV測量邊灘主流區(qū)的水流流速和順直段紊動特性沿水深的變化規(guī)律。試驗速率為1 cm/s，采樣頻率為100 Hz，數(shù)據(jù)精度為0.001 m/s，金屬探頭的垂直誤差設置為1 mm，縱向精度誤差和橫向精度誤差設置為5 mm。圖中有13個橫斷面，每個斷面布置4個流速測點，垂向流速測點的布置采用沿水深間隔1 cm布置，流速測點數(shù)量隨著水深的增加而增加，測量內(nèi)容主要有近底流速、垂向流速和平均流速等。試驗灘體工況見表1。

圖4 測點布置(單位：cm)

表1 試驗灘體工況

2 水深變化規(guī)律

邊灘具有束水壅水的作用，使得水流到達灘頭緩流區(qū)時發(fā)生繞流混摻現(xiàn)象，其中順直段的水流狀態(tài)更加混亂并產(chǎn)生大小不一的運動漩渦，并不斷向下游的灘尾區(qū)運動，與主流區(qū)水流交匯混摻后逐漸消失，航道中橫向水深變化可以反映灘體對水流運動造成的阻力大小，縱向水深變化可以探究灘體對于航道的水深影響范圍，從而給船舶安全航行提供參考依據(jù)。

2.1 橫向水深變化

圖5為邊灘B在不同工況下主要橫斷面水深變化，考慮到灘體臨水面坡度的存在將使波高儀無法水平放置而引起較大的誤差，所以選擇灘體前方1#～3#斷面進行研究。水深折線變化總體趨勢為波動中上升，距離右岸邊壁最近的測點水深最高，原因是灘體具有束水壅水的作用，循環(huán)水流將要到達灘頭區(qū)域時，水流開始受到灘體影響發(fā)生繞流混摻現(xiàn)象[11]，根據(jù)水力學中的連續(xù)性方程[12]可知，過水能力一定時，過水斷面面積減小、流速增加，邊壁水流受到灘體的影響相比灘體邊緣水流而言滯后，從而出現(xiàn)壅水現(xiàn)象。

圖5 邊灘B不同工況下主要橫斷面水深變化

比較5個工況發(fā)現(xiàn)：1)河道平均流速相同時(v=0.2 m/s)，以河道縱向中心線為基準線，3#斷面水深往往高于2#斷面的水深，原因在于3#斷面距離灘體位置更近，對水流的影響更大，而且運動的水流具有慣性力，遇到前方灘體阻擋時水流會先發(fā)生壅水現(xiàn)象，水深到達灘頭前會逐漸升高，距離灘頭越近水深越高；2)當流量一定時(Qk=120 L/s)，以河道縱向中心線為基準線，3個斷面的水深變化差值隨著水深的增加而減少，主要原因與水流的紊動強度等因素有關。

2.2 縱向水深變化

圖6為邊灘B在不同工況下主要縱斷面水深變化，橫軸為距離0#斷面的距離；縱軸為水深；3條不同的水深變化折線(H1、H2、H3)分別表示縱斷面上h6～h8的水深測點位置。主要縱斷面水深總體變化趨勢為波動中下降，但下降幅度很小，主要原因同樣與水流紊動強度等因素有關。

圖6 邊灘B不同工況下主要縱斷面水深變化

比較以上5組工況可知：1)河道平均流速相同時(v=0.2 m/s)，以河道橫向中心線為基準線，h7測點水深往往高于h8測點的水深，原因在于順直段水流最為混亂，由于灘頭區(qū)與順直段交界處水流繞流并與主流區(qū)水流混摻以及地轉(zhuǎn)偏向力的作用，產(chǎn)生大小不一逆時針運動的漩渦，使得漩渦的外緣水深更高，而其內(nèi)部由于流速大、氣壓小，水深相比漩渦外緣來說更低，h7測點的位置距離漩渦外緣邊緣較近，所以相對水深往往高于h8測點的水深；2)流量為120 L/s時，以H2水深變化折線為例，水深增加，沿程斷面的最大水深與最小水深之差逐漸減小，主要原因同上所述。

3 流速變化規(guī)律

魚類生境因子主要有流速、水深等，其中流速為塑造魚類生境的關鍵水力因子，且不同流速對于邊灘河段的多樣化地貌單元塑造以及魚類洄游上溯行為等均有重要影響。為此研究邊灘河段在不同工況下的流速變化及分布規(guī)律，對于今后研究邊灘河段的沖淤變化規(guī)律以及地形變化后魚類洄游行為等具有重要意義。

3.1 垂向流速分布

圖7為邊灘A在不同工況下三維流速沿垂向分布，結果發(fā)現(xiàn)：灘體主要斷面流速測點的三維流速主要以橫向流速為主，縱向流速與垂向流速很小，且垂向流速變化規(guī)律和橫向流速基本相同，因此選取邊灘A3組工況的9#～11#斷面的第5個流速測點，重點研究橫向流速沿水深方向的變化規(guī)律。橫軸為距離河床底部的距離，0表示河床底部，距水槽底部1～2 cm，將其作為基準水深；垂向流速測量間距為1 cm，水深越深測點越多，縱軸為沿著水流方向的橫向平均流速。橫向平均流速總體變化規(guī)律為先增大再逐漸趨于平穩(wěn)，當流量一定時，水深越淺，測點的橫向平均流速越大，不同工況下的橫向平均流速差值越大。工況2、3橫向平均流速變化曲線趨勢線的相關系數(shù)均大于0.9，擬合效果好。

圖7 邊灘A不同工況下三維流速沿垂向分布

3.2 近底流速分布

圖8為不同工況下近底流速分布圖，選取5組試驗工況研究邊灘B的近底流速分布規(guī)律，橫軸為距3#斷面距離；縱軸表示近底流速，不同工況下近底流速變化總體規(guī)律為先增加后減小，通常順直段尤其是中心線處的近底流速最大，原因主要是運動的水流經(jīng)過灘頭與順直段邊界時水深局部升高，過水斷面面積減小，發(fā)生繞流混摻現(xiàn)象[13]，并形成若干個大小不一的運動漩渦，其向下游運動經(jīng)過灘尾與順直段邊界時過水面積增加，造成局部跌水，水流流速降低，漩渦逐漸變大，逐漸向灘尾段運動擴散而逐漸消失，運動漩渦在順直段的臨水面斜坡上產(chǎn)生，在灘尾回流區(qū)和過渡區(qū)消失。所以順直段時漩渦的動能最大，相應的流速也最大。

圖8 不同工況下近底流速分布

1)流量一定時(Q=120 L/s)，水深越淺，近底流速越大。工況2(120-25-0)、工況3(120-20-0)和工況4(120-15-0)的最大近底流速分別為0.213、0.307和0.441 m/s，平均近底流速分別為0.175、0.241和0.329 m/s，以上3組工況的最大近底流速的位置均為中心線處。主要原因是當流速一定時，流量越大水深也越大，隨著水深升高，水流紊動相對減弱，使得近底流速相應減小。

2)河段平均流速為0.2 m/s時，流量越大，近底流速越小。工況1(150-25-0)的最大近底流速為0.263 m/s，平均近底流速為0.219 m/s；工況3(120-20-0)和工況5(90-15-0)的平均近底流速分別為0.241、0.254 m/s，最大近底流速(位于中心線處)分別為0.307、0.335 m/s。經(jīng)計算得，同一試驗工況下最大近底流速是平均近底流速的1.2～1.4倍。

3.3 平均流速分布

圖9為不同工況下平均流速分布，其中工況1最大平均流速為0.289 m/s，位置在中心線處，其他4組工況下最大平均流速的位置均在中心線下游；工況2的流速變化范圍為0.16～0.24 m/s，最大平均流速為0.238 m/s；工況3的流速變化范圍為0.21～0.34 m/s，最大平均流速為0.339 m/s；工況4的流速變化范圍為0.18～0.52 m/s，最大平均流速為0.52 m/s；工況5的流速變化范圍為0.20～0.37 m/s，最大平均流速為0.363 m/s；經(jīng)計算，相同工況下的最大平均流速為斷面平均流速的1.1～1.5 倍。曲線總體變化趨勢為先升高后降低，當流量一定時，水深越大，河道平均流速越??；河道平均流速一定時，流量越大，平均流速越小。

圖9 不同工況下平均流速分布

3.4 灘體附近流場分布

圖10為相同流量條件下不同水深對應的流場分布，以橫軸中心線為坐標原點，上游為正，下游為負，為減少邊壁效應對流速的影響，縱軸的測量范圍為10～290 cm，區(qū)域顏色越深代表此處的平均流速越大(除灘體區(qū)域外)，靠近灘體順直段處流速大且水流紊亂，類比丁壩附近產(chǎn)生的局部流場[14]，灘體臨水面會產(chǎn)生逆時針運動的漩渦，其不斷向下游運動并變?yōu)槿舾蓚€小漩渦，航行時需要特別注意此區(qū)域；胡杰龍[15]研究發(fā)現(xiàn)新型透水丁壩能夠提高草魚上溯成功率和增大丁壩附近草魚平均聚集度，魚類洄游上溯失敗后也會選擇灘體的回流區(qū)作為臨時棲息地，對比3幅圖發(fā)現(xiàn)：水深增加，平均流速的最大流速區(qū)有效面積占比逐漸減小，由工況2的24.96%降至工況4的8.52%，最大流速影響的范圍隨著水深增加而減小，故流量相同時，水深為影響流速大小的關鍵因素。

圖10 相同流量下流場分布

4 結論

1)灘體的壅水作用使得距離灘頭越近，橫向水深越高，縱向水深的總體變化趨勢為波動中下降，但下降幅度很小。

2)流量相同時，橫向平均流速隨著水深的增加，先增大再逐漸趨于平穩(wěn)；同一測點的近底平均流速和斷面平均流速隨著水深的增加而減小，同一組工況下最大近底流速是平均近底流速的1.2～1.4倍，最大平均流速是斷面平均流速的1.1～1.5倍。

3)流量相同時，平均流速的最大流速區(qū)有效面積占比隨著水深的增加而減小。

4)研究成果對進一步探索邊灘河段沖淤變化規(guī)律以及魚類洄游生境選擇等方面具有重要意義。