• 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 美国工程索引(EI)收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟

刘亚 郑力 姚仕明 汪飞 谢思泉

刘亚, 郑力, 姚仕明, 汪飞, 谢思泉. 分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
引用本文: 刘亚, 郑力, 姚仕明, 汪飞, 谢思泉. 分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
LIU Ya, ZHENG Li, YAO Shiming, WANG Fei, XIE Siquan. Simulation of dominant factors transforming on major-minor branches alternation in anabanched rivers[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
Citation: LIU Ya, ZHENG Li, YAO Shiming, WANG Fei, XIE Siquan. Simulation of dominant factors transforming on major-minor branches alternation in anabanched rivers[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004

分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402305

国家自然科学基金资助项目 51609011

详细信息
    作者简介:

    刘亚(1987—) , 女 , 重庆人 , 高级工程师 , 博士 , 主要从事水力学及河流动力学研究。 E-mail : Newyar@live.cn

  • 中图分类号: TV147

Simulation of dominant factors transforming on major-minor branches alternation in anabanched rivers

Funds: 

The study is financially supported by the National Key R&D Program of China 2016YFC0402305

the National Natural Science Foundation of China 51609011

图(8) / 表 (2)
计量
  • 文章访问数:  25
  • HTML全文浏览量:  1
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-01
  • 网络出版日期:  2020-04-07
  • 刊出日期:  2020-05-01

分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402305

    国家自然科学基金资助项目 51609011

    作者简介:

    刘亚(1987—) , 女 , 重庆人 , 高级工程师 , 博士 , 主要从事水力学及河流动力学研究。 E-mail : Newyar@live.cn

  • 中图分类号: TV147

摘要: 进口水流条件及河道周界特征的改变是促使分汊河道主支汊交替的两大主要因素,不同类型的汊道对两者敏感性存在差异,辨析不同汊道主支汊交替的主导因素是预测汊道演变的前提。以长江中游分汊河道为参考,通过调整进口水流动力轴线走向及两汊的长度比设置了30种概化方案,采用平面二维水沙数学模型探讨上述两种因素对主支汊交替的影响。结论表明:两汊长度比存在一个临界值,当汊长比低于此临界值时,进口主流动力轴线的偏移是影响主、支汊交替的主要动力因素;超过此临界值后,进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱,影响主支汊交替的主导因子将转换为汊道间的阻力对比关系;通过概化计算得到此临界值约为1.5。

English Abstract

刘亚, 郑力, 姚仕明, 汪飞, 谢思泉. 分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
引用本文: 刘亚, 郑力, 姚仕明, 汪飞, 谢思泉. 分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
LIU Ya, ZHENG Li, YAO Shiming, WANG Fei, XIE Siquan. Simulation of dominant factors transforming on major-minor branches alternation in anabanched rivers[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
Citation: LIU Ya, ZHENG Li, YAO Shiming, WANG Fei, XIE Siquan. Simulation of dominant factors transforming on major-minor branches alternation in anabanched rivers[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
  • 分汊河型在天然河流中分布较为普遍。地球上大江大河的中下游河道一般均是分汊河型占优[1], 对于年均流量超过17 000 m3/s的“巨型”河流, 除了密西西比河以蜿蜒河型为主以外, 其他河流均以分汊河型为主[2-4]。作为广泛分布的一种河道类型, 分汊河型得到了地学、水利、航道等领域专家学者的广泛关注, 在河型成因、河道演变特征以及水沙输移等方面取得了重要进展[5-8]。主支汊周期性交替是分汊河道最为显著的河势变化特点, 促发主支汊交替的因素也得到了深入研究。上游河势变化以及分流区的主流线偏移是造就主支汊交替的主要因素[8-9]。但是自然河流中也不乏上游河势无明显变化、分流区主流线平面位置相对稳定的情况下依然产生主支汊易位, 或者分流区主流线大幅度偏移、但主支汊格局仍能维持的个例[10]。有研究认为汊道平面形态对主支汊交替的影响也不可忽略, 提出以汊道长度及进口单位质量水体具有的能量作为因子的判别系数来衡量汊道的发展态势, 并认为维持一定曲率差的弯曲分汊河型是稳定主支汊格局的有效措施[11]。上述研究虽然揭示了进口水流条件及汊道平面形态对主支汊交替均存在影响, 但两者的影响程度仍待进一步明确。

    分汊河道主支汊交替是一个较长时期逐步演变的过程, 在充分发育的冲积平原上, 侧向侵蚀和摆动是汊道交替的重要方式。长江中下游广泛分布的鹅头分汊河型在周期演变过程中汊道平面位置最大摆幅可达数千米[10], 但20世纪90年代以来在河道整治工程的守护下, 分汊河道的岸线崩退已得到充分遏制。即使在三峡水库蓄水运用后的强冲刷条件下, 分汊河道平面形态依然能保持相对稳定, 支汊发展则主要通过中低水河床冲淤实现[12-13]。总体来说, 影响分汊河道主支汊交替的主要因子可大致归纳为进口水流条件及周界特征两大类, 但每类因子细化又可分为若干形式。上游河势变化、年际间水文波动、汊道分流区冲淤等均可能引发进口水流条件改变, 而江心洲及汊道岸线的崩退、河槽的冲淤、下游基准面变化等均是促发河道周界特征调整的因素。主支汊交替这一物理现象涉及到弯道环流、底沙输移、岸线崩退等众多因素, 且各因素间交错复杂, 全盘考虑所有影响因素的模拟不仅难度较大, 也不便进行单一因素的敏感性分析。因此, 探求能综合反映各要素的指标, 对其进行适当概化, 研究此要素变化对主支汊格局调整的影响是明确主支汊交替主导因子的有效途径。

    本文在参考长江中游流域环境的基础上, 对河道形态进行了一些假设及概化;采用平面二维水沙数学模型, 通过调整进口主流走向及汊道长度对比来反映进口水流条件及河道周界特征的变化, 定量研究两者在主支汊交替方面的作用, 初步探寻不同类型汊道诱发主支汊交替的主导因子。

    • 本文所建立的平面二维水沙数学模型考虑了沿垂线分布非均匀性所引起的扩散应力, 在传统二维浅水方程的基础上引入弯道水流流速沿垂线分布的经验公式使得方程得以封闭, 从而对平面二维水流数学模型加以修正[14]

      不可压缩流体数值解法目前应用较为普遍的为SIMPLE算法、改进的SIMPLE算法以及类SIMPLE算法。Wang等[15]、Liu等[16]从相对系统、全面的角度分析了SIMPLE系列算法的收敛特性, 从界面流速插值方式及流速修正方式两方面对高SIMPLE算法以及SIMPLER算法进行了改进, 并且通过实例计算验证了改进效果, 同时从误差削减的角度阐述了改进方案的有效性。考虑到弯曲分汊河道边界的复杂性, 本文采用正交曲线网格, 考虑干湿边界对水流的影响, 采用修正后的SIMPLER算法进行离散求解。

    • 长江中游分汊河道众多, 其中武汉河段天兴洲汊道及鄂黄河段戴家洲汊道为典型的微弯分汊河道, 有过多次主支汊交替的历史记载(汊道地理位置及河势如图 1所示)。其中天兴洲汊道在20世纪60年代两汊分流比较为接近, 而戴家洲汊道近10年来左右汊分流比也不相上下。因此, 本文分别以上述时期两汊道的河床形态作为参考, 概化得到本次计算河道的断面形态如图 2所示:河岸高程为25 m, 洲面高程为20 m, 洲头、洲尾以2‰的比降与上下游河槽平顺连接。汊道进口河槽高程为2 m, 河槽比降为0.1‰。

      图  1  长江中游典型分汊河道地理位置示意

      Figure 1.  Location map of typical anabranching reaches in the Middle Yangtze River

      图  2  分汊河道断面概化示意

      Figure 2.  Sketch of conceptualized transverse sections

      本文通过改变汊道入口主流线与各汊进口河槽中心线的夹角θ来概化模拟进口水动力条件的改变、改变两汊长度比值来概化模拟汊道阻力的变化。具体计算方案如下:固定分汇流区主流走向及汊道1平面位置的情况下, 逐渐加大汊道2的弯曲系数来增加汊长比k(汊道2长度/汊道1长度);保持两汊形态不变的情况下, 逐渐改变进口主流线与汊道2进口水流夹角(概化方案如图 3所示)。计算方案见表 1, 进口水流与汊道2夹角变化范围为-10°~10°, 即夹角为0表示进口水流与汊道2深泓线(河槽中心线)走向完全一致(如图 3θ0所示), 进口水流偏向近右岸侧夹角小于0(如图 3θ1所示)、偏向近左岸侧夹角大于0(如图 3θ2所示);每5°设置一个计算方案;汊长比变化范围为1.1~2.1, 每0.2比值设置一个计算方案, 共30个计算方案。

      表 1  概化计算方案

      Table 1.  Schemes of simplified calculation

      序号 入流角θ/(°) 汊长比k
      1 -10 1.1
      2 -10 1.3
      3 -10 1.5
      4 -10 1.7
      5 -10 1.9
      6 -10 2.1
      7 -5 1.1
      8 -5 1.3
      9 -5 1.5
      10 -5 1.7
      11 -5 1.9
      12 -5 2.1
      13 0 1.1
      14 0 1.3
      15 0 1.5
      16 0 1.7
      17 0 1.9
      18 0 2.1
      19 5 1.1
      20 5 1.3
      21 5 1.5
      22 5 1.7
      23 5 1.9
      24 5 2.1
      25 10 1.1
      26 10 1.3
      27 10 1.5
      28 10 1.7
      29 10 1.9
      30 10 2.1
        注:入流角为进口主流线与汊道2中心线的夹角。

      图  3  汊道形态概化示意

      Figure 3.  Sketch of the branches conceptualization

    • 河床组成根据长江中游螺山至湖口段平均中值粒径选取为0.20 mm的均匀沙。模型进口水沙条件以汉口站为参考依据:三峡水库蓄水前, 汉口站多年平均流量(1954—2002年)为22 600 m3/s, 平均含沙量为0.430 kg/m3。通过计算年均水沙相对丰枯率变化趋势如图 4所示, 以年均值大于多年平均值10%为大水(沙)年, 小于多年平均值10%为小水(沙)年。选取典型的中水中沙年即年径流量和输沙量处于多年平均水平的1990年实测水沙系列作为本次计算的模型进口水沙条件。由于河床的调整通常要滞后于水流条件的变化, 已有研究成果表明[17], 在移动平均年数为4~5年时, 水沙条件与河床形态相关系数达到最大值。据此本文计算时段设置为5年。

      图  4  汉口站水沙系列

      Figure 4.  Series of water and sediment flow in Hankou station

    • 针对不同汊道进口水流夹角、不同汊道长度比, 分别计算典型水沙系列作用后两汊分流比及冲刷量比值。鉴于本文研究对象为主支汊交替的驱动因素, 因此选取较为充分的标准来定义主支汊交替。具体标准如下:汊道2分流比大于50%, 且两汊冲刷量比值(汊道2/汊道1)大于1.1认为汊道2为主汊;若汊道2分流比小于50%, 且冲刷量比值小于1.1认为发生主支汊交替, 汊道1成为主汊。

      前述30种计算方案下, 汊道2分流比变化如图 5所示。从分流比来看, 进口水流与汊道2深泓线夹角(下文简称水流夹角)为0时, 最有利于汊道2进流, 表现为同一汊道长度比(简称汊长比)下汊道2分流比最大;其次为小于0的水流夹角;当水流夹角大于0时, 对汊道1进流有利, 具体表现为汊道1分流比始终大于50%。

      图  5  不同方案下汊道2分流比变化

      Figure 5.  Diversion ration of branch 2 in different schemes

      针对不同的水流夹角, 汊道分流比变化趋势如下:

      (1) 夹角为0。此时进口水流方向与汊道2走向完全一致, 因此最有利于汊道2进流。当汊长比小于1.5时, 汊道2分流比大于50%, 冲刷量比值大于1.1, 汊道2居于主汊地位。随着汊道2逐渐弯曲, 汊长比逐渐增加, 汊道分流比逐渐减小。当汊长比约大于1.4后, 汊道2分流比开始小于50%;当汊长比约大于1.5后, 冲刷量比值也小于1.1, 汊道1发展成为主汊, 发生主支汊交替。

      (2) 夹角小于0。此时水流方向偏向右岸一侧, 虽然进口水流与汊道2存在一定偏离, 但较汊道1而言, 汊道2依然处于迎流的位置, 因此在两汊长度比值差异不大的情况下, 汊道2依然能够维持主汊的地位。当水流偏角为-5°时, 两汊长度比值在不大于1.3的情况下, 汊道2为主汊, 而当偏角增大为-10°后, 仅当汊长比为1.1时汊道2才居于明显的主汊地位, 大于1.3后便发生主支汊交替。

      (3) 夹角大于0。此时进口水流偏向左岸侧, 汊道1(右汊)处于迎流的位置, 当夹角为10°时, 进口水流几乎与汊道1走向一致。同时由于汊道1长度小于汊道2, 水流沿程阻力较小, 因此在此情况下汊道1始终居于主汊地位。

      总体来说, 在同一进口水流条件下, 随着汊长比的增加, 汊道2分流比逐渐减小, 直至发生主支汊交替。针对不同的进口水流夹角, 发生主支汊交替的汊长比不一样;但当汊长比大于1.5后, 即使进口水流与汊道深泓走向完全一致, 汊道2都无法再居于主汊地位。

      若以汊道2为研究对象, 其分流比变化幅度随着进口水流走向和平面形态而发生变化。分流比变化范围随进口水流走向呈现中间高、两头低的驼峰形式, 如图 6(a)所示:当水流夹角为0时, 在不同的汊长比下, 分流比变化范围最大;随着水流逐渐偏离, 分流比变化范围逐渐减小。且当汊道处于迎流位置(水流夹角小于0)时, 分流比变化范围小于非迎流位置(水流夹角大于0)。分流比变化范围随汊长比增加而逐渐减小, 如图 6(b)所示:当两汊长度相当(汊长比为1.1)时, 在水流夹角-10°~10°的计算范围内, 分流比变化幅度高达40%;而当两汊长度相差较大、汊长比大于1.5后, 分流比变化幅度将不再明显。

      图  6  不同方案下汊道2分流比变化范围

      Figure 6.  Variation range of diversion ration of branch 2 in different schemes

      综上所述, 汊道分流比是该汊道进口水流条件和汊道相对长度的一个综合反映:当进口水流偏向某汊道时, 汊道分流比增加;而当该汊道长度增加时, 分流比减小。但是存在一个汊长比的临界值, 当两汊长度比值超过此临界值后, 进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱。通过本文概化计算, 初步认为此临界值约为1.5。

      天兴洲汊道在20世纪60年代中期的主支汊交替过程中, 汊道进口水力条件变化如表 2所示。1957—1961年间进口主流流向偏左汊, 其入流角9°~25°, 这一时期天兴洲左汊分流比逐渐减小;1970—1978年, 枯期入流角范围-16°~-20°, 主流稳定指向右汊口门, 右汊冲刷发展迅速, 70年代末右汊枯水分流比达90%以上, 完成了一次主支汊交替。即对于汊长比较小的汊道来说, 进口段主流摆动引起各汊道的兴衰交替。江凌[6]对长江中下游界牌、东流及马鞍山小黄洲等汊长比在1.05~1.2之间汊道的主流摆动特性及汊道冲淤变化的分析也充分说明了这点。

      表 2  天兴洲汊道进口主流线变化

      Table 2.  Main streamline variation in the inlet of Tianxingzhou reach

      时间 入流角a/(°) 相对位置b 左汊分流比/%
      1957-04 15.6 0.89 62.5
      1957-11 1.7 0.04 60.2
      1958-06 25.4 0.87 58.5
      1961-04 9.6 0.89
      1970-12 -16.1 0.84 32.4
      1972-02 -19.9 0.85 15.0
      1973-01 -19.4 0.76 24.1
      1973-11 -19.7 0.84 30.5
      1974-03 -19.3 0.89 18.9
      1974-12 -20.1 0.84 20.2
      1975-04 -19.7 0.74 22.6
      1975-12 -18.2 0.83 22.4
      1978-01 -18.9 0.80 6.3
      1978-12 -16.7 0.94 3.8
      注:a逆时针方向为正, 主流趋向左汊;顺时针方向为负, 主流趋向右汊。b为最大垂线平均流速点距左岸的距离与水面宽的比值。

      长江下游的南京八卦洲汊道在20世纪80年代之前发育成汊长比大于2的鹅头型汊道, 90年代开始分流区深槽槽尾逐渐向长汊(左汊)发展, 而在1998年、1999年特大洪水的作用下, 分流区深槽甚至与左汊贯通, 这对左汊的入流极为有利(如图 7所示)。但从汊道分流比及冲淤量看出, 该汊道仍维持右主左支的汊道格局, 没有出现主支汊交替的征兆[18]。位于长江下游镇扬河段的和畅洲汊道, 两汊均为弯曲的平面形态, 汊长比在1.3以下。在1987年之后, 由于上游六圩弯道出口段深槽向下、向左发展, 使得和畅洲分流区深泓左移, 从而左汊分流比逐渐增加, 至2002年9月发展至75%, 实现了主支汊交替(如图 8所示)。

      图  7  八卦洲汊道分流区深泓线变化

      Figure 7.  Thalwegs in the diversion area of the Baguazhou reach

      图  8  和畅洲汊道深泓线变化

      Figure 8.  Thalwegs in the Hechangzhou reach

      综上所述, 汊长比较小的汊道主支汊格局主要受入口水动力条件影响, 而对于汊长比较大的汊道来说, 进口的水流扰动将不足以改变两汊原有的主支汊格局。这也从侧面验证了本文提出的汊长比临界值的大致范围。

    • (1) 在同一进口水流条件下, 随着汊道长度的增加, 汊道分流比及冲刷量逐渐减小, 直至发生主支汊交替。针对不同的进口水流夹角, 发生主支汊交替的汊长比不同;但当汊长比大于1.5后, 即使进口水流与汊道深泓走向完全一致, 该汊道都无法再居于主汊地位。

      (2) 汊道进口水流走向及两汊长度比值均是影响各汊发展的重要因素。对于两汊长度差异不大的微弯型汊道, 进口水流走向是导致主支汊交替的主导因素;对于两汊长度存在明显差异的鹅头型汊道, 各汊的发展态势则主要决定于汊道的弯曲发展程度。即存在一个两汊长度比的临界值, 当汊长比超过此临界值后, 进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱。本文通过概化计算, 初步认为此临界值约为1.5。

      (3) 本文提出的汊长比临界值基于长江中下游流域特性, 当水沙条件、床沙特性、周界组成发生根本变化时, 这个临界值也将会随之调整。本文提出的确定此临界值的方法可为其他流域的应用提供参考。

参考文献 (18)

目录

    /

    返回文章
    返回