胡骏峰，漆力健，黄华东，黄诗渊



影响阶梯-深潭结构消能率的主要因素分析

胡骏峰1，漆力健2，黄华东3，黄诗渊1

（1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.四川农业大学 水利与建筑工程系，四川 雅安 625014；3.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的重要河床结构，探究其形态和尺寸的规律对于认识山区河流稳定性及河床演变具有重要意义. 以探究影响阶梯-深潭结构消能率的因素为目的，通过选取野外发育良好的阶梯-深潭典型跌落式和滑落式结构，实测阶梯高度、深潭容积等基本参数，计算消能率的大小，并通过数据分析影响消能率的主要因素. 结果表明：流量容积比、阶梯-深潭高长比和出流方式对阶梯-深潭的消能率有较大影响，随着和的增加，消能率逐渐降低；当大于0.084、大于1.100时，滑落式的消能效果普遍优于跌落式. 该研究结果为工程中选择适当的阶梯-深潭结构体型、尺寸提供了理论依据.

山区河流；阶梯-深潭结构；消能率；出流方式；流量容积比

在山区河流中，阶梯-深潭结构是很常见的地貌形态结构，研究人员通过研究深潭结构发布了以下成果：Wang Zhao等[1]研究发现阶梯-深潭不仅能消耗能量，控制河床侵蚀，还能提供生物栖息地；Church M等[2]用水槽实验和野外观测说明了阶梯-深潭的破坏机理；Yu Guoan等[3]将人工阶梯-深潭系统用于河流的生态修复；Anne Chin等[4]研究了阶梯-深潭的构成；Curran等[5]研究了山区河流中阶梯-深潭的空间分布规律. 但以上成果并没有对阶梯-深潭的形态和尺寸进行相关研究，因此在修建人工阶梯-深潭的过程中没有可参考或遵循的策略，导致过去的大部分人工阶梯-深潭系统并没有成功，所以现在需要对阶梯-深潭的形态和尺寸进行研究，以发现阶梯-深潭形态和尺寸的规律. 由于近几十年经济的快速发展，人类对大自然的无节制的开发和利用，导致河道下切侵蚀严重，造成了一系列严重的破坏，而阶梯-深潭系统能减缓水流速度、消耗水流能量，还能控制河床侵蚀下切，是大坡度山区河流的健康稳定结构形态. 研究阶梯-深潭结构的形态和尺寸方面的规律能为山区河流治理提供相关依据，为改善生态环境、预防我国山区河流的自然灾害提供参考.

1 阶梯-深潭结构模型

1.1 阶梯-深潭结构的模型分类

在野外众多类型的阶梯-深潭结构当中，根据水流从阶梯口流入深潭的不同方式，阶梯-深潭结构可分为滑落式和跌落式两种. 图1-a是一个典型的滑落式类型，它由缓坡连接阶梯再连接深潭组成，水流紧贴阶梯流入深潭. 缓坡与阶梯连接处是一个转弯口，且缓坡和阶梯段河床质以石块为主，其粒径在30～60mm之间；深潭中河床质主要为细沙和砾石，在深潭的边缘能观察到浮游目稚虫等大型底栖无脊椎动物；由于阶梯-深潭的存在，系统中水流出现了强烈的渗气，维持和改善了良好的水生环境. 跌落式是类似于小瀑布的类型，图1-b为典型的跌落式阶梯-深潭类型，整个结构由巨石发育而成，粒径大约为3～4m，跌水的形状类似V字形，跌入深潭的角度在80°～90°，深潭渗气强烈. 本研究在野外一共随机取样观察12个样本点，其中有6个为滑落式，6个为跌落式.

a.滑落式野外观测实例 b.跌落式野外观测实例

1.2 阶梯-深潭结构的消能率

在雅安地区众多的山区河流中（如濆江、周公河、雅砻江等），随机选取具有代表性的阶梯-深潭结构，取其中发育良好的一段，实测其几何参数并计算其消能率，推测影响消能率的主要因素，阶梯-深潭的结构模型如图2所示. 用流速仪实测阶梯口、深潭出口处的平均流速，用皮尺测量阶梯口、深潭出口的几何参数，计算流经整个系统的水流流量；此外，用床面结构形态测量排[6]测得深潭的深度、深潭口的出流深度以及阶梯的高度、深潭的尺寸等. 对阶梯-深潭上下游分别列能量守恒方程，以上下游的能量差比上游的总能量作为能量的消耗率可计算消能率，具体计算公式如下：

图2 典型阶梯-深潭结构示意图

2 消能率与流量和容积的关系

图3 消能率与的关系拟合曲线

3 消能率与阶梯-深潭结构尺寸的关系

图4 消能率与的关系拟合曲线

4 消能率与出流方式的关系

为探究出流方式对阶梯-深潭结构的影响，按照出流方式的不同，分别做出、与消能率关系的拟合曲线，具体如图5、图6所示.

图5 出流方式和对消能率的关系拟合曲线

图6 出流方式和对消能率的关系拟合曲线

野外观察发现，不同的出流方式，其深潭出口段的水流顺滑程度也不同，一般滑落式出流的水流表面破碎较小、水花较小、水流平顺，且滑落式的阶梯越平缓，出流的水流越平滑. 图5表明：当流量容积比大于0.084时，滑落式的消能率大于跌落式；当小于0.084时二者没有明显差别. 由此可知，当较大时，水流流入深潭的方式对消能率有明显的影响. 水流沿着阶梯流入深潭，阶梯段的沿程阻力会消耗一部分的水流能量，使得水流平滑地进入深潭中，从而让更多的水体参与紊动、旋滚，以提高水流的紊动耗散率. 而当较小的时候，深潭段的整体消能率较高，滑落式中阶梯阻力所消耗的能量相对较小，此时，滑落式与跌落式没有明显差别. 图6表明：当小于0.016时，滑落式与跌落式的消能率没有明显区别. 这同样也是由于当消能率较高时，阶梯所消耗的能量相对较小，因而滑落式与跌落式的消能率无明显差别；当在0.016～1.100时，跌落式的消能率大于滑落式，这有可能是跌落水舌的形状所导致的消能率的暂时的偏高；当大于1.100时，滑落式的消能率高于跌落式. 所以，只有、较大时，出流方式对消能率才有较大的影响，而在、较小时，则不明显.

5 结语

通过对野外阶梯-深潭结构的研究发现：当阶梯高度与深潭长度比和流量容积比增大时，阶梯-深潭的消能率将逐渐减小. 其中出流方式对消能率的影响是：当大于1.100，大于0.084时，滑落式的消能效果普遍优于跌落式. 在修建人工阶梯-深潭结构防治泥石流灾害或者控制河床下切的工程中，可以选择适当范围的流量容积比、阶梯高度与深潭长度比和出流方式来设计人工阶梯-深潭结构的形态和尺寸，使其结构发挥出消耗水流能量最大的效果.

文章中尚存在诸多不完善之处，如对于阶梯-深潭类型的划分应更加精细；再如，研究未考虑水舌形状以及入水的角度对消能率的影响.

[1] WANG Zhaoyin, MELCHING C S, DUAN Xuehua, et al. Ecological and hydraulic studies of step-pool systems [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 135(9): 705-717.

[2] CHURCH M, ZIMMERMANN A. Form and stability of step-pool channels：research progress [J]. Water Resources Research, 2007, 43(3-4): 215-231.

[3] YU Guoan, WANG Zhaoyin, ZHANG Kang, et al. Restoration of an incised mountain stream using artificial step-pool system [J]. Journal of Hydraulic Research, 2010, 48(2): 178-187.

[4] CHIN Anne. The morphologic structure of step-pool in mountain streams [J]. Geomorphology, 1999, 27: 191-204.

[5] CURRAN J C, WILCOCK P R. Characteristic dimensions of the step-pool bed configuration: an experimental study [J]. Water Resources Research, 2005, 41(2): 161-182.

[6] 余国安. 河床结构对推移质运动及下切河流影响的实验研究[D]. 北京：清华大学水利水电工程系，2008.

[7] WOHL E E, THOMPSON D M. Velocity fluctuations along a small step-pool channel [J]. Earth Surface Processes and Landforms [J], 2000, 25(4): 353-367.

[8] WILCOX A C, WOHL E E. Field measurements of three-dimensional hydraulics in a step-pool channel [J], Geomorphology, 2007, 83(3-4): 215-231.

[9] YU Guoan, WANG Zhaoyin, ZHANG Kang, et al. Restoration of an incised mountain stream using artificial step-pool system [J]. Journal of Hydraulic Research, 2010, 48(2): 178-187.

[10] HAYWARD J A. Hydrology and stream sediments in a mountain catchment [D]. Christchurch: Univ of Canterbury, 1980.

[11] WHITTAKER J G, JAEGGI M N R. Origin of step-pool system in mountain streams [J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1982, 108(6): 758-773.

[责任编辑：熊玉涛]

An Analysis of the Major Influencing Factors in Energy Dissipation Rate of Step-pool Systems

HUJun-feng1, QILi-jian2, HUANGHua-dong3, HUANGShi-yuan1

(1. Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. Department of Water Resources and Architectural Engineering,Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China; 3. College of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The step-pool system is one of the most important and widespread riverbed forms of mountain rivers. Exploring the shape and size of step-pool systems is of great significance to understanding the stability and fluvial process of mountain river beds. This paper purports to study the influencing factors in the energy dissipation rates of step-pool systems. It uses field experiments to measure the height of step, stream flow and volume to get the energy dissipation rate of a step-pool system. Research results show that stream flow volume ratio, the ratio of high and length for step-pool systems and the means of outflow have a significant effect on the energy dissipation. On one hand, with the increase ofand, energy dissipation decreases gradually. On the other hand, whenis larger than 1.100 andlarger than 0.084, the effect of the type of slide is often more significant than the type of falling. This research provides a theoretical foundation for selecting the proper size for step-pool systems in engineering.

mountain rivers; step-pool structures; energy dissipation; means of outflow; stream flow volume ratio

1006-7302（2015）02-0026-05

TV143

A

2014-12-30

四川省教育厅资助项目“阶梯-深潭系统防治泥石流的研究”（12ZB306）.

胡骏峰（1991—），男，四川成都人，在读硕士生，主要从事岩土工程以及工程水力学相关的研究.