长江上游边滩河段水力特性试验研究*

2022-07-29陈雅飞王平义王梅力赵聪聪郑飞东

水运工程 2022年7期

陈雅飞，王平义，王梅力，赵聪聪，郑飞东

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学国家内河航道整治工程研究中心，重庆 400074；3.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆 400074)

长江上游多为卵石推移质边滩，根据钱撼等[1]对于边滩堆积体的研究，边滩具有束窄河道，造成局部水深壅高、改变局部水流流态等作用；刘林等[2]阐述河段形态和河道水文泥沙特征，并分析了顺直河段交错边滩的演变特点及机理；闻云呈等[3]分析了靖江边滩的演变特性和上游来水来沙、近岸涨落潮等多因素对靖江边滩演变的影响；沈淇等[4]以靖江边滩为例，分析了弯曲与分汊河型过渡段靖江边滩年内动态冲淤演变规律及其成因；施骐等[5]利用室内概化模型试验研究顺直型河道交错边滩在不同水沙条件下演变的规律；李健等[6]研究了非恒定流条件长江中游边滩的冲刷机理；Kasvi等[7]分析了沙质河流弯曲河道边滩的形态变化和水力参数。目前国内已有研究河段的边滩多位于长江中下游及平原河流地区，对于长江上游卵石推移质边滩所在河段的水力特性研究甚少。为此，本文通过查阅长江上游四川宜宾至重庆段航道图，统计长江上游主要顺直边滩的特征参数，利用物理概化模型试验，研究边滩河段横向和纵向断面水深变化、主要断面近底平均流速、断面平均流速等水力特性，尝试将流场与鱼类生境选择联系起来。生境即生态环境，最早由Grinnell[8]提出，是指影响生物生活空间的各种因子，是自然界各种生物赖以生存的栖息地；Baily等[9]提出生境是生物群落或其中一种，在其内可以生活着许多野生动物或者一个种群。

1 概化模型设计

1.1 试验滩体

查阅长江上游四川宜宾至重庆段航道图(比例尺1:15 000)，统计长江上游主要顺直边滩的特征参数，选取12个顺直边滩进行概化研究，滩面宽与河道宽之比取中位数0.5，试验水槽宽3 m，滩宽按不利情况取150 cm；边滩最大长度与滩面最大宽度之比取中位数4.0，则边滩长宽比为4:1；滩体设计时迎水面坡度较缓取0.06；背水面坡度较陡取0.12；临水面坡度分别取0.167和0.200，并将两个滩体设为滩体A和B，平滩段考虑长宽比的影响取100 cm，滩头段长167 cm，滩尾段长333 cm。滩体的迎水面以及背水面分别采用斜平面，平滩段与滩头段、滩尾段采用圆弧线过渡，曲面的宽度随滩体的规模而改变。统计得到边滩高度的众数为20.0，选取高度相似比尺为1:100，流速比尺为10，模型滩体高度为20 cm，从而由边滩的高度设计试验水深分别为15 cm(未淹没)、20 cm(恰淹没)、25 cm(完全淹没)；试验流量Qk大小根据丰枯水年的规律选取90、120、150 L/s。图1为边滩三视图，图2为边滩试验图。

图1 边滩三视图(单位：mm)

图2 边滩试验图

1.2 试验方案及测点布置

本试验所用室外矩形水槽系统由重庆交通大学省部级水利水运工程重点实验室自行建造，尺寸为28.0 m×3.0 m×0.8 m(长×宽×高)，采用挪威Nortek科学仪器公司研制的高精度声学多普勒点式流速仪Nortek ADV(Vectrino)测量流速。

刘家富等[10]参照丁坝的流速分区方法，将堆积体影响下的明渠水流分成4个区段，分别为主流区、上游滞流区、下游回流区、下游主流区和回流区的过渡区，类比丁坝和堆积体的水流分区方法，本试验以边滩顺直段的中心所在断面作为中心线，将边滩附近的河段划分为滩头缓流区、主流区、滩尾回流区、主流区和滩尾回流区的过渡区。图3为边滩试验流态分区。

图3 边滩试验流态分区(单位：cm)

图4a)为边滩A水深流速测点布置，共设有18个横断面，滩体顺直段的中心位于中心线处，即10#横断面的位置，1#～3#断面间距为50 cm，3#～9#断面间距为30 cm，9#～12#断面间距为50 cm，12#～18#断面间距为1 m；纵向设置8个测点，V1～V6断面间距为30 cm，V6～V8断面间距为40 cm。

图4b)为边滩附近流速测点布置，用ADV测量边滩主流区的水流流速和顺直段紊动特性沿水深的变化规律。试验速率为1 cm/s，采样频率为100 Hz，数据精度为0.001 m/s，金属探头的垂直误差设置为1 mm，纵向精度误差和横向精度误差设置为5 mm。图中有13个横断面，每个断面布置4个流速测点，垂向流速测点的布置采用沿水深间隔1 cm布置，流速测点数量随着水深的增加而增加，测量内容主要有近底流速、垂向流速和平均流速等。试验滩体工况见表1。

图4 测点布置(单位：cm)

表1 试验滩体工况

2 水深变化规律

边滩具有束水壅水的作用，使得水流到达滩头缓流区时发生绕流混掺现象，其中顺直段的水流状态更加混乱并产生大小不一的运动漩涡，并不断向下游的滩尾区运动，与主流区水流交汇混掺后逐渐消失，航道中横向水深变化可以反映滩体对水流运动造成的阻力大小，纵向水深变化可以探究滩体对于航道的水深影响范围，从而给船舶安全航行提供参考依据。

2.1 横向水深变化

图5为边滩B在不同工况下主要横断面水深变化，考虑到滩体临水面坡度的存在将使波高仪无法水平放置而引起较大的误差，所以选择滩体前方1#～3#断面进行研究。水深折线变化总体趋势为波动中上升，距离右岸边壁最近的测点水深最高，原因是滩体具有束水壅水的作用，循环水流将要到达滩头区域时，水流开始受到滩体影响发生绕流混掺现象[11]，根据水力学中的连续性方程[12]可知，过水能力一定时，过水断面面积减小、流速增加，边壁水流受到滩体的影响相比滩体边缘水流而言滞后，从而出现壅水现象。

图5 边滩B不同工况下主要横断面水深变化

比较5个工况发现：1)河道平均流速相同时(v=0.2 m/s)，以河道纵向中心线为基准线，3#断面水深往往高于2#断面的水深，原因在于3#断面距离滩体位置更近，对水流的影响更大，而且运动的水流具有惯性力，遇到前方滩体阻挡时水流会先发生壅水现象，水深到达滩头前会逐渐升高，距离滩头越近水深越高；2)当流量一定时(Qk=120 L/s)，以河道纵向中心线为基准线，3个断面的水深变化差值随着水深的增加而减少，主要原因与水流的紊动强度等因素有关。

2.2 纵向水深变化

图6为边滩B在不同工况下主要纵断面水深变化，横轴为距离0#断面的距离；纵轴为水深；3条不同的水深变化折线(H1、H2、H3)分别表示纵断面上h6～h8的水深测点位置。主要纵断面水深总体变化趋势为波动中下降，但下降幅度很小，主要原因同样与水流紊动强度等因素有关。

图6 边滩B不同工况下主要纵断面水深变化

比较以上5组工况可知：1)河道平均流速相同时(v=0.2 m/s)，以河道横向中心线为基准线，h7测点水深往往高于h8测点的水深，原因在于顺直段水流最为混乱，由于滩头区与顺直段交界处水流绕流并与主流区水流混掺以及地转偏向力的作用，产生大小不一逆时针运动的漩涡，使得漩涡的外缘水深更高，而其内部由于流速大、气压小，水深相比漩涡外缘来说更低，h7测点的位置距离漩涡外缘边缘较近，所以相对水深往往高于h8测点的水深；2)流量为120 L/s时，以H2水深变化折线为例，水深增加，沿程断面的最大水深与最小水深之差逐渐减小，主要原因同上所述。

3 流速变化规律

鱼类生境因子主要有流速、水深等，其中流速为塑造鱼类生境的关键水力因子，且不同流速对于边滩河段的多样化地貌单元塑造以及鱼类洄游上溯行为等均有重要影响。为此研究边滩河段在不同工况下的流速变化及分布规律，对于今后研究边滩河段的冲淤变化规律以及地形变化后鱼类洄游行为等具有重要意义。

3.1 垂向流速分布

图7为边滩A在不同工况下三维流速沿垂向分布，结果发现：滩体主要断面流速测点的三维流速主要以横向流速为主，纵向流速与垂向流速很小，且垂向流速变化规律和横向流速基本相同，因此选取边滩A3组工况的9#～11#断面的第5个流速测点，重点研究横向流速沿水深方向的变化规律。横轴为距离河床底部的距离，0表示河床底部，距水槽底部1～2 cm，将其作为基准水深；垂向流速测量间距为1 cm，水深越深测点越多，纵轴为沿着水流方向的横向平均流速。横向平均流速总体变化规律为先增大再逐渐趋于平稳，当流量一定时，水深越浅，测点的横向平均流速越大，不同工况下的横向平均流速差值越大。工况2、3横向平均流速变化曲线趋势线的相关系数均大于0.9，拟合效果好。

图7 边滩A不同工况下三维流速沿垂向分布

3.2 近底流速分布

图8为不同工况下近底流速分布图，选取5组试验工况研究边滩B的近底流速分布规律，横轴为距3#断面距离；纵轴表示近底流速，不同工况下近底流速变化总体规律为先增加后减小，通常顺直段尤其是中心线处的近底流速最大，原因主要是运动的水流经过滩头与顺直段边界时水深局部升高，过水断面面积减小，发生绕流混掺现象[13]，并形成若干个大小不一的运动漩涡，其向下游运动经过滩尾与顺直段边界时过水面积增加，造成局部跌水，水流流速降低，漩涡逐渐变大，逐渐向滩尾段运动扩散而逐渐消失，运动漩涡在顺直段的临水面斜坡上产生，在滩尾回流区和过渡区消失。所以顺直段时漩涡的动能最大，相应的流速也最大。

图8 不同工况下近底流速分布

1)流量一定时(Q=120 L/s)，水深越浅，近底流速越大。工况2(120-25-0)、工况3(120-20-0)和工况4(120-15-0)的最大近底流速分别为0.213、0.307和0.441 m/s，平均近底流速分别为0.175、0.241和0.329 m/s，以上3组工况的最大近底流速的位置均为中心线处。主要原因是当流速一定时，流量越大水深也越大，随着水深升高，水流紊动相对减弱，使得近底流速相应减小。

2)河段平均流速为0.2 m/s时，流量越大，近底流速越小。工况1(150-25-0)的最大近底流速为0.263 m/s，平均近底流速为0.219 m/s；工况3(120-20-0)和工况5(90-15-0)的平均近底流速分别为0.241、0.254 m/s，最大近底流速(位于中心线处)分别为0.307、0.335 m/s。经计算得，同一试验工况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

图9为不同工况下平均流速分布，其中工况1最大平均流速为0.289 m/s，位置在中心线处，其他4组工况下最大平均流速的位置均在中心线下游；工况2的流速变化范围为0.16～0.24 m/s，最大平均流速为0.238 m/s；工况3的流速变化范围为0.21～0.34 m/s，最大平均流速为0.339 m/s；工况4的流速变化范围为0.18～0.52 m/s，最大平均流速为0.52 m/s；工况5的流速变化范围为0.20～0.37 m/s，最大平均流速为0.363 m/s；经计算，相同工况下的最大平均流速为断面平均流速的1.1～1.5 倍。曲线总体变化趋势为先升高后降低，当流量一定时，水深越大，河道平均流速越小；河道平均流速一定时，流量越大，平均流速越小。

图9 不同工况下平均流速分布

3.4 滩体附近流场分布

图10为相同流量条件下不同水深对应的流场分布，以横轴中心线为坐标原点，上游为正，下游为负，为减少边壁效应对流速的影响，纵轴的测量范围为10～290 cm，区域颜色越深代表此处的平均流速越大(除滩体区域外)，靠近滩体顺直段处流速大且水流紊乱，类比丁坝附近产生的局部流场[14]，滩体临水面会产生逆时针运动的漩涡，其不断向下游运动并变为若干个小漩涡，航行时需要特别注意此区域；胡杰龙[15]研究发现新型透水丁坝能够提高草鱼上溯成功率和增大丁坝附近草鱼平均聚集度，鱼类洄游上溯失败后也会选择滩体的回流区作为临时栖息地，对比3幅图发现：水深增加，平均流速的最大流速区有效面积占比逐渐减小，由工况2的24.96%降至工况4的8.52%，最大流速影响的范围随着水深增加而减小，故流量相同时，水深为影响流速大小的关键因素。