16、弯曲、辫状和汇流河道中的水流与泥沙输移

弯曲、辫状和汇流河道中的水流与泥沙输移

在河流的流动过程中，弯曲河道和辫状河道是常见的河道形态，它们各自具有独特的水流和泥沙输移特征。下面将详细介绍这些特征及其影响因素。

弯曲河道中的水流与泥沙输移

1. 弯道表层泥沙分选模式
   在弯曲河道中，作用于河床上颗粒的力存在差异，这促成了弯道中常见的表层泥沙分选模式。最粗的颗粒集中在深潭底部，随着向上游和向边滩区域延伸，颗粒逐渐变细。
2. 弯道中的二次环流
   • 形成原因 ：弯道中通常会出现二次环流，这是由离心力和压力梯度力共同作用导致的。离心力使水流在弯道处形成水面超高，导致水面横向倾斜。
   • 水面高程变化计算 ：由于离心力作用，弯道中水流表面高程变化（Z）可由公式 (Z = \frac{U^2 w}{g r_c}) 确定，其中 (U) 是平均断面流速，(w) 是河槽宽度，(g) 是重力加速度，(r_c) 是弯道曲率半径。
   • 二次环流特征 ：离心力和压力梯度力通常局部不平衡。在水面附近，离心力超过横向压力梯度，水流向外流动；而在河床附近，压力梯度力占主导，水流向内（朝向内岸）流动，从而在较深河道的深泓线（河道最深部分）上形成螺旋运动或二次环流单元。典型的二次环流模式是：水面水流朝向外侧河岸，沿外侧河岸下沉，在河床附近朝向内侧河岸。

参数	含义
(U)	平均断面流速
(w)	河槽宽度
(g)	重力加速度
(r_c)	弯道曲率半径

graph LR
    A[离心力] --> B[水面超高]
    B --> C[水面横向倾斜]
    D[压力梯度力] --> E[与离心力平衡]
    F[水面附近] --> G[离心力>压力梯度力，水流向外]
    H[河床附近] --> I[压力梯度力>离心力，水流向内]
    G --> J[二次环流单元形成]
    I --> J

3. 弯曲河道中的水流和泥沙输移
   • 研究案例 ：以美国怀俄明州的泥泞溪为例，该河段排水面积为 235 平方千米，坡度为 0.0014，满槽流量为 1.6 立方米每秒，满槽宽度、平均深度和平均流速分别为 5.5 米、0.6 米和 0.35 米每秒，弯道中部曲率半径与河槽宽度之比约为 1.5，属于相对较陡的弯道。河床上有发育良好的床形（主要是沙丘），大部分泥沙以推移质形式输移，只有约 10% 以悬移质形式输移。
   • 水流特征 ：弯道中高流速区会随着水流通过弯道从内侧向外侧移动，最大床面剪切应力区也会逐渐向外侧河岸移动。二次环流和边滩（或深潭 - 边滩地形）对弯道水流的影响至关重要，显著影响弯曲河道中的水流和泥沙输移动力学。
   • 泥沙输移特征 ：最大推移质输移区的空间模式与最大边界剪切应力区相似，逐渐向弯道外侧移动。较粗和较细的沉积物在通过弯道时会交换位置，这至少部分是由于向内作用的二次流和向外作用的重力的相对大小造成的。此外，床形（如沙丘）的方向在通过弯道时会系统地变化，这对弯曲河道中的泥沙横向输移有重要贡献。

辫状河道

1. 辫状河道的类型

   • 多河道水流型 ：由裸露的河床分隔的多河道水流，水流可根据局部泥沙沉积情况在不同河道间频繁改道，常见于山谷冰川下游。
   • 稳定多河道型 ：即使在高流量条件下，也具有更稳定的多河道模式，子河道由明确的植被岛屿分隔。
   • 多深泓线型 ：在洪峰流量条件下，“辫流”由淹没的沙坝分隔。

2. 辫状河道的控制变量和特征
   辫状河道的形成和演变受到多种因素的控制，包括水流功率、宽深比、河道稳定性和泥沙供应等。辫状河道过程高度动态，河道形态、水流和泥沙输移之间相互作用迅速。辫状河道通常与高能环境、高泥沙负荷和不稳定的河岸相关联，其平面形态特征会随流量发生显著变化，暴露的沙坝数量和侵蚀 - 沉积序列也会随水位变化而改变。辫状河道的规模范围广泛，从实验室模型到拥有宽达 20 千米辫状平原的大型冲积河流都有。

辫状河道类型	特征
多河道水流型	由裸露河床分隔，水流频繁改道
稳定多河道型	高流量下稳定，子河道由植被岛屿分隔
多深泓线型	洪峰时辫流由淹没沙坝分隔

graph LR
    A[水流功率] --> B[影响辫状河道形成]
    C[宽深比] --> B
    D[河道稳定性] --> B
    E[泥沙供应] --> B
    B --> F[辫状河道形态变化]
    G[流量变化] --> H[沙坝数量和侵蚀 - 沉积序列改变]
    H --> F

综上所述，弯曲河道和辫状河道中的水流和泥沙输移过程复杂，受到多种因素的综合影响。对这些过程的深入理解有助于更好地认识河流的演变和生态环境。

弯曲、辫状和汇流河道中的水流与泥沙输移

不同类型河道的对比与特殊情况

1. 沙质河床与砾石河床弯曲河道对比
   • 弯曲形态不对称性 ：大多数关于河曲的研究是在沙质河床河流上进行的。而砾石河床和沙质河床河流在河曲几何形状和水流/泥沙输移过程方面存在显著差异。在推移质河道中，河曲存在不同类型的不对称性。例如在新西兰的一些河流中，会出现“过早”的拐点（即深泓线在谷中轴上游过早交叉），而不是像低能沙质河床河道那样出现延迟的拐点。这种过早的拐点会导致河道向上游迁移，并且常常伴随着“过宽”的河弯。
   • 近床水流方向 ：在高能弯曲河道中，大部分边滩上的近床水流方向朝向外侧河岸。这种水流方向的汇聚会在外侧河岸下游形成一个深冲刷区。此外，低流量河道有时不会占据外侧河岸的凹槽，而是穿过边滩，这似乎是高比能砾石河床河流的一个特征。
   • 河道类型过渡 ：当低流量河道穿过边滩时形成的浅深泓线以及过宽的河弯，有时被描述为介于河曲和辫状河之间的一种中间阶段的特征，这种河道配置被称为“伪河曲”或游荡型河道。

河道类型	弯曲形态不对称性	近床水流方向	低流量河道特征
沙质河床弯曲河道	延迟拐点	一般符合二次环流模式	通常占据外侧河岸凹槽
砾石河床弯曲河道	过早拐点，河道向上游迁移，有过宽河弯	大部分边滩近床水流朝向外侧河岸	有时穿过边滩

graph LR
    A[砾石河床弯曲河道] --> B[过早拐点]
    B --> C[河道向上游迁移]
    A --> D[过宽河弯]
    A --> E[近床水流朝向外侧河岸]
    E --> F[外侧河岸下游形成深冲刷区]
    A --> G[低流量河道穿过边滩]
    G --> H[浅深泓线和伪河曲特征]

2. 游荡型河道和相关现象
   • 河道特征 ：游荡型河道是介于辫状河和河曲之间的一种中间阶段。这种河道中，河道改道（即相对突然地从一个河道切换到另一个河道）频繁发生，中间的河道岛屿有时植被茂密。游荡型河段通常比相邻的更稳定河段更宽、更浅、更陡。
   • 术语区分 ：除了“游荡型河道”，“交织型河道”有时也用于描述介于河曲和辫状河之间的中间阶段，但一些研究人员对交织型、游荡型和辫状河的区分并不总是清晰的。

水流与泥沙输移过程总结

1. 弯曲河道总结
   • 水流方面 ：弯道中的二次环流由离心力和压力梯度力共同作用形成，导致水面倾斜和水流在水面和近床处的不同流向。高流速区和最大床面剪切应力区在弯道中从内侧向外侧移动，二次环流和边滩地形对水流影响显著。
   • 泥沙输移方面 ：最大推移质输移区与最大边界剪切应力区空间模式相似，较粗和较细沉积物在弯道中交换位置，床形方向的变化对泥沙横向输移有重要贡献。
2. 辫状河道总结
   • 类型多样 ：包括多河道水流型、稳定多河道型和多深泓线型，不同类型具有不同的特征和形成环境。
   • 动态变化 ：辫状河道过程高度动态，受水流功率、宽深比、河道稳定性和泥沙供应等多种因素控制，平面形态和沙坝、侵蚀 - 沉积序列随流量变化。
3. 特殊河道类型总结
   • 砾石河床与沙质河床差异 ：砾石河床弯曲河道在弯曲形态、近床水流和低流量河道特征上与沙质河床有明显不同。
   • 过渡类型特征 ：游荡型河道和伪河曲等过渡类型具有独特的河道形态和改道频繁的特点。

河道类型	水流特征	泥沙输移特征	特殊特征
弯曲河道	二次环流，高流速区和最大剪切应力区移动	最大输移区移动，粗细颗粒交换，床形影响输移	边滩和深潭 - 边滩地形影响大
辫状河道	受多种因素控制，平面形态随流量变化	输移与河道形态相互作用	类型多样，动态变化大
特殊河道（砾石河床、游荡型等）	近床水流方向特殊，低流量河道有特点	与弯曲和辫状河道有差异	存在过渡类型特征

graph LR
    A[弯曲河道] --> B[水流特征]
    A --> C[泥沙输移特征]
    B --> D[二次环流等]
    C --> E[最大输移区移动等]
    F[辫状河道] --> G[水流特征]
    F --> H[泥沙输移特征]
    G --> I[受多因素控制等]
    H --> J[输移与形态相互作用]
    K[特殊河道] --> L[水流特征]
    K --> M[泥沙输移特征]
    L --> N[近床水流特殊等]
    M --> O[与其他河道有差异]

通过对弯曲河道和辫状河道的水流与泥沙输移过程的详细分析，我们可以更全面地了解河流系统的复杂性和多样性。这些知识对于河流生态保护、水利工程建设以及水资源管理等方面都具有重要的指导意义。未来，还需要进一步深入研究这些过程，以更好地应对河流系统面临的各种挑战。