19、河道汇流处的水流与泥沙输移特性

河道汇流处的水流与泥沙输移特性

1. 汇流处的泥沙堆积与沙洲形成

河道汇流处是泥沙堆积或形成沙洲的区域。沙洲的位置和类型会随平面几何形态而变化：
- 对称汇流处 ：各支流与接纳河流之间的角度偏差大致相同时，汇流后的河道内可能形成泥沙沙洲，即中流沙洲（横向单元沙洲）。这是由于冲刷区侵蚀物质的下游堆积，以及汇流处水流和泥沙路径的汇聚所致。
- 不对称汇流处 ：沙洲常形成于下游汇流角下方。这与水流分离区的形成有关，支流在下游汇流角处的水流无法附着于河岸，形成低流速和回流的水流分离区，有利于泥沙沉积。而且，随着汇流角和流量比的增加，下游汇流角处形成的沙洲会变大，因为水流分离区的尺寸增大，使得泥沙被卷入和沉积的区域更大。

2. 汇流处的水流特性

2.1 剪切层

• 位置与形成 ：剪切层出现在两个流速不同的水流区域的界面。在汇流处，一个剪切层位于水流分离区边缘，另一个位于河道中部两支流汇合处。
• 影响因素 ：剪切层的具体位置随两支流的流量比和汇流角而变化。汇流角和/或流量比越大，支流的水流对主河道的穿透越显著。
• 湍流特性 ：剪切层是强烈湍流活动区域。Biron等人观察到与剪切层湍流相关的三种尺度的湍流波动：
  • 剪切层位置的变化（>80秒）；
  • 剪切层产生的大尺度涡旋（3 - 15秒）；
  • 大尺度涡旋内的短期高强度波动（0.5 - 1秒）。
    同时，剪切层内的下游和垂直流速的均方根值可达剪切层外环境流中湍流强度的五倍，这表明剪切层下的河床侵蚀和泥沙输移潜力可能达到最大。

2.2 螺旋流单元（二次环流）

• 形态特征 ：河道汇流处的二次环流通常表现为两个螺旋流单元，在水面附近汇合，在河道中部靠近河床处发散。
• 相关研究 ：众多研究在辫状河汇流处观察到二次环流。例如，Ashmore等人在Sunwapta河的对称（Y形）汇流处进行二维水流测量，清晰观察到二次流单元，且其强度随距冲刷区下游距离和距每个横截面上最深部分（深泓线区域）的横向距离增加而减小。
• 形成机制 ：过去提出了多种解释二次流单元形成的机制，包括平面形态导致的“流线曲率”、剪切层的扭曲以及与崩塌面和汇流处冲刷区相关的水流分离。McLelland等人的研究表明，尽管流线曲率可能增加汇流处二次流的强度，但河道尺度的二次流结构受每个汇流河道口崩塌面水流分离现象的强烈影响。

3. 水流与泥沙输移的概念模型

3.1 水流动力学模型

Best提出了一个河流汇流处水流动力学的描述性模型，适用于等深汇流和简化的不对称90°汇流情况。该模型包含以下区域：
|区域名称|特征描述|
| ---- | ---- |
|停滞区|在汇流角处形成|
|水流偏转区|支流的水流逐渐汇合，支流的水流向外侧河岸偏转|
|最大流速区|下游汇流角处的水流分离区迫使水流进入较窄的接纳河段，流速达到最大|
|水流恢复区|随着与汇流处距离的增加，水流逐渐混合、减速|

从停滞区开始，水流逐渐变化，最终在距离汇流处相当远的地方（约25 - 100个河道宽度）实现完全混合。

3.2 泥沙输移

该水流动力学模型与泥沙输移路径和分布相关。在等深汇流处，水流的相互偏转和分离导致各河道的泥沙负载在汇流处中部附近分离。随着汇流角的增加，水流的相互偏转加剧，泥沙负载的分离更加明显。这是因为主河道的水流和泥沙负载随着汇流角增加而逐渐局限于汇流处的较窄部分，且水流分离区的增大也增强了泥沙负载的分离。汇流角为15 - 20°似乎是产生水流和泥沙偏转以及大规模水流分离的最小值。

graph LR
    A[停滞区] --> B[水流偏转区]
    B --> C[最大流速区]
    C --> D[水流恢复区]

4. 河床不一致性的影响

4.1 不一致汇流处的特点

许多自然汇流处的河道深度不同，称为不一致汇流处。当不同深度的河道汇合时，河床高程差会引发一系列额外现象，形成复杂的三维流场。

4.2 混合层的扭曲

与等深汇流处的垂直混合层不同，不一致汇流处的剪切层会发生扭曲，其垂直轴倾向于较浅的支流。这种混合层的扭曲会引发复杂的三维水流特征，促进垂直流体上涌。

4.3 对水流混合的影响

河床高度不一致会显著影响水流混合速率。高度不一致性越大，混合长度越短，水流混合越快。当河床不一致性较小时，水流倾向于沿各自一侧的接纳河流分离；而当水位较低且河床不一致性较显著时，两汇合水流在较短距离内实现完全混合。

4.4 对螺旋流单元的影响

Biron等人认为，不一致汇流处的增强混合和流体上涌可能会改变甚至破坏螺旋流单元。侧向流体运动可能被误认为是二次环流。De Serres等人的实地研究和Bradbrook等人的数值模拟进一步证实了河床不一致性在控制汇流处湍流结构和改变河床形态方面的重要性。

graph LR
    A[不一致汇流] --> B[混合层扭曲]
    B --> C[垂直流体上涌]
    C --> D[水流快速混合]
    C --> E[螺旋流单元改变]

综上所述，河道汇流处的水流和泥沙输移特性受多种因素影响，包括平面几何形态、流量比、汇流角和河床不一致性等。深入理解这些特性对于河流生态、防洪和水资源管理等方面具有重要意义。

5. 影响河道汇流处水流和泥沙输移的关键因素总结

为了更清晰地了解影响河道汇流处水流和泥沙输移的因素，我们对前面的内容进行总结，如下表所示：
|影响因素|对水流的影响|对泥沙输移的影响|
| ---- | ---- | ---- |
|平面几何形态|对称汇流和不对称汇流会形成不同的水流模式，如对称汇流可能形成中流沙洲，不对称汇流易在下游汇流角形成水流分离区|影响沙洲的位置和类型，不同的汇流形态导致泥沙堆积位置不同|
|流量比|影响剪切层的位置，流量比越大，支流对主河道的穿透越显著|流量比变化会改变泥沙负载的分离程度，影响泥沙在汇流处的分布|
|汇流角|汇流角越大，水流相互偏转加剧，水流分离区增大|汇流角增加使泥沙负载分离更明显，15 - 20°是产生水流和泥沙偏转及大规模水流分离的最小值|
|河床不一致性|导致混合层扭曲，促进垂直流体上涌，改变水流混合速率|影响泥沙的混合和分布，高度不一致性使泥沙混合加快|

6. 水流和泥沙输移特性在实际中的应用

6.1 河流生态保护

• 栖息地维护 ：了解水流和泥沙输移特性有助于维护河流生态系统的栖息地。例如，螺旋流单元和水流分离区为某些鱼类和水生生物提供了特定的栖息环境。保持这些区域的稳定，可以保护生物的生存空间。
• 水质改善 ：水流的混合和泥沙的输移对水质有重要影响。合理的水流混合可以稀释污染物，而泥沙的堆积和输移可以吸附和沉淀污染物。通过研究水流和泥沙输移特性，可以采取措施改善水质。

6.2 防洪减灾

• 河道整治 ：根据水流和泥沙输移特性进行河道整治，如在汇流处合理设置堤坝和护岸，防止水流对河岸的侵蚀和泥沙的过度堆积，减少洪水的风险。
• 洪水预测 ：了解水流的流速、流向和泥沙的输移情况，可以更准确地预测洪水的发生和发展，提前做好防洪准备。

6.3 水资源管理

• 水库调度 ：在水库调度中，考虑水流和泥沙输移特性可以优化水库的蓄水和放水策略，减少泥沙在水库中的淤积，提高水资源的利用效率。
• 水资源分配 ：根据水流和泥沙输移特性，合理分配水资源，确保各地区的用水需求得到满足。

7. 研究展望

虽然我们对河道汇流处的水流和泥沙输移特性有了一定的了解，但仍有许多问题需要进一步研究：
- 复杂环境下的特性研究 ：目前的研究大多集中在简化的汇流模型上，对于复杂地形、多变流量和不同水质条件下的水流和泥沙输移特性研究还不够深入。
- 长期监测和数据分析 ：需要建立长期的监测系统，收集更多的数据，以便更准确地分析水流和泥沙输移的变化规律，为实际应用提供更可靠的依据。
- 数值模拟的优化 ：数值模拟是研究水流和泥沙输移的重要手段，但目前的数值模型还存在一定的局限性。需要进一步优化数值模型，提高模拟的准确性和可靠性。

graph LR
    A[研究现状] --> B[复杂环境特性研究不足]
    A --> C[长期监测和数据分析缺乏]
    A --> D[数值模拟需优化]
    B --> E[深入研究复杂环境下特性]
    C --> F[建立长期监测系统]
    D --> G[优化数值模拟模型]

8. 总结

河道汇流处的水流和泥沙输移特性是一个复杂的研究领域，受到多种因素的影响。通过对汇流处泥沙堆积、水流特性、概念模型以及河床不一致性等方面的研究，我们对其有了较为全面的认识。这些研究成果在河流生态保护、防洪减灾和水资源管理等方面具有重要的应用价值。然而，为了更好地应对实际问题，我们还需要进一步开展相关研究，不断完善我们的认识和方法。

在实际应用中，我们可以根据水流和泥沙输移的特性，采取相应的措施，如进行河道整治、优化水库调度等。同时，我们也应该关注研究的发展趋势，不断探索新的研究方法和技术，以提高我们对河道汇流处水流和泥沙输移特性的理解和应用能力。

总之，深入研究河道汇流处的水流和泥沙输移特性对于维护河流生态平衡、保障人类的生产生活具有重要意义。我们应该重视这一领域的研究，为河流的可持续发展做出贡献。