1、1自然河道演变过程的模型试验研究摘要：在天然情况下，河床总是处在不断地变化和发展过程中。河床的演变与国家经济密切相关，直接影响农业和工业生产。本课题主要研究平原河流自然情况下的演变，根据平原河道形态、演变特性、水流运动等方面的不同将河道分成顺直型、弯曲型、分汊型和游荡型四种。本试验采用自然模型法模拟自然河流，按照提前设计出的河宽、河深、流量和比降等参数，人工塑造河道，利用水流的循环流动不断冲刷河道，使其自然演变。冲刷稳定后，测量河道外部形态和内部水流运动轨迹等数据进行分析。通过几组模型试验发现河道外部形态及流量的变化将会很大程度地影响河道的演变，演变后河床形态和河道内的流速分布出现明显的差异。
2、 关键词：河道演变；自然模型试验；流速分布 Abstract: In natural condition, the riverbed is always in constant change and development process. And it is closely related to the national economy and riverbed evolution and has a direct impact on the agricultural and industrial production. This paper mainly studies the evolu
3、tion of plain river natural conditions, according to the evolution of plain river morphology, characteristics, water movement and other aspects of the different river into straight. After measuring the river 2erosion, it discusses the external form and internal flow trajectory data analysis. Through
4、 several tests found that the river morphology and flow rate changes will greatly influence the evolution of the evolution of river channel morphology and channel, the velocity distribution within the present obvious difference. Keywords: natural river channel evolution; model test; velocity distrib
5、ution 中图分类号：TV147 文献标识码：A 文章编号: 作者简介：吕巧志(1975 )，男，辽宁鞍山人，从事港口航道施工，河北省沧州市沧州港务集团有限公司。 The research on evolution process of natural channel by model test LV Qiao-zhi, DING Chang-sheng, LIU Yong-hui (Cangzhou Port Group CO.,LTD,Cangzhou 061113, China， Tianjin Research Institute for Water Transport Engine
6、ering ,M.O.T, Tianjin 300456,China) Abstract: In natural circumstances, river channel is always in constant change and development process. The evolution of river channel is closely related to the countrys economy, will directly impact agricultural and industrial production. 3The main research of th
7、is paper is the evolution of natural plane river. According to the differences of the morphology of plain river, the characteristics of the evolution and movement of stream, the river is divided into straight-type, curved type, branching and wanderding four. The method of simulating a natural river
8、is natural model. The making of the channel is according to the design of river width, river depth, volume and the slope of the river, then measure the river morphology and the internal flow path after a few days water erosion. The changes of river morphology and volume will impact the evolution of
9、the channel by a large degree, river morphology and river flow distribution will appear obvious differences. Key words: the evolution of channel; natural model test; velocity distribution 0 引言 河流演变是指河道在自然情况下或者受人工建筑物干扰下所发生的变化，本试验主要研究自然情况下的河流演变。河道的运动是水流和河床相互作用的结果，而水流与河床的相互作用要以泥沙为纽带。通常情况下，泥沙淤积使河床升高，泥沙冲
10、刷是河床降低。河道发生变化的根本原因是输沙的不平衡，当河道的来沙量与水流的挟沙力不相适应时，河床必将发生冲淤变化1-2。 平原河流有顺直（微弯） 、弯曲、分汊、游荡等四种主要类型3 。4为了研究平原河流的演变特点与规律，观察不同河宽、流量、比降等条件下的河床演变现象和发展变化，采用自然模型试验模拟天然平原河流，按照设计的河床基本参数对河床进行冲刷，根据河床冲刷形态变化和流速分布分析河床演变规律。 1 自然模型设计理论 自然模型试验的主要特点是对于按水流及泥沙运动规律所导出的相似条件的满足不作严格要求，但模型小河的河流则必须力求与原形相同。采用这种模型试验方法的基本出发点为： (1) 由实验室中
11、水流所形成的小河可以看成是尺寸较小的自然河流，其河床形式及演变过程与同类型的自然河流大体相似。 (2) 模型小河与天然河流是否相似，主要是根据模型小河的河床形式和演变过程是否与天然河流相似来判断4-5。 1.1 自然模型设计方法 (1) 自然河工模型计算式 计算自然模型比尺时所用的主要关系式有： 水流连续方程： (1) 水流阻力公式，曼宁公式： (2) 河相关系式： (3) 式中 Q 为流量；B 为河宽；H 为平均水深；v 为平均流速；J 为纵比5降；n 为曼宁系数；为河相关系数，为经验数。 (2) 自然河工模型计算式 (a) 水平比尺： (4) 式中 L 为长度；B 为宽度。 (b) 垂直比
12、尺： (5) 式中=，根据原型和模型实测资料决定。 (c) 比降比尺： (6) (d) 流速比尺： (7) (e) 流量比尺： (8) 1.2 设计模型的限制条件 设计自然河工模型时除根据上面所述公式进行计算外，尚应满足下列限制条件： (1) 模型流速在试验中所考虑的各级流速下均大于模型沙的起动流速 v。 (9) (2) 模型比降应考虑模型造床过程类型的要求，模型比降不能过大或过小。 62 试验设计 2.1 试验设备和测量仪器 本课题三组实验均在天津大学河流海岸工程研究室河流动力过程模拟实验室进行，实验室内设有水池，水池内铺有实验用沙，水池的具体尺寸见下图： 图 1 水池平面图 Fig. 1
13、Plane graph of the pool 图中中间的池子铺有试验用泥沙，供模型小河的塑造；两边的池子为蓄水池，供河道冲刷循环使用。 试验过程中需要测量大量的数据，其中岸线的测量用到米尺，地形测量（横断面和纵断面）用到了由测针改造后的呱呱机和架设在固定轨道上的移动测桥。此外，还有用于测量河道粒子轨迹的 PTV 测速系统，用于控制河道高程的水准仪和保证冲刷用水循环使用的离心泵以及供水管道。 2.2 试验分组 表 1 试验分组情况 Table 1 Grouping experiment 3 试验数据结果分析 73.1 纵向变形 第一组试验初始河槽坡降为 7，河宽 30cm,河深 5cm，冲水
14、39h 后，河床形态基本稳定；第二组试验初始坡降为 7，河宽 25cm,河深 7cm；第三组试验初始坡降仍然是 7，河宽 20cm，河深 5cm，放水 19 小时基本达到稳定状态。河床纵断面图如下： 图 2 河床冲刷稳定后河底纵断面图 Fig. 2 Vertical section graph of river bottom after the channel scoured stability 从图中可知，第一、二组试验冲刷稳定后的河床坡降从 7减小到3.5左右，第三组试验减小到 6左右。原因是河槽展宽伊始，河岸稳定性较差，大量沙子由于侵蚀浸润作用进入河槽，使河床抬高；另一方面，泥沙运动以沿
15、程方向的推移质输沙运动为主要形式，水流挟沙作用将大量泥沙从上游挟带到下游，从而导致下游床面大大抬高，坡降减小。对于恒定流量和恒定含沙量的情况，河道的最优运行效率表现为在可能的范围内使输运一定量泥沙所消耗的水流机械能最小，也就是通过自我调整，最后得到允许范围内的最小河道比降。 3.2 横向变形 (1) 第一组试验： 8图 3 第一组试验河床岸线示意图 Fig. 3 River shoreline graph in the first test 冲水 7 小时后，河道明显变宽，岸线不再是直线，有向弯道发展的趋势，并且可以看到比较明显的沙纹。 冲水 26 小时后，可以看出河道宽度继续变大，岸线蜿蜒曲
16、折，中水河床比较顺直或略有弯曲，在 5-5 断面附近出现江心洲，河道类型由顺直演变为分汊型河道。江心洲是位于河道中间的泥沙淤积体。在微弯河段上，当存在展宽的边滩时，不利于水流运动，由于水流动力轴线的取直，使边滩受到切割，形成江心滩，将河身分成两段。江心滩面积扩大往往发展成江心洲。 经过 39 小时的冲刷，河道宽度继续增加，河底地形和坡降等基本达到稳定，最终演变成分汊型河道，出现明显的江心洲，江心洲体积有所增大，而且向下游移动。河道中沙纹比较多而且排列比较规则。 (2) 第二组试验： 图 4 第二组试验河床岸线示意图 Fig. 4 River shoreline graph in the sec
17、ond test 输水 10 小时后，河道两岸出现犬牙交错的边滩，主流左右弯曲，河床深泓线呈波浪状起伏，浅滩与深槽水深相差不大，符合顺直河道河床演变的基本特征。 95-5 断面附近，两个边滩中间处为不太明显的浅滩，浅滩两测为深槽。平原河流演变纵断面起伏不定，河床凸起之处为浅滩，凹低之处为深槽。浅滩的类型包括正常浅滩，交错浅滩和复式浅滩等，图中浅滩属于第一种。 浅滩是冲积河流上不可缺少的一种泥沙淤积体，是水流与河床相互作用的结果。由于河床中边滩等淤积体的存在，水流绕过淤积体流动时，必然形成反向环流。在环流的转折点处，由于反向环流的相互干扰，使水流挟沙力有所降低，导致泥沙落淤，形成浅滩。由此可见浅
18、滩的产生是在成型淤积体和环流存在的条件下，调整输沙平衡的结果6。 (3) 第三组试验： 图 5 第三组试验河床岸线示意图 Fig. 5 River shoreline graph in the third test 可以看出，河道经冲刷有一定的变形，但不像前两组那么明显，由于冲刷时间有限，没有形成边滩、浅滩、深槽和江心洲等地形，坡降及河床形态变化不大。 4 结语 (1) 三组模型试验的初始河底坡度较大，均为 7，随着试验对河道持续的冲刷，坡度均出现一定程度的减小，原因是河槽展宽伊始，河岸10稳定性较差，大量沙子由于侵蚀浸润作用进入河槽，使河床抬高；另一方面，泥沙运动以沿程方向的推移质输沙运动为
19、主要形式，水流挟沙作用将大量泥沙从上游挟带到下游，从而导致下游床面大大抬高，坡降减小。对于恒定流量和恒定含沙量的情况，河道的最优运行效率表现为在可能的范围内使输运一定量泥沙所消耗的水流机械能最小，也就是通过自我调整，最后得到允许范围内的最小河道比降。 (2) 河道在外型尺寸（河宽、河深、比降等）及流量的改变对河床的演变有很大的影响。 (3) 经过三组试验不仅成功模拟了几种典型河型，而且出现了诸如江心洲、边滩、浅滩、深槽和沙纹等比较常见的河流地形，通过分析每种地形出现的原因、形成条件以及水流、泥沙运动特殊性等，比较全面的认识河床演变。分析河床演变要从现象入手，但不能仅仅停留在现象，在今后的工作与
20、河流研究中，应通过试验积累关于河床演变的经验，从不断变化的河床演变现象中总结出不变的规律，并利用这些规律做出对河床演变趋势的预测，让河道向所希望的方向演变，使其具有最好的经济和生态效益。 参考文献： 1 王绍成.河流动力学M.北京:人民交通出版社,1995. (WANG Shao-cheng. River dynamicsM. Beijing: China Communications Press, 1995.) 2 张海燕.河流演变工程学M.北京:科学出版社,1990.(ZHANG Hai-yan. River Evolution EngineeringM. Beijing: Science
