弯曲河流裁弯过程与机理综述

裁弯是弯曲河流演变过程的一种限制弯道形态继续发展的地貌突变事件,弯道裁弯过程驱动新河道开始新一轮周期性演变。目前对于弯曲河流裁弯的形态动力学过程、发生模式与机理和裁弯后上下游河道的响应仍需要进一步系统的归纳和综述。基于弯曲河流的颈口裁弯和斜槽裁弯已有研究成果,根据野外观测与遥感解译、水槽实验和数值模拟成果对裁弯过程与机理的研究进展进行全面总结,综述人工裁弯工程的相关研究成果。弯曲河流裁弯演变的进一步研究方向应考虑漫滩水流、滨河植被和渗流作用对裁弯过程的影响。     

河湾水流动力轴线变化与切滩撇弯关系研究

在分析汉江中下游以及荆江河湾实测资料的基础上,阐述了河湾水流动力轴线弯曲半径变化与切滩撇弯之间的关系,大量相关实测资料说明当河湾的来水条件和河湾形态发生变化时,会造成河势与水流动力轴线走向发生变化,从而引起切滩撇弯的发生.用多元线性回归的方法拟合出河湾水流动力轴线弯曲半径的数学表达式,并提出了用水流动力轴线弯曲半径与河湾弯曲半径的相对值来判断切滩撇弯发生机率的方法.研究成果对于治河防洪工程的规划设计有一定参考价值.     

黑龙江干流同江哈鱼岛江段演变分析

哈鱼岛江段在黑龙江干流上是最典型的边滩切割段,裁弯比较大,漫滩水流深,滩面冲刷切割形成的串沟已成两条小河,各种切割改道条件已经形成,几场洪水就可能切割成新汊,进而夺流使主江改道,使国土成为争议区,必须尽早控制,所以修建哈鱼岛防切割防护工程是十分必要的、紧迫的建设任务.     

不同裁弯取直方案对河道行洪影响分析

采用二维数学模型,对成都市府河上游段河道裁弯取直工程进行了对比分析,探讨了弯颈落差全河段分摊和设置集中跌落两种不同裁弯取直方案对河道行洪的影响。结果表明,不同裁弯取直方案均会造成畸弯河道上游主槽水位降低和流速的增加,并引起老河湾水流动力的减弱;落差分摊方案对老河湾分流量及水流动力参数的消弱作用更大,上游河道水位降低更为明显;从流速沿程分布规律来看,设置集中跌落的裁弯取直方案将引起局部河段流速过高,对河道冲刷安全不利,且存在明显的噪声污染。但是,落差分摊方案将弯颈落差通过工程措施直接分摊到整治河段范围,更接近自然裁弯取直的河道演变过程,因此该工程方案更为合理。     

黄河源典型弯曲河流颈口裁弯事件及时间序列

基于2000-2016年的Google Earth和1990-2000年的SPOT高分辨率遥感影像,选取黄河源若尔盖盆地区域的黑河、德讷河曲、哈曲和白河支流瓦切河等4条典型弯曲河流,统计分析颈口裁弯遗留牛轭湖的形态参数,确定已知裁弯事件次序,建立裁弯事件的相对时间序列。研究表明,4条弯曲河流共计105个颈口裁弯事件,其中超过50%的牛轭湖残余弯曲度小于10。裁弯事件发生的相对时间范围为5～90年。黑河和德讷河曲上游河段的裁弯频率高;而哈曲和瓦切河下游河段的裁弯频率高。基于已发生颈口裁弯的统计分析推测:黑河、德讷河曲、哈曲和瓦切河未来80年将可能发生约39次裁弯事件。研究成果可为特定弯道的颈口裁弯过程的原型观测提供参考。     

近60年渭河下游自然裁弯成因分析

渭河下游是典型的弯曲型河道,过去60年频繁地发生自然裁弯,其触发原因、形成过程和演变规律缺少深入的研究。渭河下游的裁弯是河湾横向演变到一定阶段后在汛期洪水冲刷作用下发生临界突变,直接影响河道平面形态、上下游河床冲淤和局部河段的防洪安全。基于原型观测、水沙数据(1960-2013)和遥感影像(1990-2015),分析了渭河下游裁弯事件的水沙条件、影响因素和裁弯时空演变过程及其原因。渭河下游发生的18次裁弯的主要原因是受三门峡建库后渭河下游边界条件的改变,包括潼关侵蚀基准面淤积抬高,凸岸边滩及内侧平原缺少粘性成分,抗冲性差,同时也受渭河下游来水来沙条件的变化及其高含沙洪水的影响。     

天然河湾极限弯曲度

天然河湾是弯曲型河流最显著的地貌单元。河湾形态处在发展变化之中,它通过凹岸侵蚀和凸岸淤积,不断地蠕动和变形,弯曲度持续变大直至自然裁弯。为了探究天然河湾在自然裁弯之前是否存在极限弯曲度,利用Google Earth卫星图像,选取了长江、黑龙江、密西西比河等9条河流(包括支流)的高弯曲度河湾和牛轭湖作为统计样本,定义了河湾及牛轭湖的平面形态参数并予以测算。牛轭湖作为河湾裁弯后的残留河段,其弯曲度对河湾所能达到的极限弯曲度具有参考价值。研究表明在统计意义上天然河湾存在极限弯曲度,河湾发生裁弯时,其极限弯曲度并不趋向无穷大。河湾弯曲度的样本统计近似服从正态分布,初步确定河湾极限弯曲度变化区间[10,30]。当河湾的颈口河宽、平均河宽和曲流颈长逐渐变小时,河湾弯曲度均先迅速变小,到达极小值后逐渐趋于稳定。天然河湾形态具有分形几何特征,其分形维数主要集中于区间[1.10,1.35]。分形维数和弯曲度描叙河湾几何形态具有一致性,当分形维数增大时,弯曲度随之缓慢变大。     

黄河源区弯曲河流滨河植被与河湾迁移的关系

为了解滨河植被对河湾横向迁移的作用,以及河湾迁移对滨河植被群落分布的影响,对黄河源区兰木错曲弯曲河段崩塌块、凹岸植被生物量和凸岸植被多样性进行现场调查统计,给出了河湾迁移速率的估算方法。结果表明:其迁移速率与凹岸植被生物量呈指数关系;河湾凸岸边滩的泥沙沉积在不同重现期洪水作用下,形成不同的植被条带,对应于5种典型的植被群落;河湾的横向迁移对滨河植被生态系统具有调节作用,形成一种牧草先增多后减少再增多的草场更新机制,原生演替不断循环进行,以维持草场的长期可持续放牧功能。     

下荆江七弓岭弯道崩岸机理研究

三峡水库蓄水以来,下荆江末端七弓岭弯道颈口上下游河岸的崩岸速率加快,极有可能发生崩岸型颈口裁弯,导致下荆江河道强烈冲刷和河势横向调整。采用水文资料、遥感影像、野外调查和BSTEM数值模拟相结合的方法,分析了七弓岭弯道60余年平面形态变化,颈口上下游的崩岸速率及主控因素,揭示其崩岸过程与机理。七弓岭河段河岸上层为密集的芦苇根系,剪切式和悬臂式崩岸兼有,上游侧崩岸速率约为12.5 m/a,上游颈口处崩岸速率大于八姓洲其他部位,而下游侧略有淤积。考虑到潜水位变化和坡脚冲刷作用,在持续相同流量条件下比实际水位流量过程的崩岸速率更大。     

弯曲河流颈口裁弯不同阶段水流运动特性

为研究颈口裁弯水动力过程,以黄河源若尔盖盆地的弯曲河流裁弯观测资料为基础,基于不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程、k-ε紊流模型和有限体积法建立水动力数学模型,通过垂向σ坐标变换考虑自由水面的变化,分析颈口裁弯形成过程中的新河槽分流、三维流场变化和上、下游河道水流结构。伴随裁弯的逐步发展和新河槽的展宽,新河道宽深比和分流比均逐渐增加,分流比与宽深比之间呈线性正相关关系。裁弯初始阶段时,原河道的流速分布基本不受影响。由于新河道分流比逐渐增加,老河道流量、平均水深和平均流速均逐渐减小,新河道流量则逐渐增加,且平均水深和平均流速呈先增大后减小的规律。裁弯不改变颈口上游河道流场,明显改变裁弯下游弯道的弯顶处水流结构。     

荆江石首河段近50年河床演变分析

河道裁弯及三峡工程运用对荆江石首河段的河床演变产生了显著影响。结合实测水沙及地形资料分析,研究了该河段近50年来的河床演变特点,主要包括河床冲淤、平面及断面形态调整三个方面。分析结果表明:两次裁弯使得石首河段平面形态发生显著调整,1966-1975年该河段深泓平均摆幅达42.0m/a,且总体向左岸摆动。三峡工程运用后,大规模护岸工程的实施使石首河段的平面形态趋于稳定,深泓平均摆幅减小到29.8m/a,但北门口下段、调弦口弯道等位置的深泓摆动仍较为剧烈,使得这些局部河段岸线崩退现象十分明显。此外还分析了石首河段断面形态的调整过程,并建立了河段平滩河槽形态参数与前5年汛期平均水流冲刷强度的经验关系式,用于反映河段平滩河槽形态随水沙条件的变化趋势。     

下荆江熊家洲河段平面形态与河床冲淤变化

熊家洲河段位于长江中游下荆江尾端,其平面形态从顺直过渡到微弯再逐渐演变成S型,是目前荆江最为弯曲的河段。受水沙条件、河岸边界条件、自然裁弯和人工裁弯等因素影响,局部河势调整频繁。熊家洲凸岸斜槽裁弯形成新河槽,导致主流与支汊成为共生的分汊河势,改变了熊家洲出口段水流条件,进而影响下游七弓岭弯道崩岸速率和河床冲淤。为全面分析熊家洲河段平面形态演变过程和河床冲淤变化,选取枯水期遥感影像数据及沿程代表性断面进行分析。结果表明:熊家洲河段整体向下游蠕动且河道展宽,熊家洲弯道新生河槽呈冲刷扩大趋势,7 a平均展宽70 m;出流沿程断面深槽从左岸向右岸方向发展,熊家洲下游的深泓线偏向右岸;三峡水库建成运行后,深泓线开始贴近七弓岭凸岸,而原深槽回淤形成2个沙洲,经过七弓岭弯顶后逐渐向凹岸偏移,出熊家洲弯道后河道沿程呈现冲刷下切趋势。研究成果对目前该段河势控制工程的实施提供了参考意见,为下一步研究三峡水库运行的河势控制提出了思路。     

黄河内蒙古河段洪水演进与冲淤模拟研究

研究洪水过程在黄河内蒙古河段的响应可为该河段的河道整治规划和黄河上游水资源开发方案的确定提供技术支撑。本文采用三维水沙数学模型,对黄河内蒙古巴彦高勒至头道拐河段开展了不同量级洪水过程的模拟研究。结果表明:洪水演进方面,现阶段巴彦高勒到头道拐的洪水演进时间较20世纪80年代有所增加,并维持在7～9 d;其中三湖河口以上河段河槽是主要的行洪区间;往下游发展,水流漫滩程度逐渐加大。河床冲淤方面,通过合适的水沙搭配和持续的洪水过程可实现该河段淤滩刷槽的有效调控;且主槽冲刷强度同流量之间存在非线性响应关系,并在流量2 500 m~3/s时输沙能力达到最大。此外,典型弯曲河段裁弯取直过程的模拟表明,持续的大流量洪水过程是实现局部河段自然裁弯的必要条件,通过裁弯取直可有效提高河段的输沙能力。     

黄河下游洪峰流量对断面塑造作用的试验研究

根据泥沙动床模型试验结果,探讨了黄河下游不同洪水洪峰流量下断面的冲淤及形态响应、洪峰含沙量对河槽塑造过程中水流运动、泥沙冲淤、主槽形态及过流输沙能力影响等问题,研究结果表明,断面响应与洪峰流量大小、历时、来沙系数及初始断面形态有关,大漫滩与一般漫滩洪峰流量对断面塑造特性有明显的不同,弯顶断面和顺直断面具有不同的冲淤特性,研究得到大漫滩、一般漫滩及不漫滩洪峰流量下断面的响应模式,建立了典型断面形态参数对一般漫滩及不漫滩洪峰流量下水量、来沙系数参数响应的经验关系式.     

基于树木年轮的弯曲河流河湾迁移速率估算

针对河流源区缺乏长期的河流监测数据,难以确定河湾迁移速率的问题,通过2016年和2017年2次对黄河源区的实地考察和采样情况,以典型弯曲河流白河的9处河湾为例,根据河湾凸岸淤长与植被演替的关系,利用树木年轮分析判断树龄,依据树木位置和树龄的关系估算弯曲河流河湾迁移速率。估算得出白河9处河湾迁移速率为0.38～6.10 m/a,迁移速率与水流流速、河道比降、凹岸滩高和河谷宽相关,最大迁移速率出现在河湾弯曲度最小的9号河湾。     

牛轭湖形成机理与长期演变规律

牛轭湖是弯曲河流自然裁弯后遗留下来的浅水湖泊,其形态、数量和沉积特征可指示弯曲河道演变规律和冲积平原的洪水频率与环境变迁.通过牛轭湖形态定义和简化,运用一维水流泥沙数学模型描述了裁弯后原河道进口段的悬移质淤积过程,数值模拟表明,原河道进口断面悬移质浓度和沙栓长度是决定牛轭湖形成速率的关键因素,沙栓长度越短或悬移质浓度越高,进口段淤积速率越快.牛轭湖出口段淤积的主要原因是新河道的挟沙水流流速和浓度均高于原河道,主流倒灌形成环流进入相对低流速的出口段中产生悬移质淤积.统计分析10条自由弯曲河流的1 329个牛轭湖的卫星图像,认为Ω型、U型和月牙型对牛轭湖形态具有广泛的概括性,可指示牛轭湖3个不同的演变阶段(初期、中期和晚期).牛轭湖存在两种不同演变过程,第一种是牛轭湖不受新河道影响,经历Ω型、U型、月牙型三个阶段后变成冲积平原的陆地;第二种是新河道朝着牛轭湖方向横向演变,凸岸冲刷蚀退逐步蚕食牛轭湖,使得牛轭湖变成冲积平原和弯曲河道的一部分.     

水文实验六十年

丹江口及三峡水库运用后，坝下游急弯河段普遍出现了不同程度的切滩撇弯现象，以往研究表明弯曲河道的切滩撇弯是由于水流弯曲半径与河道曲率半径的不相适应所致，水流动力轴线摆动是发生切滩撇弯的基本原因之一，水流动力轴线摆动是水流动力因素与边界条件共同作用的结果。以往研究主要集中于水流动力因素变化对水流动力轴线摆动的影响，然而围绕水流动力因素与边界条件共同作用对水流动力轴线摆动幅度的影响研究较少。以三峡水库下游荆江典型弯曲河段调关－莱家铺河段为例，采用二维水流数学模型模拟了不同流量级条件下本河段的流场分布，绘制了 6 种流量级条件下的水流动力轴线，选取了多个不同曲率的典型断面，对比各个断面在不同流量级下水流动力轴线的摆动幅度，分析了河道曲率变化对水流动力轴线摆动幅度的影响。结果表明: 水流条件的改变是导致水流动力轴线摆动的主要因素，随着流量的增大，水流动力轴线的摆幅逐渐增大，顶冲点位置向下移动，河道的曲率大小影响水流动力轴线摆动对流量改变的响应，河段的曲率越大，这种响应越快，向凸岸侧产生的摆动幅度越大。结合数值模拟结果可以看出，在小流量作用下，水流动力轴线与深泓线基本一致，大流量作用下，水流动力轴线在弯曲河段大曲率处靠近凸岸，与实际发生的冲淤情况一致，这会导致弯曲河段大曲率处容易出现撇弯切滩现象。本次研究可为进一步深入研究三峡水库下游弯曲河道的演变规律提供参考。     

黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽试验研究

利用"82·8"型不同量级漫滩洪水,进行了黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽系列模型试验,结果表明:①漫滩洪水淤滩与刷槽之间有必然联系,滩地淤积量与主槽的冲刷量呈正相关关系,在同等水量、沙量条件下,滩槽冲淤量随洪峰流量的增大而明显增大;②不同量级洪水漫滩后,嫩滩的淤积量随洪峰流量的增大变化不大,二滩的淤积量随洪峰流量的增大而明显增大;③滩槽交换分三角形滩区交换和条形滩区交换,洪水过程中前者交换的频率大、时间短,后者交换的频率小、时间长;④上滩挟沙水流在运行过程中,具有明显的含沙量衰减及粒径分选作用,泥沙粒径分选细化的程度与含沙量衰减率呈正比,较大洪峰流量的上滩水流在三角形滩区上含沙量衰减率较大,较小洪峰流量的上滩水流在条形滩区上含沙量衰减率较大.     

宁夏苦水河沟湾段裁弯治理及效果分析

在天然河道的防洪治理中,对于裁弯目前还存在较大的争议。宁夏在清水河、苦水河弯曲性河道的治理中积累了一定经验,结合苦水河沟湾段连续河湾裁弯后15 a的运行情况,通过裁弯前后的河势、河道断面、行洪能力等方面的对比,总结裁弯后的运行效果。结果表明:沟湾段裁弯的河势较为稳定,裁弯对减少淹没面积、新增淤地效果较为明显,达到了设计意图。     

刚性植被作用下复合明渠水流特性实验研究

为了研究在漫滩上生长有刚性植被的天然河道水流特性,在单侧具有二级漫滩的实验室复合水槽中,在一级和二级漫滩上布设刚性植被,进行了水流实验。根据水深,设置了四种不同方案(方案1-方案4),每种方案下,又根据漫滩上是否布置植被及植被的布置方式,设置三种子方案。利用三维激光多普勒测速仪(3D LDV)和水位计等仪器对水流流速、水位及紊动强度等物理量进行实测,计算了不同方案下的水头损失和水力坡降等,对实测数据进行了比较分析。实验结果表明,与无植被情形相比较,漫滩上布置刚性植被时,会在一定程度上增大植被区水面坡降、水头损失、水力坡降及紊流强度;在植被数相同时,植被交错布置方式比平行布置方式对水力要素的影响较大。