分汊河道水流特性研究综述

石磊

摘要:多汊河道常常伴随着主支汊易位、洲滩河床演变等问题，对于其水流特性研究有重要意义，本文从分流比、分汊河道水流紊动状态以及河道洲滩对水流运动特性等方面的研究进行综述分析，并提出有待深入的问题。

关键字：分汊河道、分流比、紊动流、河洲滩

1引言

天然河流通常分为分为蜿蜒型、分汊型、弯曲型、顺直型。对于分汊型河流，河流经过分流、汇流等一系列水流运动，致使河流水流条件相当复杂，而且分汊河流水沙运动可能造成主支汊易位，对于通航航道的选择造成困难，因此对水流运动特性进行研究具有重要意义。对于分汊河流水流运动特性，前人已经进行了较多的研究，本文将从分流比、分汊河道水流紊动状态以及河道洲滩对水流运动特性影响等方面的研究进行综述。

2 分流比公式

葛亮[8]基于最小能耗率的原理，推导出分汊河道的分流角和偏转角的计算公式。他进一步利用这些公式的变换形式，推导出了分流比公式：

式中，即主支汊分流比；取=0，即函数与x轴交点，为减小误差，进行大量的试算得到分流比大小。

童朝锋等[9]提出等含沙量法和动量平衡法两种分流比的估算方法。等含沙量法是指当河床稳定抗冲刷能力较强时，经过河道各个断面的流量，以及水流中挟带的含沙量总体较为稳定，分汊河道同样遵循这一规律，根据这一原理，总流等于各分汊河道流量之和，由此推导得到分汊河道分流比的计算公式。

式中，、主支汊为河道水深，、为主支汊过流断面面积。

另一种方法为动量平衡法，指在只有两支分汊的河道，对于一些不可冲刷的固定建筑物，在垂直河道主轴方向上，分汊处的两支分流水体遵循动量守恒定律，由此可以推出分汊河道的分流比。

式中， 、为主支汊过流断面面积；、为分汊角度

韩其为[10]等引入河相系数和由分流比决定的量水深作为相对引水深，同时提出了在分汊前干流断面上引水面的形态，从而建立了如下相对引水深与分流比的关系：

式中为纵坐标，从床面起算；、分别为垂线流速及其平均流速；为相对引水深；、为分汊前干流断面和分汊后主汊进口断面的平均水深。

以上方法皆为分汊河流水流分流比计算提出了可参考价值，可根据实际情况不同选择，更加精确的计算方法还有待研究。

3 分汊河道水流运动特性研究

顾莉等[1]研究指出上游流量的增大一般会使得紊流强度增大，形成紊流强度较大的区域一般出现在回流区与高流速区的交汇处，在一个纵断面上，中层紊动强度以及范围最大，下来是表层，在最后才是底层，分汊发生前、发生中、发生后，三个时期的紊动强度皆不同，

在支汊进口段断面的凹岸这一侧，存在最大的紊动强度，随着从底层到表层在这里等值线的分布呈现由凹岸倾向凸岸的趋势。在洲岛的尾部由于汇流作用，也会引起水流紊动，且强度较大。对于弯曲分汊河道的水流紊动现象，王伟峰等[3]进行了研究并且得到了脉动动能分布的等值线图，其研究发现在分汊河道中，存在河心洲现象，并且在洲头与洲尾处皆存在紊动现象，不过洲头的紊动强度比起后者更大，而且洲头的紊动会随着弯道水流的运动而运动，由洲头至洲尾逐渐扩散。紊动强度与流量呈正相关，某一支汊的流量更大，则会产生更大的紊动流，在一个断面上，紊动是从凹岸至凸岸依次减弱的。何艳[2]试验了复式分汊水槽模型，发现水流结构呈现强烈的三维特性，与单一分汊河道不同，复式分汊河道的强紊动区转移到江心洲边滩，汇流段和下游单一复式段产生顶托回流。李润祥等[5]设计了清水冲刷的对称分汊水槽试验。指出水流纵、横向流速主要受分汊形态即边界影响，水流横向流速分布有"小水作弯、大水趋直"的特点。断面流速横向分布与水槽断面形态和位置有关，主槽对水流的约束作用和滩槽的相互作用对水流的结构造成影响，分流河段水流具有"底部作弯、顶部趋直"的特征。在江心洲洲头二岸出现了纵向和横向流量的高值区段,在洲尾则出现流量较低数额区段,故需重点注意在江心洲洲头二岸冲刷和洲尾淤积。纪伟等[6]通过选择中国天然河道中的三岛型群汊河道,构建了三岛型群汊河道流量运动物理模式试验体系,结果显示:三岛型群汊河流的各支汉流速分配具有显著差别,各汊道的分配比例根据分汊点方位、分汊岛的几何边界情况,以及支汉道平面流量分配共同确定;当分汊点在主流区内时，分汊点的位置对各汊道分流比例有明显作用。赵聪聪等[7]通过物理模型，进行了分汊河流中有滩体存在时水流运动规律研究，其指出在滩体头部与尾部会形成低流速区，并且在洲头还会形成雍水形象，当河道被滩体一分为二时，左右汊道流速不具有对称型，两汊河道断面的最大流速会交替出现，如果滩体被完全淹没，在滩体位置会出现最大流速区域。

前人对分汊河道水流流速，从表层至底层皆进行了深刻有意义的研究，综合来讲，存在河心洲的情况下，在洲头会产生高流速区，洲尾会产生低流速，水流的分流与汇流作用使得在这两个区域会形成紊动区，其中，洲头的紊动强度较洲尾的紊动强度更大，这是因为在汇流区，水流交汇运动方向有交叉，会使得交汇的两股水流的碰撞，能量互相抵消一部分，因而损失一部分动能。并且对于弯曲河道来讲，洲头紊动水流随着河道水流运动至洲尾。若是在河心洲被完全淹没状态下，则河心洲所在的位置，流速要更大，遵循河床底高程越大，表面流速越大的现象。从一个断面来讲，凹岸一侧的流速较凸岸一侧更大，对应的紊动强度较后者也更大，即紊动强度曲线沿着从凹岸至凸岸减弱的规律。

4 结语

分汊河流作为常见的一种河流，其河床演变的实质是泥沙的淤积与冲刷，水流的运动状态决定了其挟沙能力大小，主支汊地位演变是航道选择重要的考虑因素，洲滩的存在使得水流流速发生较大的改变，目前以上问题，已经有较为成熟的研究，但是对于汇流口的紊动研究较少，此为以后研究重要话题。

参考文献

[1]顾莉,华祖林,褚克坚,等.顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究[J].河海大学学报（自然科学版）,2011,39(5):475-481.

[2]何艳.复式分汊河道三维水流特性及紊动特性研究[D].四川:西华大学,2022.

[3]王伟峰,王平义,郑惊涛,等.弯曲分汊河道水流紊动特性研究[J].水运工程,2009(4):117-122.

[4]姚仕明,余文畴.长江弯曲型分汊河道分流区水流泥沙运动特性[C].//第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集.2005:325-331.

[5]李润祥,朱殿芳,范钟轶,等.复式分汊水槽水流特性试验研究[J].水力发电,2021,47(9):123-127.

[6]纪伟.三岛型群汊河道平面流场与分流特性研究[J].云南水力发电,2023,39(5):41-45.

[7]赵聪聪,王平义,王梅力,等.不同分汊比下分汊河道水流规律试验研究[J].水运工程,2022(5):84-90.

[8]葛亮.分汊河道分流特性的研究与应用[D].江苏:河海大学,2004.

[9]童朝锋,严以新,孟艳秋,等.分汊河道分流比估算方法[J].水利水电科技进展,2011,31(6):7-9,90.

[10]韩其为,何明民,陈显维.汊道悬移质分沙的模型[J].泥沙研究,1992, (1):44-54.