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。     

漫滩水流流速垂线分布规律的研究

根据顺直河道漫滩水流的运动特点，将复式河道的横断面分为主槽平衡区，滩槽交互区，滩地平衡区及边壁区等４个区，在此基础上，结合水槽试验资料，分析得出漫滩水流各区的流速垂线分布规律，并对现有的对数流速公式进行了修正。     

漫滩水流悬移质分布规律的试验研究

通过水槽实测资料的分析，总结出主槽及滩地含沙量与断面含沙星的关系。根据复式河道主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等四个区的水流运动特点，对每个区的含沙量横向及垂向分布特性进行了分析。在此基础上，对灌槽交互区的含沙量横向分布进行了理论探讨，经实测资料验证。结果吻合较好。     

漫滩水流的水流结构及其悬沙运动

本文通过漫滩水流的水槽试验,对其水流结构和悬沙运动作了比较详细的分析.水流漫滩后,随着滩槽之间水流动量的横向传递,泥沙也随之发生横向输移;在一定水位范围内,主槽的流速、含沙量和输沙率都较平滩水位的小,滩地的则增大.并对平滩流量作为造床流量,作了理论上的解释。     

漫滩水流特征综述

水流漫滩后,主槽流速减小,滩地流速增大,但主槽流速大,滩地流速小,滩槽之间流速的差别使滩槽交界面上产生剪切力,两部分水流在交界面上发生动量交换,滩槽交界面产生大量次生流、旋涡,并伴随着大量的能量耗散。滩槽的边壁切应力分布不均,尤其是滩槽交界面处。流速和切应力不均匀分布导致了主槽水流含沙量降低,滩地水流含沙量升高。从五方面对漫滩水流特征的研究成果作简要概述。     

复式河道漫滩水流计算方法研究

对复式顺直河道和复式游荡型河道中漫滩洪水的计算方法进行了研究.其中，对复式顺直河道，从Shiono-Knight方法出发，将二次流项归并入雷诺切应力项，并将主槽和滩地的流速分布曲线直接相接，推导出一套不需联立求解系数方程组的漫滩水流流速和床面切应力分布的计算公式以及床面平均切应力的解析计算公式；对复式游荡型河道，建立了一种新的上层水流计算方法.文中的计算结果与前人的实验资料基本一致，初步表明文中的方法是合理的.     

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草,通过水槽试验,探讨了不同滩地植物作用下的浸滩水流紊动特性。试验结果表明,纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布;时均流速与采样时间的长短有关;横向动量交换比垂向动量交换大,横向动量基本上是主槽向滩地传递;不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后,水流的紊动强度增强。纵向和垂向的紊动强度相当,都服从S型分布。     

考虑滩地横比降漫滩水流二维流速解析解研究

黄河下游河道滩地横比降较大,大洪水时漫滩行洪,滩槽水沙交换剧烈,考虑滩地横比降的影响既符合实际又具有较强的理论意义。漫滩水流流速是研究河流横断面形态调整的重要水力参数,目前对其二维解析解的研究均未考虑滩地横比降的影响。在前人研究基础上,推导出考虑滩地横比降影响的漫滩水流运动方程,拟合无因次横向涡黏性系数计算公式,求解滩地垂线平均流速横向分布的解析解,并利用实测资料进行验证。验证结果表明该解析解可以用来计算滩地垂线平均流速横向分布。     

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.     

漫滩挟沙水流流速横向分布研究

在建立漫滩挟沙水流掺混区横向涡粘性系数表达式的基础上，根据水深平均的水流运动方程，得到掺混区流速横向分布公式，经验证，该公式与实测资料基本上吻合。     

密西西比河下游河道裁弯工程影响与近期演变分析

本文研究了密西西比河下游河道裁弯工程前（19世纪80年代至20世纪30年代）、后（1943年至1992年）河道比降与水流功率的变化；研究河段上自新马德里（密苏里州）下至纳齐兹（密西西比州），全长约900km；具体分析了裁弯工程前、后6个主河段及13个次河段的河道演变。（1）研究表明：研究河段目前的河道比降与水流功率均较裁弯前有较大幅度的增加，其中增幅最大的是富尔顿（田纳西州）至莱克普罗维登斯（路易斯安娜州）河段，其河道比降与水流功率分别增加了27-36％和20-38％；裁弯工程上、下游河段的河道比降与水流功率也有所增加，但其增幅相对较小。（2）过去研究表明：1932年之后，研究河段的床沙非但没有粗化，反而总体发生了某种程度上的细化；由于密西西比河下游河道不是缺沙河道，因此，水流功率的增加和泥沙中值粒径D50的恒定不变只能通过床沙质输沙量的增加来予以补偿，以达到河道新的输沙平衡。（3）过去研究还表明：20世纪密西西比河的河道输沙量是减少的，但由于这一结论主要是依据于实测总输沙量的分析结果，因此并不能据此认为下游河道床沙质输沙量也相应减少了；本文研究表明：裁弯后的床沙质输沙量大于裁弯前，这是因为：裁弯工程直接导致的次河段水流功率的增加，造成了下游河道的冲刷，从而增加了下游河道的床沙质输沙量；事实上，裁弯工程实施后，在通过河道演变调整达到目前新的动态平衡过程中，这部分新增的床沙质输沙量起着十分重要的作用。（4）研究河段目前的平衡状态可概括为：上游河段保持动态平衡，中游河段通过极度冲刷、下游河段通过淤积达到新的动态平衡；仅考虑河道比降与水流功率的变化并不能完全解释裁弯后研究河段的河道演变趋势，还必须同时考虑裁弯工程上游河段河道演变引起的上游河道来沙量的变化。     

漫滩高含沙水流滩槽水沙交换的形式与作用

本文根据游荡型河段概化模型的试验成果，分析了漫滩高含沙水流滩、槽间水沙交换的主要形式，论述了滩、槽间泥沙同时进行质（粒配）与量（含沙浓度）的交换过程，指出了这种交换的单向性，认为正是由于滩、槽水沙的交换，滩地才不断淤高，滩唇得以形成，高含沙洪水期间才会出现水位异常升高的现象，以及高含沙水流才能沿程调整变化。     

复式断面交汇水流滩槽交界水流特性试验研究

通过在室内自制水槽模型内布置网格,利用先进的声波多普勒流速仪（ADV）测取网格内各点流速。再把各点的流速数据输入软件,通过做切片云图和分析流速数据的方法,研究复式交汇河道滩槽交界水流流态及某一特征断面的剪应力分布。结果表明：滩槽交界附近存在一个流速间断面,在这个区域水流所受阻力较大;复式河道断面的平均流速与剪切应力呈线性关系。     

河道植被对水流运动影响研究之现状

研究植被与河道水流的相互作用,对于防洪和生态环境治理具有实际意义.总结了沉水植被和挺水植被对水流的阻力的研究进展情况.针对单一类型植被对水流的阻力已经开展了物理模型试验研究,但试验中忽略了植被的生态特征变化对水流运动的影响.已有的植被对水流阻力的数值模型,是通过调整河床糙率来考虑沉水植被对水流的阻力,采用圆柱绕流的阻力公式计算挺水植被引起的水流阻力.今后在分析植被对水流运动影响的研究时,需要进一步考虑植被的多样性和生态特征.     

复式河槽漫滩水流流速分布二维解析解

通过水深平均纵向与横向流速的乘积(UV)d和垂线平均流速的平方Ud2获得了二次流项系数K的横向分布;根据(UV)d和Ud2在各区域内的关系,引入常系数a和b来表征二次流,进而给出了新的垂线平均流速二维解析解.该解析解表明,b只出现在水深线性变化区域的解析式中.分析发现,a的符号代表各区域内二次流的旋转方向,二次流强度则由a和b的取值共同决定;各区选定合适的a值可以得到较好的计算结果,b值对流速分布的影响主要在主槽区和主槽边坡区.采用英国FCF不同系列试验资料对计算模型进行验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好.同时,比较了a和b在不同断面形态的复式河槽中的取值,并就其变化规律进行了分析.     

植被对河道水流及岸滩形态演变影响研究进展

植被作为河流系统重要的阻力因素,在河道形态演变方面发挥着至关重要的作用。植被地表结构改变了河道水流阻力、河床切应力、流速分布及水流紊动特性,植被根系增强了岸滩土体强度和稳定性。从植被地表茎干结构对水流特性影响和植被地下根系加筋作用对岸滩稳固影响两个方面的研究进行了回顾和综述,并指出今后在植被水流研究方面,可进一步考虑植被枝、叶对水流特性的影响,加强对柔性植被变形、摆动引起的动边界问题的研究,以及全面考虑河道形态边界条件的影响,特别是含植被的分汊河道水流特性还需深入研究;在植被根系固土护岸方面,可同时考虑岸滩土体非均质性、河道水流对岸滩的侵蚀冲刷作用及水体渗流对岸滩土体力学特性的影响;在植被河道形态演变预测方面,可以综合考虑含植被河道的水动力学及土力学问题,以及两者间的互馈响应机制。     

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。     

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。