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。     

牛轭湖出口段淤积过程的数值模拟

牛轭湖出口段主要以悬移质淤积为主,其沙栓淤积过程尚缺少研究。结合黄河源黑河支流麦曲的观测数据,采用MIKE3模拟牛轭湖出口段沙栓的淤积过程。牛轭湖出口段淤积分为进口漫水与回流淤积两个阶段,前者仅在出口段的底部少量淤积,后者在横向环流作用下悬移质在出口段发生累积性淤积。牛轭湖出口段淤积的主要因素是悬移质中值粒径、上游来流量和悬沙浓度。来流量越大,引起出口段横向环流中心的紊动强度增大,从而促进泥沙悬浮,导致出口段两岸边滩更易淤积。悬移质浓度的增加会同时抑制出口段底层泥沙起动,促进沙栓的形成与淤高。     

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。     

滩地植被对漫滩水流裁弯影响的实验研究

斜槽裁弯是弯曲河流长期演变过程中的临界地貌过程，其形态动力学过程仍缺少在不同漫滩水流和植被条件下的实验研究。以黄河源区泽曲支流浩斗曲的局部弯曲河段作为原型开展概化动床水槽实验，研究在5种漫滩水流与植被条件下的斜槽裁弯过程，分析连续弯道在裁弯前后的河床冲刷调整和平面形态变化。结果表明，斜槽裁弯由颈口处的串沟过流冲刷形成，其串沟发育位置及过程不同，颈口宽度随时间呈近似线性缩窄变化，由漫滩水流冲刷形成的新河道展宽速率最快达到129 mm/h。各工况条件下河湾内河道中心线的位置均存在不同程度的横向迁移，其速率最快达到144 mm/h。斜槽裁弯发生后，“Ω”型河湾底部的冲刷面积大于河湾顶部位置。     

长江中游裁弯工程的效果

下荆江中洲子和上车湾裁弯工程实施已30多年.裁弯工程竣工后,对新河发展和老河淤积过程,裁弯段上游和下游河段的河道演变及水位变化等进行了长期的观测研究.观测分析结果表明:裁弯后新河按预期目标发展,老河相应淤积,老河同期淤积量大于新河冲刷量;裁弯后裁弯河段上游河道比降加大,河床冲刷,同流量的水位较裁弯前降低,其降低值自下游往上游减小,枯水期大于汛期;裁弯段以下至城陵矶河段未发生淤积,且略有冲刷,同流量的水位没有抬高,城陵矶至武汉河段在裁弯后至80年代中期曾发生淤积;裁弯后逐步实施新河及其上下游河段的护岸工程,目前下荆江河势总体稳定,裁弯工程效益得以长期发挥.     

黄河源区典型弯曲河流的几何形态特征

黄河源区支流白河和黑河位于青藏高原东北部若尔盖盆地的东部,河道蜿蜒曲折,是典型弯曲型河流,研究其弯曲河道的一般形态规律,有利于认识青藏高原弯曲河流的发育条件和形态特征。基于遥感图像、DEM和野外调查,利用ArcGIS提取了白河和黑河的河网,计算了沿程的纵比降,并测算了河道宽度、弯曲度、河谷宽度和牛轭湖数量。白河和黑河的统计河段平均弯曲度分别为1.68和2.46,黑河平均弯曲度大于白河的主要原因是黑河的多年平均流量和河道纵比降均小于白河。白河单位河长的牛轭湖数量沿程由多变少,黑河单位河长的牛轭湖数量沿程趋于均匀,且牛轭湖数量多于白河,说明黑河沿程保持更高的自然裁弯频率。     

讷谟尔河河道演变特性与河势稳定分析

讷谟尔河属于少沙河流,上游段和下游段属于蜿蜒型河流,中游段属于蜿蜒型和分汊型河道。规划河道在逐步完善的岸线规划工程下,河道演变空间越来越小,河流的裁弯,弯道的下移都将局限在一定范围内,且由于水利工程的实施河道将逐渐稳定下来。规划河段河道演变主要体现在河道的稳定性上,其整体趋势是越来越稳定,大的弯曲河流逐渐裁弯取直。     

长江簰洲湾河段的演变及整治探讨

本文对簰洲湾河段的河道概况、治理现状及存在问题作了较为系统的阐述,对河道历史的、近期的演变作了全面的分析研究。结果表明,在维持现有河势不变的前提下,本河段今后的演变仍呈凹岸崩坍、凸岸淤长、弯道更加弯曲、顶冲段下移的发展趋势。在此基础上提出了维持现有河势及实施裁弯工程两种规划整治设想,对于维持现有河势方案,河道整治工程采取平顺护岸型式,对重要险段进行守护,当采取裁弯工程时,应本着因势利导的原则,密切注意裁弯新河的发展,当新河发展到一定程度及进出口与上下游衔接较好时,及时采取措施,稳定新河及上下游河势,使裁弯工程达到预期的目的,通过对裁弯后上下游水位变化分析及河势演变预估认为:裁弯会引起上游水位下降,这对在一定程度上级解由于下荆江裁弯引起的城陵矶以下河段的淤积、水位抬高将起积极作用,而下游水位则略有抬高,但不致影响防洪,工程是可行的。     

北洛河下游改道后新河道稳定性及影响分析

根据实体模型试验,分析了北洛河下游改道后新河道的稳定性及对老河道的影响,结果表明:在设计5年水沙系列作用下,新河槽发生溯源淤积,与干支流水沙过程相适应后处于动态平衡状态,滩地淤积抬升,试验后断面形态变得宽浅,但河槽仍有一定过流能力;河床比降变缓,对改道口以上老河道的影响长度为7.5 km;新河道流路有向微弯发展的趋势,河势基本稳定,与原有河道的演变特征相近.     

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。