主次流与弯道成因机理的实验研究

This study proposes a series of laboratory experiments to quantify the role of main flow and secondary flow in the development of meandering channels. Meander evolution, as a complex morpho-dynamic process, has been the focus of research challenging river engineers for decades. Secondary flows in meanders, including topography-driven and curvature-driven secondary currents, have been considered primarily responsible for the growth of sand bars and the erosion of concave banks for a long time. Other researchers assume that the rate of bank erosion is proportional to the magnitude of excessive near-bank velocity or shear stress. However, none of the above two hypotheses is satisfactory to explain all the phenomena occurred in field and laboratory experiments. The proposed study will validate author's new hypothesis, i.e. the evolution of meanders is dominated by the magnitude and position of longitudinal gradients of main flow velocity. Outputs of the study will benefit future river management.

弯曲型河道的形成与演变是国内外江河整治的重点，也是河流泥沙学科的重要课题之一。长期以来学术界曾普遍认为弯道次生流是通过横向输沙直接决定弯道形成的关键因子，这个观点受到不少学者的质疑。也有一些学者把沿岸纵向主流的大小作为岸壁侵蚀和蜿蜒型河道发展的主要驱动参数，然而却和许多室内弯道实验高流速带邻近凸岸的实际观测相悖。本次研究拟采用室内实验验证申请人提出的弯道成因新假说，即主流梯度假说。我们拟塑造曲角为30 和110 的两个概化弯道模型，在不同流量级下测量主次流并确定主流纵向梯度的大小和分布，结合同岸与异岸染色泥沙输移的观测，证明主流纵向梯度的大小和位置是弯道形成的主要驱动参数，阐明纵向冲淤是造成弯道床面出现横比降的主因。同时，通过床面冲淤和弯道流速场的同步观测，定量分析地形次生流和曲率次生流对主流横向摆动的贡献，并揭示次生流通过横向摆动主流从而间接影响弯道形成的机理。

本研究旨在揭示蜿蜒河道主流与次生流之间的交互作用机制，并阐明这种交互作用对蜿蜒河道发展演变的影响，从而为江河整治及河流长期规划提供更加科学的理论依据。主要的研究内容及结论如下：.(1) 通过室内固定岸壁弯道实验，分析大小不同曲率正弦派生弯曲河道内主流与次生流之间的交互作用，探求弯道形成的关键动力要素。结果表明：在弯道发展过程中，主流在弯道发生横向迁移。而这个迁移过程是曲率次生流和地形次生流共同起作用的结果。在弯道发展最初，床面平整，曲率次生流起主要作用，推动主流高流速带偏离河道中心线位置向凸岸方向摆动，其摆动距离随次生流作用增强而增强；而随后床面冲淤产生的地形次生流，需要克服曲率次生流带来的主流靠近凸岸的趋势，进而推动主流向凹岸的摆动。在弯道发展初期，弯道曲率尚小，最大纵向流速梯度发生在两个弯头之间的拐点附近，弯道将出现以向下游的平移为主的演变趋势；随后弯道曲率增大和主流位置的迁移，最大纵向流速梯度逐渐向弯道顶点位置转移，弯道出现以横向扩张为主的演变趋势并发生扭曲。对于弯道后期的演变，地形次生流的作用远大于曲率次生流的产生的效果。 .(2) 利用CCHE2D全项二维非线性水沙数学模型模拟正弦派生弯曲河道内主流与次生流之间的交互作用，并通过情景分析，探讨主次流交互作用对不同曲率、流量、粒径变化的响应机制。模型计算结果表明，弯道主流高流速带的横向迁移与断面横向坡度、泥沙中值粒径和控制流量存在线性相关关系，其关系可以用线性函数描述。由该函数表达式可知，主流带的横向偏移率与横向坡度参数高度正相关，与泥沙中值粒径呈现负相关，与流量则存在较弱的正相关关系。 .(3)利用准二维非线性水动力数值模型和基于“流速梯度造床”假说的河岸侵蚀模型 BERM 耦合，建立了一个非线性河弯发展模型。该模型实际应用范围不受曲率大小的限制，既能够保证现有的小曲率弯道模型的有效性，又适用于模拟大曲率蜿蜒河道的动态演化过程。计算结果表明，非线性过程的影响在大曲率弯道模拟效果明显优于线性模型，相当于在弯道演化发展后期，曲率逐渐增大的条件下，主次流之间的非线性作用减缓了弯道横向扩张速度。这种非线性作用随弯道的最大偏转角和横向坡度的增大而增大，而随着弯道波长而减小。