弯曲分汊河道演变时空差异特性研究

Compared with straight anabranching river, curved anabranching river is more widespread and more complex in fluvial process and hydrodynamic characteristics. Recent researches about curved anabranching river mainly focused on the general law of periodical bed evolution and hydrodynamical characteristics, without systematic knowledge on the discrepancies between different river reaches or different cycles of evolution. This study assesses curved anabranching reaches in the middle and lower Yangtze, compares the spatial and temporal differences in alteration mode of branches, planform and the microtopography evolution process through prototype data analysis and explore the main causes of such differences. On this basis, reclassification of the curved anabranching reaches will be proposed based on the alternation mode of branches. The key driving factors leading to branches alternation will be identified, and the impact of these factors will be quantified through mathematical model. Taking the key factors as breakthrough points, formation causes of channel patterns of the sub-types will be revealed, and fundamental cause of the fluvial spatial and temporal differences of curved anabranching reaches. The study is expected to improve basic fluvial theory of the curved anabranching river and the achievements will provide a scientific basis for the curved anabranching river regulation.

相对于顺直分汊，弯曲分汊是分汊河型中分布较为广泛、河道演变及水动力特性较为复杂的一个亚类。历年来开展的弯曲分汊河型相关研究主要集中于河道周期性演变、水动力特性等方面的一般规律性总结，在不同汊道之间以及同一汊道不同演变周期之间的差异性方面尚未形成系统认识。因此本项目以长江中下游弯曲分汊型河段为研究对象，通过原型资料分析，研究弯曲型汊道主支汊交替方式、平面形态、江心洲等微地貌演变的时间及空间性差异特征，并探究造就此类差异的主要原因。在此基础上，甄别不同弯曲型汊道主支汊交替的关键驱动因子；通过数学模型定量研究各因子对主支汊交替影响的强弱程度，以此为切入点，研究弯曲分汊河道不同亚类滩槽格局成因，从而深入揭示弯曲分汊河型河道演变时空差异的根本原因。该研究有望进一步完善分汊河型演变的基本理论，其成果可为弯曲分汊型河段的治理提供科学依据。

本项目以河道演变差异性为线索，根据实测资料分析研究同属于弯曲分汊河型的不同分汊河道之间的差异特征（空间差异），以及同一个弯曲汊道在其演变进程中随时间表现出的差异性（时间差异），并采用理论研究结合数值模拟的方法进一步探讨造成此类差异的主要因素及内在机理，以期对河道治理的具体工程实践提供参考，同时进一步完善分汊河道演变理论。项目主要成果如下：.（1）弯曲分汊河道演变的空间性差异。弯曲分汊河道演变的空间性差异主要体现在不同汊道间主支汊交替模式、江心洲成因、平面形态等方面的不同，而地质地貌特征是造就长江中下游弯曲分汊河道空间性差异的最主要因素。.（2）弯曲分汊河道演变的时间性差异。河道演变的时间性差异则主要表现为河势演变周期长短、平面形态、河床冲淤变形幅度等方面在同一汊道不同周期间的区别。上游河势变化、不同的水沙过程以及特殊水文年均是引发弯曲型汊道河道演变呈现时间性差异的驱动因素。但对于不同类型的弯曲型汊道，上述因素产生的影响强弱存在区别：对于鹅头型分汊来说，上游河道主流线的偏移通过影响进口节点挑流作用的强弱，从而影响汊道内洲滩、汊道的发育程度，一般不会直接引起汊道的主支汊交替；而对于微弯分汊来说，上述因素将可能直接导致主支汊发生交换。.（3）弯曲分汊河道演变时空差异机理。微弯型汊道各汊的发展态势主要受分流区水流特性的影响；而两汊长度存在明显差异的鹅头型汊道，各汊的发展态势则主要取决于汊道的弯曲发展程度。汊道交替主导因素的区别是造就两类汊道演变特性差异的根本原因。对鹅头分汊来说，进口单向节点的作用在其发育过程中起着至关重要的作用：节点在一定流量下将主流挑向对岸，使得断面流速分布呈现异于单一弯道的“小水趋直、大水走弯”的特性。且节点在不同流量下的挑流作用不同，使得不同流量下的流路差异较大，从而造就了其异于单一弯道、多滩多汊独特的滩槽格局。同时，本文提出以挑流临界流量大小来衡量挑流作用的强弱，挑流作用强弱因时因地的变化是造就鹅头分汊河道演变空间性以及时间性差异的根本原因。