【毕业学位论文】（Word原稿）分汊河道主支汊易位特性研究-水力学及河流动力学

长江科学院硕士论文 分类号： 密 级： U D C ： 编 号： 长 江 科 学 院 硕 士 学 位 论 文 分汊河道 主支汊易位特性研究 刘 小 斌 指导老师 : 张 政 权 教授级高工 长江科学院 林 木 松 高级工程师 长江科学院 申请学位级别 :工学硕士 专业名称 :水力学及河流动力学 论文提交日期 : 论文答辩日期 : 答辩委员会主席 : 评 阅 人 : 二 零 零 五 年 六 月 长江科学院硕士论文 内 容 提 要 分汊河道是河流中存 在的一种常见河型，尤其是 在长 江中下游分汊型河道是广泛存在的。在其自然演变过程中主支汊易位 现象时有发生， 给灌溉、航运、工农业取水及两岸国民经济建设带来严重影响， 对其特性进行研究和探讨具有重要的理论 价值 和现实意义。 本文 首先分析了长江中下游分汊河道水流泥沙运动特性，阐述了分汊河道主支汊易位的影响因素，并 分别从不同的影响因素（边界条件、上游河势改变所诱发的主流变化、汊道的平面形态等）出发，重点论述了分汊河道主支汊易位的成因，详细地 分析 了作 为分汊河道主支汊易位的体现者也是参与者的分流、分沙比之特性。 然后运用最小能耗 率 原理，推求了分流角、偏转角的计算公式。最后建立了二维水流运动数学模型， 对在数十年的演变过程中曾屡次发生主支汊易位的镇扬和畅洲汊道进行了流场数值模拟，并对计算结果 进行了 分析。 因为分汊河道本身是一个复杂的系统，要对其演变发展的全貌作到较全面的了解和深刻的掌握，是有待时日的。本文对此也作了一些展望和设想，权作抛砖引玉，以期来者。 关键词 ： 分汊河道 主支汊易位 和畅洲 数模计算 长江科学院硕士论文 he in in in It to in of on So it to on on of of in of of of by of of to in to of of -D of to by of is so we on of 江科学院硕士论文 目 录 内容提要 录 1 绪 论 . 1 题的提出及意义 . 1 题的研究现状 . 3 题的研究思路及方法 . 6 2 长江中下游分汊河道特性简述 . 8 江中下游分汊河道概况 . 8 然地理概况 . 8 质地貌和河床边界条件 . 9 汊河道分类 . 10 汊河道成因 . 12 流运动特性 . 14 沙运动特性 . 15 章小结 . 16 3 分汊河道主支汊易位特性分析 . 17 . 17 . 19 界条件 . 19 流水力条件 . 25 面形态变化 . 40 小能耗率理论在分汊河道的应用 . 42 . 49 4 分汊河道水流运动的数值计算分析 . 50 述 . 50 标变换 . 52 标变换的基本理论 . 53 标变换的数值计算 . 56 格生成实例 . 57 . 58 . 59 流运动的基本方程 . 59 角坐标系下的水流基本方程 . 59 线拟合坐标系下的二维水流运动基本方程 . 60 散方程 . 62 解条件及有关处理 . 66 解条件 . 66 值方法及有关处理 . 67 型验证 . 67 长江科学院硕士论文 算条件 . 67 证分析 . 68 畅洲汊道概述 . 69 流运动特性计算分析 . 75 章小结 . 81 5 结论与展望 . 82 论 . 82 望 . 83 致 谢 . 87 长江科学院硕士论文 1 绪 论 题的提出及意义 纵观人类历史，文明与文化的发展都与河流密切相连、息息相关。河流为人类的生存和发展提供了多种必需的基本资源。河流在造福于人类的同时，也给人类带来了洪涝灾害。自古以来，人类不间断地对河流进行着整治、开发和利用，其中有成功经验，也有负面的不利影响。为趋利避害，人类必须充分认识河流演变发展所遵循的自然规律，合理利用使其充分地发挥效能，造福人类，从而实现社会、经济、生态环境的可持续发展。河流是 个综合的动力开放系统，内部存在着复杂的动力反馈机制。冲积河流具有自动调节功能，在不同的来水来沙条件和河床边界条件下，河流通过改变水动力要素和河床形态，力求达到输沙平衡。冲积河流通过自我调整可以形成不同的河型，河型是河流来水来沙条件和河床边界约束综合作用的结果。工程界通常将河流划分为四种河型，即顺直型、弯曲型、分汊型和游荡型。一般认 为顺直河道在自然界很少存在，即使存在也只限于弯道间衔接的有限长 段，所以顺直河道被认为是不稳定的河型。游荡河道的不稳定性是最明显的。相比之下，弯曲河道和分汊河道在自然界普遍存在，研究 表明两者都是能长时期保持稳定的河型。有些研究分析比较了弯曲河道和分汊河道的一些特性指标，结果发现它们之间的联系十分密切，一些特征值落在同一区域内，因而也有人认为分汊河道可划为弯曲河道 的 一种亚型。不管如何划分，分汊河道是一种相对稳定的河型已是一种公认的事实，同时，也将对提高护岸工程技术水平起促进作用。 河流通过汇合、分流或形成沙洲构成分汊形态，分汊 河道作为一种常见的河型，对其进行研究具有十分重要的现实意义。远在 2200多年前的秦朝，李冰父子就在四川灌县 修建了都江堰，该工程应用了江心洲和弯道的特性成功地解决了成 都平原的饮水灌溉问题，一直沿用至今。 分汊河道的演变主要表现在河岸的崩塌和淤积、江心洲的迁移以及主支汊的兴衰等几个方面。 汊 道的发展和兴衰交替进行，给国民经济各部门常带 来 危害 。如通航汊 道走向衰退，将引起港口和航道 长江科学院硕士论文 产生淤塞，增加维护工 程量甚至不能通航，沿岸的工农业取水口将不能正常运行 或者不能使汊 道横向发展，引起河岸崩塌，沿岸的港口、码头、仓库、工厂、企业都将受到危害 ；通航汊道走向消亡，原来的非通航汊 道变成通航 汊道，在新通航汊 道内续建港口、码头、仓库等，也增加了费用 。此外，分汊河道的支汊大部分具有较强的可冲刷 性，有较强的泄洪作用， 分汊河道的支汊演变规律对航道建设、港口选址、岸滩保护也有现实指导意义。分汊河道因自身的水沙运动及演变规律较为复杂，自然演变情况下，经常发生主、支汊易位等情况，对防洪、航运、沿岸厂矿企业及河道建筑物的正常运用产生不利影响 。 例如，在 1998 年大洪水的作用下，沙市三八滩被水流冲散，而使荆州长江大桥原设计的通航孔因淤积而不能正常运用，给航运带来了一定的影响；突起洲左汊进口段也因左汊的冲刷发展而在 2002年 4月份发生崩岸，直接威胁荆江大堤的安全；界牌河段新堤夹（左汊）也在 2001 2002 年度被 冲开，左汊分流比在枯水期已超过 50%等。由于分汊河道口门段水流分散，河床淤积抬高，常会出现碍航浅滩，据不完全统计，城陵矶至河口段共有 20余处碍航浅滩，大多数位于分汊河段，如界牌、陆溪口、张家洲等均是有名的碍航浅滩段。 另外， 分汊 口的位置、形态及其演变对河流 分汊段的河势变化有着重要影响，分汊 口也对 控制分流比起决定作用，分汊 口的形态会改变洪水分流状况，影响洪水趋势，这 关系到人民生命财产安全，合理稳定的分流比是防洪工作的重要环节。 分汊 河道的演变较单一河道更为复杂，随着河道的变形，各汊 道的分流分沙情况也随之改变，分 汊 河道各水力要素与河道形态之间是一种动态联系关系。分汊 河道的河床几何形态是挟沙水流与河床长期相互作用和不断调整而形成的，也是对流域自然条件长期适应的结果。 就长江中下游而言，城陵矶以下共计有 41处分汊河段，其水沙运动与演变规律较为复杂，这些河流又与国民经济联系十分紧密。虽然在分汊河道的认识和治理开发上业已取得了不少成绩，但随着社会经济的发展，人们对分汊河道演变规律的认识要求却越来越高。在分汊河段主、支汊移位情况常有发生，作为分汊河道的水沙运动特性、河道演变规律来说，对其进行研究必将成为治河工作者需迫切解决的重 要研究课题之一 。 生存及生产的需求， 促使人们必须意识到：人类应该掌握分汊 河道特性 及演 长江科学院硕士论文 变趋势，因势利导对其进行整治规划；尊重自然发展规律，根据分汊 河道的特点，为航运、排涝、灌溉以及防洪工程布置服务。因此对分汊 河道基本规律的探讨 将具有重要的理论 意义和现实 意义 。 题的研究现状 分汊 型河道 是 受外界因素和内部制约 的 共同作用而产生、存在并维持发展的 。外界影响一般可认为有四种：一是由于水面放宽，泥沙落淤形成沙洲或浅滩，迫使河道分流；二是河道两岸存在不可冲刷的节点，致使节点后河道冲宽，流速减小形成沙洲；三是洪 水期水流冲开天然沙堤或 滩地形成新的汊 道；四是在河口地区由于涨、落潮流路不一，也易形成浅滩。这四种情况存在于河流的各区段，有时相互交织，从而形成复杂的分流、汇流河网。内部因素就是河道水流能耗率有趋于最小的倾向，它是形成分汊河型的根本原因。河流以何种方式减小水流能耗率决定于外界允许条件。 由于分汊河道水沙运动规律较为复杂，目前，国内外对分汊河道水沙运动进行系统研究的学者不多，国内在这方面研究较多的学者有丁君松、余文畴、尹学良及罗海超等，他们从理论、试验以及原型资料分析等方面着手来认识与分析分汊河道的水沙运动特性 。 丁君松 1,2,3,4等曾对分汊河道的形态、水流结构、泥沙运动以及分流分沙进行过不少研究，取得了大量成果，并在此基础上，进一步研究了分汊河道不能自由发展的理由。根据他的研究，河道分汊后，两汊的水面宽和过水面积的变化，不可能是任意的，水面宽最多增加 37 ，过水面积最多增加 。 其表达式如下： 0934 年前为主槽 陆溪口汊道左汊 1959 年 45 1934 年前为支汊， 1934 1959 年为主槽 嘉鱼汊道左汊 1912 年前 80 1912 年前汊道形成 铁板洲汊道右汊 1861 年前 100 1861 年前汊道形成 白沙 洲汊道右汊 1934 年前 60 1934 年前汊道形成 天兴洲汊道左汊 1966 年 38 1966 年前为主槽 100 多年 牧鹅洲汊道左汊 1860 年前 100 汊道久已存在 团风汊道左汊 1860 年前 100 汊道久已存在 龙坪汊道左汊 1860 年前 100 汊道久已存在 张家洲汊道右汊 1860 年前 100 汊道久已存在 骨牌洲汊道左汊 1860 年前 100 汊道久已存在 官洲汊道左汊 1858 年前 100 汊道久已存在，已于 70 年代实施堵汊工程 官洲汊道新中汊 1972 年 32 汊道中部切滩形成 安庆汊道右汊 1871 年前 100 1871 年前为主槽 贵池汊道左、右汊 1860 年前 100 汊道久已存在 铜陵汊道右汊 1860 年前 100 汊道久已存在 陈家洲汊道左汊 1860 年前 100 汊道久已存在 马鞍山汊道右汊 1860 年前 100 约 600 年前曾为主槽 梅子洲汊道右汊 1860 年前 100 历史上曾为主槽 八卦洲汊道左汊 1946 年前 58 1946 年前为主槽，时间很长 世业洲汊道左汊 1860 年前 100 1860 年前为主槽 和畅洲汊 道右汊 50 二十世纪五、六十年代左、右汊平分秋色 流量增大，进入了新的发展阶段，即左兴右衰。在近四十年的演变过程中，和畅洲经历了两次主支汊易位：从 1949年到 1961 年，左汊发展的很快，分流比由 长江科学院硕士论文 32上升为 从 1961 年到 1974 年，左汊由主汊演变为支汊，至 25%， 从 1975 年的 升至 1992 年的 又一次发展成为主汊。其中， 1984 年的分流比南、北各半。又如新济洲，五十年代末至七十年代中期分流比变化不大， 1973 年以后左汊分流比减少了近 20左右 。张家洲河段右汊在清光绪末年（ 1908 年）时还很浅，为一支汊，以后随张家洲洲头的崩退和右汊口门刷深而逐渐成为主汊。五十年代末由于右汊沙洲淤长，分流逐年减少；而左汊则由于河槽刷深，流量增大而成为主汊。左汊分流比由 1959 年 大为 1988 年 的 而右汊则由 少为 东流河段六十年代以前主流沿天心洲洲尾夹江过渡到玉带洲右汊。七十年代以来随着夹江内心滩的迅速淤积，主流改经天心洲和棉花洲左汊下行，棉花洲左汊因分流增大而发展成主汊，而玉带洲右汊则由主汊转为支汊。 至于第二种类型 ,在长 江中下游的演变史上 ,也是时有出现的 。 如芜湖上游的白茆沙汊道 ,因长江主流向北岸冲刷 ,南汊并岸而成为单一河道 。 马鞍山河段以前江面宽阔达数十公里 ,沙洲众多 ,现大小沙洲已联并为江心洲 ,小黄洲两洲 ,由复杂分汊转为简单分汊 。 汊河道主支汊易位的影响因素 界条件 广义地讲，边界条件包括河流 流 经地区的地质构造、岩性、地貌条件、河岸及河床组成物质结构、河谷比降、支流状况、植被情况以及局部边界条件（如节点、工程措施 ） 等。 大多数冲积河流的河床边界组成物质为松散沉积物，具有可冲刷性，在水流作用下会发生冲淤变形 ，它的河床几何形态是水流和河床相互作用的结果。一方面水流作用于河床，改变了河床几何形态；另一方面河床几何形态的变化又反过来影响水流运动，进而又对河床变化过程产生新的影响。这是一个动力反馈过程，即河床演变的结果又会影响到河床演变过程本身。 在河床演变研究中，通常把对河道变化起控制作用，具有某种固定边界而平面位置相对稳定的窄段，叫做节点。钱宁把节点分为两类：两岸都受到控制，如 长江科学院硕士论文 一岸为山崖陡坎或大堤险工，另一岸为护滩工程，或者两岸都有束窄控制，位置比较固定的，称为一级节点；如一岸为固定边界，另一岸虽为嫩滩但不受 水流顶冲，位置不固定的，称为二级节点；同时，分析了节点具有理直流向从而控制下游河势的作用。 通过对长江中下游分汊河道的研究， 余文畴等 按节点在河床演变中的作用将其分为两类：第一类是 对一个分汊河段起控制作用的节点（河段控制节点 ）。可分为：a： 山矶或阶地对峙节点 ; b： 一岸傍山矶、阶地，另一岸为河漫滩的节点；c： 两岸均为河漫滩的节点；d： 人工护岸对峙节点；e： 一岸为人工护岸一岸为河漫滩的节点。 第二类为 分汊河段内部的束窄段，对支汊局部河段和支汊发展起控制作用（局部控制节点 ）。可分为：a： 一岸傍山矶、阶地另一岸为护岸工程的节点：b： 一岸傍山矶、阶地另一岸为土质耐冲的河漫滩节点。 表 可以认为，节点转折角 （定义为一个分汊河段进口节点过水断 面的内法线和出口节点的外法线方向组成的夹角，代表水流经过该汊道河段其方向改变的程度。） 和河段两岸地质地貌条件在分汊河道形成不同具体类型的历史演变 和其今后的发展 变化 中是较重要的边界因素。 在河床演变中则强调进口节点的挑流作用和出口节点的控制作用。 表 江下游若 干汊道节点表 江心洲河段 节点名称 节点位置 节点类型 节点宽度（ m） 宽深比黑沙洲 板子矶 茅山矶 进口 汊内 bb1020 卦洲 下关浦口 笆斗山 西坝 出口进口 汊内 出口进口 dbb1100 1140 畅洲 焦山 瓜洲 进口 出口 bb1240 点是长江下游的一个特殊边界条件，据不完全统计共有天然节点和人工节点 58 个，使河 床具有宽窄相间的藕节状外形，并使河势得到相对稳定。大多数分汊河道上下端都有节点分布，但节点分布的不同形式对于分汊河道的发育及河势变化却有不同的影响。只有一岸受节点控制，如果节点比较突出，迎流顶冲， 长江科学院硕士论文 将主流挑向对岸，而其下游展宽段的河岸可冲性又较大，则在节点下方形成江心洲，并同时在节点相对的一岸则不断崩退，有利于发展成为弯曲汊道。长江下游鹅头型汊道如官洲、黑沙洲等，它们的形成与发展与节点单向挑流有很大的关系，挑流节点都在右岸，鹅头汊道发育在左岸的疏松冲积层。 在长江下游河床演变中应更多地研究一岸受 控制、一岸为 冲积无物组成和两岸均为冲积物组成地节点。但我们不能孤立地看待边界条件 ,冲积河流中下游边界中的某些因素 ,同上游来水来沙长期塑造的过程也有密切的关系。 长江中下游河床边界条件有三个特点： 具有很明显的不均匀性，两岸地貌类型有较大的差异，左岸多为广阔的冲积平原，右岸多为断续的低山丘，长江河道走向受到右岸山丘的控制。 长江中下游城陵矾至江阴河段 为河势受地质构造控制 ,河道形态受山丘节点与平原相间分布的影响 ,其 主要流经疏松沉积物之上，且厚度较大，一般为 25 100m，并具有明显的二元结构特征。河底除小部分为基岩裸露外，绝 大部分均由砂砾组成的现代河床冲积物，河床质中值粒径在 程变化不大， 且具有宽广的河谷，为水流的自由发展提供了广阔的天地。在长江的历史演变过程中，河道内水流由于受到惯性力 柯里奥里斯力的累积作用，加之从第四纪以来，长江中下游受新构造运动向南掀斜的影响，使河道整体右移。这种河道整体右移的结果，导致河道右岸许多山体矾头濒临江边，成为河岸的直接边界；而左岸则为冲积平原的基本地貌。表 明在长江中下游 10 个鹅头型分汊河道中，有 9 个河段进口右岸均受边界控制 。 沿江广泛分布因基岩断层、露 头形成的突出节点，对河势有很强的控制作用，自城陵矶至江阴两岸共有节点 103 个，其中右岸占 72 个。 节点的对称性很强，往往左右两岸互相对峙，形成天然的屏障与卡口，长江穿越其间，千百年来无甚变化，这样的对称节点沿江有 25对。 长江鹅头型汊道是在其他河流上少见的独特型式，其汊道特征值统计如表 少学者认为鹅头型汊道的形成主要是上游门口单侧节点的挑流及节点以下右岸边界出现转折所引起的 (并得到了转折角与鹅头弯道长度 L 而有的学者从河道转 010200 50 100右岸边界转折角鹅头弯道长度图 3 . 1 鹅 头 型 汊 道 右 岸 边 界 转 折 角与 弯 道 长 度 的 关 系长江科学院硕士论文 折引起左岸受力的情 况进行分析，得到转折角越大左岸受力越大，河床边界崩退也愈严重，从而形成了河道宽浅、沙洲密布的鹅头型汊道。 但形似鹅头型的左汊到底是如何形成的呢？ 试验及天然实测资料表明：由于长江鹅头型汊道右岸有单侧节点形成的挑流，使表层挟带含沙量小、泥沙粒径细的水流导入左汊，而底层挟带含沙量大且泥沙粒径粗的水流进入右汊， 使汊道口门出现横比降而诱发环流。由于含沙量沿垂线分布具有上稀下浓的特点，因此进入左汊的水流含沙量小，而流入右汊的水流含沙量大，由此引起了横向输沙的不平衡，左汊的分流比大于分沙比，有利于左汊的冲刷发展。由水流连 续方程（ ）、阻力方程（舍齐公式 ： ） 、河相关系和 水流挟沙力公式 （ 3 ） 导得河流剖面形态公式为： （ 3 1） 式中 为泥沙沉速， K、 、为系数 。可见，对于冲积河流，其比降随糙 率、含沙量、泥沙沉速的增大而加大，随流量的增大而减小。假定由水沙条 件改变经过河床自动调整作用重新建立平衡时式（ 3 1）中系数 用脚标“ 1”表示右汊，“ 2”表示左汊，则： 12122121212 （ 3 2） 对于左汊，在由一般分汊向鹅头分汊发展的初期，由于引入的是表层含沙量小、泥沙粒径细的水流，且由于汊道口门迎流形态阻力小，加之汊道发展 时流量是 增大的。因此，各种因素的综合作用使得河槽纵剖面的比降趋于减小，河槽必然弯曲发展以增大河长。加之左汊 流经抗冲能力弱的冲积区，也为弯曲发展提供了前提条件。随着左汊的 冲刷发 展，其形态日益弯曲，河床下切粗化，左汊口门高程降低，为汊内引进底部含沙量 、泥沙粒径粗的水流创造了条件，同时，河槽弯曲、河床粗化也使综合糙 率增大，与此相反，右汊引入的水流其含沙量相应变小，挟沙变细。因此，河床自动调整作用将抑制左右两汊的消长变化，左汊分流量增大的趋势逐渐减弱，最终停止。此时左右两汊处于暂时的平衡状态，但由于左汊形 长江科学院硕士论文 态弯曲，它的变化遵循弯曲河道“凹岸冲刷、凸岸淤长”的演变特征，这种横向输沙不平衡是弯道所固有的。演变的结果使汊内比降进一步变缓，形态阻力加大，左汊分流量逐渐减小。 随着河道左岸的日益 崩退，左汊平面形态也愈来愈弯曲，曲率逐渐加大，汊内比降变缓，形态阻力大，通过的流量逐年减少。与此同时，右汊由于河道顺直，流程短、比降大而逐渐恢复其主汊地位。当左汊的弯曲发展由于左岸边界的控制或者由于左汊分流过小水流动力不足以引起左岸进一步崩退时，左汊不再继续向左摆动，而逐渐稳定下来。鹅头型左汊的形式是伴随着左汊由直变曲，由兴转衰的演变过程而产生的。在其形成的整个过程中，水流动力作用和 柯里奥里斯力 的累积作用起了决定性作用，而地貌特征则为其提供了前提条件。水流的动力作用使得左汊凹岸不断崩退、凸岸不断淤长、弯顶不 断向下游蠕动。而 柯里奥里斯力 则在水流冲刷左岸、惯性逐渐消失以后，促使水流回到右岸的主河槽中来。由于分汊河道进出口均受较强的控制，位置稳定少变，弯顶向下游蠕动，汊道的弯曲程度将不断加剧，最终形成似鹅头状的反曲，这与蜿蜒型河道弯顶倒向下游的河环形态是相似的。 从上述鹅头型汊道的形成过程 可以 看出 ，对于鹅头型分汊河段其主槽与支汊转化 仍 主要决定于河道本身的河床形态及边界条件。 例 如团风河段，据分析其进口断面没有出现形态上的变化及断面最深点的大幅度摆动，总的说来 是 稳定的， 但汊道断面则变化剧烈。这种演变规律主要是泥矶以上和三 江口以下边界构成极度转折的河道走向及河道中部的主槽内河床由广阔而深厚的抗冲能力弱的中细纱和粉壤土组成，加之进口泥矶至出口三江口控制节点距离仅为 13 公里，远远小于形成蜿蜒型河段的间距，因此为形成鹅头型多分汊的河道形势提供了边界条件。 又如团风河段， 目前 其 河床最宽处已达 远大于长江中下游的稳定河宽，河床自然不易稳定，因此为水流运动及洲滩演变提供了广阔的活动场所，为主槽与支汊的周期性转化创造了前提条件。 长江科学院硕士论文 表 江各类河型横剖面形态与河岸组成关系 型 别 平均水深（ m） 平均宽深比（ 1A 2流窄深断面 流宽浅断面 直分汊型 弯分汊型 曲分汊型 ： 1A 和 2A 是枯水位以上河岸类型划分的指标 ， 1A 表示 河岸物质组成中粉粒含量和粘粒含量之比， 2A 表示 粉粒加沙粒含量和粘粒含量之比 从上述情况我们可以看出 ,在分汊河道形成和 演变 发展的过程中 ,边界条件的影响是重要的 , 大的地质地貌条件，决定了河势的基本走向，河流的发展趋向只能在其基础上作着各自的调整，不会也不能超出这一限制 。另外， 河岸物质的可动性是 对 河床横剖面形态 形成影响 的主要因素。从表 直 分汊型、微弯分汊型、弯曲分汊型河道的可动性指标依次增大。由于河岸可动性大，其结果必然使河床易向两侧往宽浅方向发展，河床断面趋于宽浅，易引起水流散乱，河岸可动性愈大，断面愈宽浅，为河道提供横向摆动的余地也愈大， 加之河床两岸 具有 不同 的 形式， 这样就给需要有较大摆动范围的弯曲汊道发育提供了有利条件同时也为 支 汊 的 进一步发展壮大留有余地。 表 头型汊道特征值统计 名称 汊 长 （ 最大长度（ 长宽比 汊首宽 汊尾宽（ 节点位置 转折 角度 分汊数 汊首 汊尾 陆溪口 60 4 团风 19 右 122 5 龙坪 12 50 3 官洲 20 70 4 铁板洲 9 右 80 2 铜陵 50 60 5 黑沙洲 15 60 3 八卦洲 16 右 70 2 和畅洲 1617 、右 右 80 2 扬中 68 12 3 平均 3 4 长江科学院硕士论文 流水力条件 (1) 汊道的水流运动状态 分汊河道特别是口门段的流速流态沿程变化相当复杂，直接影响汊道进口地形的冲淤与分流分沙变化。分流区内水面流向分布情况是，开始时各流向线沿程逐渐扩散，呈扇形分布状下行，至分汊口门前，则按分汊股数自动调整成几股流向线组，分别进入各股汊内。一般是流速大的进入主汊和发展中 的主汊。但由于受洲头浅滩地形的影响，汊道进口水面流向是随流量的变化而变化的，一般在流量较大情况下，断面流速分布相对均匀，其流向分散程度较轻。但在小流量的情况下，其流速沿程分布变化较大，水面流向变幅也较大。在有些分汊河段的分流区，还存在一些流向线从一岸越过江心洲水下浅滩进入另一岸的汊道，这样在江心洲头浅滩上就产生横向流，有时会在浅滩上形成明显的串沟。 分汊河段分流区的主要特点是 ： 河宽沿程逐渐放宽，水流动力轴线不再是单一的， 而是分成两股或多股水流， 与水流条件相适应会在河床内成长水下浅滩，将河床分成两支或多支深槽 ，使河床形成复式断面。它对垂线流速分布的影响为，低水位时，分流区内的垂线流速分布比较均匀，变化不大，分布形态基本相似，不同之处是过渡区或浅滩上的流速值比深槽内的流速值小。高水位时，深槽内垂线上各点的流速均相应增大，沿水深的分布仍比较均匀，梯度不大，而浅滩上特别是过渡段上的垂线，各点流速的增加值差异较大，接近水面区域内的流速增值大，接近河底区域的流速增值小或不增加，因而使流速沿水深分布很不均匀，靠近河底的流速梯度很大。 当水流流经汊道处，水流流态发生改变，由于发生分流，水流在分流口断面处造成横向比降，产生螺旋型 的横向环流 (副流 )，底层水流和表层水流发生分离（图 使汊道前的水流的底流宽度大于表层宽度，并随分流比的增加而增大，因而底沙大多随底流进入支汊 。 长江科学院硕士论文 图 道口门处表层、底层流线图 在汊道进口展宽段断面流速等值线图上，若将等值线集中的大流速部位称为流核，那么 从不同断面的流速等值线图（ 图 可知，无论在高水期或低水期断面上流核的个数随河道的不断展宽而逐渐增加，这种流核的逐步分解应是汊道水流能量耗散的一种形式。这种水流特性是造成冲积性汊道的水力因素，它与来水来沙条件构成的河床变形过程 是相适应的 ，同时也是促使汊道不断变形和主支汊易位的重要动力因素。 图 和畅洲汊道分汊前后流速等值线分布 (1964) 分汊河道由于受主支汊的长度、阻力、进出口的河床形态以及水流运动特性的影响，在进出口段会产生相应的次生流。根据长江中下游部分分汊河段的实测资料及模型试验资料分析发现 （ 图 ，汊道口门位置的次生流类型、强度与分汊河道进口段的平面形态、地形以及流量大小等因素密切相关，在分汊河道进口段会因水位沿横断面分布存在差异而存在横向流与横向环流，这里 需要强调的是，一般只有存在弯道离心力的作用下，才形成明显的横向环流，而横向流则不同，可发生在横向水位有落差的位置。当然，分汊河段进口段的横向流与横向环 长江科学院硕士论文 流相比的地位需根据具体分汊河段以及断面所处位置具体分析。在分汊河段，由于次生流的存在，它将会直接影响汊道的分流分沙以及洲头及浅滩的冲淤变化。 水流经过汊道段后，在汇流区交汇，各汊水流在交汇时存在交角，其交角的大小与分汊河道的平面形态有关，一般表现为，鹅头型分汊河道的水流交汇角最大，弯曲型次之，顺直微弯型最小。由于汇流区水流在相交时相互掺混，使在交汇处附近的 水流流态非常复杂，主要表现为水流在相互掺混时，紊动能量损失加剧，并形成局部冲刷坑，交角越大，局部冲刷坑越 深。同时，由于 水流在掺混过程中，断面流速会发生重新分布，在掺混带的流速较大，位于两岸附近的流速较小，若汇流交角较大时，则可能会在交角较大一侧相对开阔的缓流区域内形成竖轴回流，产生淤积，使得断面变得窄深。 松山都 天 庙丹 徒 沙右汊左汊人 民 洲焦山图 畅洲汊道分流区水流结构 (2) 水流动力轴线的摆动 水流动力轴线又称为主流线，一般指沿程各断面最大纵向垂线平均流速所在点连线的水平投影 ， 它是一个 三度空间的流束，是河道中 水流 动能最集中的部分 。因此，对冲积河道来说，动力轴线的活动对河床地貌的演变， 尤其是对河岸崩塌的影响，在某种意义 上 讲是起 着 决定性作用 的 。把上述断面流速分布和水流动力轴线分布联 系在一起，就可以组合出三度空间的螺旋流。螺旋流不仅在弯道上存在， 就是在顺直的河道 上，由于主流动力轴线的弯曲，也会产生不同强度的螺旋 长江科学院硕士论文 流。尤其是分汊河道，水流的分汊或水流的汇合，都使水流不能遵循直线河道运动。这样，动力轴 线必然要弯曲，螺旋流也就普遍出现。 主流线一般在弯道进口段甚至弯道上游的过渡段偏靠凸岸 ； 进入弯道后，主流则逐渐向凹岸过渡，到 弯顶附近偏靠凹岸， 自此以下相当长的距离内，仍靠近凹岸 。 天然河流及其模型试验的资料表明，主流线随流 量 而变 ， 即大水“居中 ”、 小水“傍岸 ”， 且水流的顶冲点为大水“下挫 ” 、小水“上提” 。 动力轴线摆动对河床演变的影响可分为两种情形： 上游主流动力轴线的移动将引起汊河段分流的变化，而将导致主支汊的交替。 汊河段本身演变过程中，河床内部自动调整导致动力轴线的移动。不稳定的分汊段由于上游河势的变化，引起汊道分流段水流结构发生明显变化，进而引起汊道段两汊发生较大的变化，若不及时控制，则可能发生主支汊易位，这一点已在镇扬河段和畅洲汊道有所体现。 上游极不稳定的六圩弯道，南北往复摆动频繁，在镇扬段河势演变中起了决定性的作用，是河势动乱的主因（从和畅洲的演变史可知，上游河势的改变已导致镇扬和畅洲汊道的入流方向在近百年内改变了 100多度，由东北向变成东南向。而最近一次的主流北移是始于上世纪初，当时并不存在向北凹进的六圩弯道，而只是向南凹进的镇江微弯水道。南岸近挨镇江市北部山麓，水深流急，码头区水深在 30 40米，是一个天然良港。水道末端即和畅洲汊道的入流端点有焦山，都天庙炮台在北岸与它遥遥相对，相距仅 1100米，成为一对节点，有效的控制着水 流，形势很好。进入和畅洲汊道的水流方向由焦山山麓导向东北。所以在那个阶段以前和畅洲北汊水道的入流段始终是东北