黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河段河床稳定性分析.pdf

第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河段河床稳定性分析柳明洋1，李春光1，2*，吕岁菊3，乔桥1，宋璐璐1（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021；2.北方民族大学 数学与信息科学学院，宁夏 银川750021；3.北方民族大学 土木工程学院，宁夏 银川750021）摘 要：河流连续弯道是大多数自然河流常见的特征，环流是弯道中最常见的要素之一，环流与纵向水流结合在一起，在弯道横断面内指向凹岸螺旋前进，对河流稳定性产生了复杂影响。因此，为研究连续弯曲河流中环流对河流水动力及泥沙输移的影响，利用声学多普勒剖面仪、激光粒度分布仪、GPS-RTK 等实验仪器，对黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河道水动力学要素进行了比较分析。结果表明：经长期冲淤，河床断面形式与弯道内环流存在关系，环流会构造河床断面的形状，改变水流主流线的方向，使其发生摆动；在连续弯道内，影响含沙量的主要因素是流速，二者呈正相关关系；相比于直线段，弯曲河道稳定性更差，更易发生河床变形。关键词：弯道环流；黄河；弯曲河流；水沙运动；河床稳定性中图分类号：TV85 文献标志码：A黄河是我国含沙量最高的河流1，因其连续弯曲的河床形式，多样的水下地形，复杂的水力结构，增加了治理的难度2-3。为探索连续弯曲河流的复杂性，刘焕芳4通过弯道横比降分布规律，得到了全弯道水面比降公式。孙东坡等5、张红武等6基于动力平衡方程，推导出了弯道横比降分布公式。吕岁菊等7通过 SIMPLEC 算法模拟了黄河沙坡头河段的三维流场分布，并对连续弯曲河段中横向、纵向比降进行了分析。水面出现横比降的内在因素是水流曲率和垂向变化速度引起的离心力、横截面应力产生的横向环流8。根据 M.Janocko 等9和陈启刚等10的研究，环流呈螺旋状沿程向凹岸移动，并使水流动力轴线发生摆动。国内外不少学者针对不同河段泥沙冲淤要素（如泥沙启动、弯道环流、纵向水流）进行了研究，并取得了丰硕成果11-15。舒安平等16揭示了黏性坡岸崩塌过程在弯道环流与水流剪切应力分布及对河道冲淤形态的影响机制，得到了弯道内水面变化与冲淤变化。然而，对于连续弯曲河段水沙耦合关系的研究相对较少。景何仿等17对沙坡头连续弯曲河段进行了研究，得到该河段水流运动规律。周建银18通过物理试验对连续弯曲河道中细粒泥沙输移方式进行了研究。本文利用测量得到的有关数据，对黄河永丰渡口连续弯曲河段典型断面环流的类型、河床断面的形状、弯道主流线运动轨迹、弯道水沙关系以及河床稳定性进行了详细分析，为天然河道的治理提供依据。1研究区域与研究方法黄河宁夏永丰渡口河段位于中卫市沙坡头区七星渠崔家庄之间，全长 12.75 km。本文利用声学多普勒剖面仪、GPS-RTK、激光粒度分布仪对研究区域水动力学要素进行测量，测量时间为 2019 年 6月 20 日。研究区域由 7 个连续弯曲河段和 1 个直线河段组成，如图 1 所示。水流在流动过程中形成沟谷地貌，被侵蚀的物质沿河床向下游搬运、堆积形成河心洲及河漫滩，CS7CS8断面、CS9CS10断面、CS14CS15断面之间存在河心洲，蜿蜒前行，形成了典型的游荡型河流地貌。2结果与分析2.1研究区域水流及河床断面形态分析永丰渡口河段水动力学特性如表 1 所示。弯道段与直线段平均横比降集中在-0.760.64；横比降最大的是第4弯道段（为-0.76），其次为第1文章编号：1671-7244（2023）02-0134-07收稿日期：2022-03-02基金项目：国家自然科学基金项目（11761005）；宁夏自然科学基金项目（2021AAC03037）作者简介：柳明洋（1994），男，硕士研究生，主要从事河流动力学研究（）。*通信作者：李春光（1964），男，教授，博士，主要从事河流水沙数值模拟研究（）。第 2 期柳明洋等：黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河段河床稳定性分析弯道段（为 0.64），横比降最小的是直线段（为-0.01）。在弯道中，水流依附在河床上，沿河床蜿蜒前行，水质点除受重力影响外，同时还受指向凹岸离心力的作用，两种力的合力促使水流向凹岸运动。CS8断面位于第 4 弯道下游，曲率半径为 1 381 m，河宽为 247 m，由于其曲率半径较小，河宽较窄流速大，弯顶河宽急剧变窄，形成了该河段最大的横比降。CS1断面位于第 1 弯道上游，曲率半径为 865 m，河宽为 328 m，在所研究区域，弯道曲率半径最小，使离心力变大，这是横比降变大的主要原因。CS4位于第2 与第 3 弯道之间的直线段内，直线段较长，水流相对平稳，因此无水面横比降。通过对研究区域实测水力学要素分析可知：连续弯道内，影响水面横比降主要的因素是流速，其次是河道的曲率半径；流速越大，相应的水面横比降也会越大，曲率半径越小，质点离心力越大，水面横比降也越大。水流沿河谷流动，径流量增大导致水流侵蚀性增强，将悬移质向下游搬运，河床形态呈多样性变化；反之，当水量减小或流量较小时，水流作用减弱，河床出现了淤积。受环流影响，经长期冲蚀，断面会形成较为典型的形态，如图 2 所示。图 2a 断面 CS1为靠近凹岸 V 形的河床形式，图 2d 断面 CS4形成了U 形河床，图 2n 断面 CS14形成了 W 形河床。受地形因素的制约，环流表现形式多样：弯道内图1研究区域示意图表1永丰渡口河段水动力学特性测量断面CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS15弯道编号12直线段34567长度/m900.431 273.481 052.001 121.791 091.031 564.751 438.832 349.28曲率半径/m8651 1849381 3811 1521 1131 724平均横比降/0.640.21-0.010.38-0.760.35-0.420.18平均纵比降/1.641.162.442.040.863.863.601.85平均流速/（ms-1）1.231.851.622.102.101.551.682.261.211.871.571.141.212.021.52135宁 夏 工 程 技 术第 22 卷1MDD/mMQ0050100150200250300350Q0m1 1741 1721 1701 1681 1661 164a断面CS14MMQ0DD/m50100150200250300Q0m1 1701 1681 1661 1641 1621 1600d断面CS47MMQ0DD/m050100150200250300Q0m1 1661 1641 1621 1601 1581 156g断面CS710MDD/m050100150200250Q0m1 1581 1561 1541 152j断面CS1013MDD/m050100150200250300350Q0m1 1541 1521 1501 1481 1461 144m断面CS132MMQ0DD/m050100150200250Q0m1 1721 1701 1681 1661 1641 162b断面CS25MMQ0DD/m050100150200Q0m1 1701 1681 1661 1641 1621 160e断面CS58MMQ0DD/m050100150200250Q0m1 1661 1641 1621 1601 1581 156h断面CS811MDD/m050100150200250Q0m1 1561 1541 1521 1501 148k断面CS1114MDD/m050100150200250300350Q0m1 1521 1501 1481 1461 1441 142400n断面CS143MMQ0DD/m050100150200250300Q0m1 1721 1701 1681 1661 1641 1601 162c断面CS36MMQ0DD/m050100150200250300Q0m1 1681 1661 1641 1621 1601 158f断面CS69MMQ0DD/m050100150200250300Q0m1 1621 1601 1581 1561 1541 152i断面CS912MDD/m050100150200250Q0m1 1561 1541 1521 1501 1481 146l断面CS1215MDD/m050100150200250Q0m1 1501 1481 1461 1441 1421 140o断面CS15图2不同断面河床高程及水面线136第 2 期柳明洋等：黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河段河床稳定性分析在离心力作用下，表层水由凸岸向凹岸流动，底层水由凹岸向凸岸流动，形成单项横向环流；剖面两侧水向中间汇集并下沉，河床中间以侵蚀为主，两岸以堆积为主，形成底部辐散型双向环流；底层水由两侧向中间汇聚，中间泥沙堆积，两侧侵蚀，形成底部汇合型双向环流。河流中不同位置，水流表现形式不同，离心力大小不同，产生不同形式的环流，造成水下地形不同。2.2典型断面流速分析为研究连续弯道河段水流运动规律，本文对典型河段进行了加密测量，每 100 m 测量一次，流速分布如图 3 所示，依据实测数据绘制断面流场分布如图 4 所示。利用声学多普勒剖面仪对断面流速进行测量，河床左岸位于 y 轴，（x，y，0）平面可以显示河宽的变化趋势，（x，y，z）为表层流速。由图 3 可知：各河段的宽度都呈现不同的变化程度，直线段沿流向河宽变化幅度最小；因存在河心洲，第 4 弯道河宽变化最剧烈，其余河段均有不同程度变化。第 1 弯道前过渡直线段较短，入口处河宽为341 m，主流线位于距凹岸 80 m 的位置，随流向渐入弯道，河宽变窄，主流线并没有发生较大的偏移，最大流速出现在靠近弯顶上游 400 m 处，为 4.47 m/s，经过弯顶后，断面流速相对平稳，主流线始终位于凹岸侧。与第 1 弯道紧紧相连的是反向弯道（第 2 弯道），如图 3b 所示，入口处河宽 190 m，受第 1 弯道的影响，在弯道入口处最大流速位于凸岸侧，距岸边60 m；随着进入反向弯道，主流线渐渐向凹岸偏移，在进入第 2 弯道 300 m 处，主流线已经接近河中心，流经弯顶进入弯道下游 900 m 处，最大流速出现在距左岸 200 m 处，为 3.62 m/s；在弯道 9001 200 m河段河床逐渐变窄，但主流线却没有出现较大的摆动。图 3c 为直线段，受上游弯道的影响，主流线由右岸沿流向逐渐摆向河流中心，且流速相对平稳。图 3d 为具有河心洲的弯道 4，河心洲将水流分成两束，左岸侧较宽，流速相对右侧较大，流速分布相对均匀；由于受左岸侧宽度、流速、流量较大的影响，在弯道下游靠近出口位置主流线位于凸岸侧。在连续弯曲的河道内，受前一个反向弯道的影响，第 2 弯道主流线先靠近凸岸，在弯道 1/3 后渐渐向凹岸摆动，整个河段最大流速并没有出现在河床最窄的位置，而是在弯顶下游偏向凹岸。弯道进入直线段，主流线渐渐摆动至河床中心，沿河向前运a第弯道流速c直线段流速b第弯道流速d第弯道流速图3典型河段流速分布137宁 夏 工 程 技 术第 22 卷动，且水流平稳。河心洲对弯道水流进行重新分配，改变弯道水流的走向，使凹岸较宽侧河道的水流更加稳定，但对河心洲下游变窄的流速有较大的影响，使主流线向流量更大的凸岸侧摆动。2.3含沙量分析本文对测量河段断面取样，使用激光粒度分布仪对水流含沙量进行了分析，结果如表 2 所示。由表 2 可知：该河段最大含沙量为 8.882 kg/m3，最大中值粒径为 24.23 m，均为 CS8断面；最小含沙量为5.597 kg/m3，最小中值粒径为 11.79 m，均为 CS5断面。含沙量在 6 kg/m3以上、中值粒径在 14 m 以上的有 12 个，占测量断面的 80%，并且全部位于弯道内。研究河段断面呈藕节状，宽窄相间，纵比降差异，导致各断面平均流速不同，最大流速为 2.26 m/s，位于 CS8断面，其次是 2.1 m/s，位于 CS4和 CS5断面。为了研究该河段水沙关系的复杂变化趋势，本文对含沙量与中值粒径和流速与含沙量的关系进行探索，水沙关系如图 5 所示。由含沙量与中值粒径的关系图（图 5a）可知，中值粒径与含沙量有相同的变化趋势，在 CS8断面，含沙量与中值粒径均达到峰值，在 CS5断面，中值粒径与含沙量均最小。CS4与CS5断面位于第 2 弯道与第 3 弯道之间的直线段内，根据平均流速与含沙量的关系图（图 5b），其流速大于所测河段 80%的断面，但其含沙量却低于所有的测量断面。弯道中的含沙量大于直线段的含沙量，这是由于弯道内存在不同程度环流，泥沙更容易启动，水流中的悬移质含量增加，弯道内的含沙量大于顺直河段。位于弯道内的 13 个断面，含沙量受流速的影响较大，含沙量随流速的增大而增多，且流速越大，泥沙越容易启动，断面中值粒径也随之增大。2.4河道稳定性分析为研究河床稳定程度，预测河床在横向与纵向的摆动，判断泥沙运动强度，本文引入河床稳定性指标。河床在横向、纵向的稳定性以奥尔洛夫稳定性指标19判定。横向稳定性系数公式为b=Q0.5J0.2B，（1）纵向稳定性系数公式为h=DHJ，（2）根据谢鉴衡20提出的关于黄河河床的综合稳定性指标，综合稳定性系数公式为=(b)2h，（3）式中：b为横向稳定性系数；Q 为流量，m3/s；J 为纵向水流比降；B 为断面河宽，m；h为纵向稳定性系数；D 为床沙粒径，mm；H 为水深，m；为综合稳定性系数。基于上述指标，本文对该河段进行稳定性分析，结果如图 6 所示。图 6a 为河床在横向与纵向的稳定性系数，CS12断面横向稳定性系数最大，为 0.176，随后是 CS2断面，其数值为 0.175，其余断面相对稳定。CS8断面纵向稳定性系数最大，为 9.73，远远大于其他断面，表现出极不稳定性。由图 6b 也可以看出，CS8断面的纵向稳定性系数较大，致使其综合稳定性较差。根据河流动力学河床稳定性指标，纵向输沙能力决定了河床纵向稳定性，横向输沙能力决定了河a第弯道流场分布c直线段流场分布b第弯道流场分布d第弯道流场分布图4典型河段流场分布138第 2 期柳明洋等：黄河宁夏永丰渡口连续弯曲河段河床稳定性分析床横向稳定性，纵向稳定性与横向稳定性共同决定了河床综合稳定性。CS5断面的断面宽度最窄，但由于其位于直线段水流平稳，其流场稳定性高。相比之下，CS2断面的流场稳定性较差，受到更为复杂的流动影响，表现出较弱的横向稳定性。CS8断面由于含沙量最多，中值粒径最大，纵向稳定性系数值最大，稳定性最差，进而综合稳定性最差，河床稳定性最低，在水沙耦合作用下最容易失衡。通过对河床稳定性分析，本文指出了影响河床稳定性的因素和河床不稳定的区域，为河床演变预测提供了依据，对河床防护提供了支持。3结论连续弯曲河段水力环境和冲淤环境复杂，河床极易变形。本文利用声学多普勒剖面仪、GPS-RTK、激光粒度分布仪，研究了永丰渡口河段连续弯曲河流中环流对地形、流速、河床稳定性的影响，得出以下结论。（1）永丰渡口连续弯曲河段水质点受离心力的作用，水流向凹岸运动形成横比降，影响横比降的主要因素是曲率半径和流速，对比第 1 弯道与第 4 弯道，流速对横比降大小影响更为显著。由于离心力的大小不同，环流对河床的侵蚀也不同，处于弯道不表2研究区域泥沙监测数据表测量断面CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS15含沙量/（kgm-3）5.9026.6897.1625.8605.5976.6797.2778.8827.2897.1227.0297.4286.8577.0537.017中值粒径/m12.9314.5115.812.2811.7914.0815.0224.2316.3316.0115.8716.5915.2315.5115.92平均流速/（ms-1）1.231.851.622.102.101.551.682.261.211.871.571.641.212.021.52断面流量/（m3s-1）1 4631 4981 5051 4941 5031 5151 4871 4611 4631 4451 4861 5031 5061 4831 472G/kgm39.08.58.07.57.06.56.05.52m2624221816141210G2#GMCS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS1520a含沙量-中值粒径GM#FM#F/ms12.42.21.81.61.41.21.0Gkgm32624221816141210#GMCS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS1520b平均流速-含沙量图5水沙关系图139宁 夏 工 程 技 术第 22 卷同位置的断面形状也不同。（2）研究区域直线段流速平稳，主流线基本位于河床中心位置，但在弯道内，环流使水流再分配，主流线向凹岸摆动，在弯道出口处逐渐回到河心处。（3）永丰渡口连续弯曲河段弯道内的含沙量随流速的增大而增大，二者呈正相关关系；同时，中值粒径随含沙量的增大而增大。研究区域内 7 个弯道内由于环流的作用，含沙量均大于直线段。（4）以河道稳定性系数作为评价永丰渡口河段河道稳定性的指标，弯道含沙量大于直线段，中值粒径也大于直线段，致使综合稳定性低于直线段，表现出较差的稳定性，更容易发生河床变形。参考文献：1 杨晓楠.黄土高原多尺度景观格局对径流及输沙过程的影响D.杨凌：西北农林科技大学，2019.2 付立彬，刘明堂，王丽，等.含沙量监测的 wavelet-Kalman 多尺度融合研究J.人民黄河，2018，40（9）：23-27.3 左其亭.黄河流域生态保护和高质量发展研究框架J.人民黄河，2019，41（11）：1-6，16.4 刘焕芳.弯道自由水面形状的研究J.水利学报，1990，21（4）：46-50.5 孙东坡，朱岐武，张耀先，等.弯道环流流速与泥沙横向输移研究J.水科学进展，2006，17（1）：61-66.6 张红武，吕昕.弯道水力学M.北京：水利电力出版社，1993.7 吕岁菊，冯民权，李春光.天然连续弯道中水流运动的三维数值模拟J.水利水运工程学报，2013（5）：10-16.8 SHAHEED R，MOHAMMADIAN A，YAN X H.A review of numerical simulations of secondary flows in river bendsJ.Water，2021，13（7）：884.9 JANOCKO M，CARTIGNY M B J，NEMEC W，et al.Turbidity Current hydraulics and sediment deposition in erodible sinuous channels：laboratory experiments and numerical simulationsJ.Marine and Petroleum Geology，2013，41：222-249.10 陈启刚，钟强，李丹勋，等.明渠弯道水流平均运动规律试验研究J.水科学进展，2012，23（3）：369-375.11 陈立东，李超，李伟帅，等.镫口扬水灌区总干渠泥沙特性及冲淤规律研究J.人民黄河，2017，39（5）：8-11，14.12 WANG W，WANG T Y，CUI W，et al.Changes of flow and sediment transport in the lower Min River in southeastern China under the impacts of climate variability and human activitiesJ.Water，2021，13（5）：673.13 ESFAHANI F S，KESHAVARZI A.Circulation cells topology and their effect on migration pattern of different multi-bend meandering riversJ.International Journal of Sediment Research，2020，35（6）：636-650.14 LI P，WANG J D，HU K H，et al.Effects of bed longitudinal inflexion and sediment porosity on basal entrainment mechanism：Insights from laboratory debris flowsJ.Landslides，2021，18（9）：3041-3062.15 拾兵，潘光辉，于冬，等.冰盖下水流纵向紊动特性的试验研究J.中国海洋大学学报（自然科学版），2015，45（5）：101-106.16 舒安平，周星，余明辉，等.岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征J.水利学报，2018，49（3）：271-281.17 景何仿，李春光，吕岁菊，等.黄河沙坡头连续弯道水沙实测结果分析J.中国农村水利水电，2009（7）：13-17，21.18 周建银.弯曲河道水流结构及河道演变模拟方法的改进和应用D.北京：清华大学，2015.19 郭兴杰，程和琴，杨忠勇.基于尖点突变的长江口北港稳定性评价J.泥沙研究，2016（4）：15-21.20 谢鉴衡.河床演变及整治M.北京：中国水利电力出版社，1997.#GMCS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS150.200.180.160.140.120.100.0812111098765432403 03 03403a横向、纵向稳定性系数#GM503CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11CS12CS13CS14CS155030.120.100.080.060.180.160.140.040.02b综合稳定性系数图6河床稳定性关系（下转第 147 页）140第 2 期闫凌璐等：面向需水不确定性的水资源优化配置的研究进展Research Progress of Optimal Water Allocation Towards Water Demand UncertaintyYAN Linglu1，SHEN Xiaojing1，2，3*，HE Huaxiang4（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Engineering and Technology Research Center of Water-Saving Irrigation and Water Resource Regulation in Ningxia，Yinchuan 750021，China；3.Engineering Research Center Funded by Ministry of Education for Effective Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Areas，Yinchuan 750021，China；4.Department of Water Resources，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）Abstract：With the continuous development of economy and human society，the water cycle between surface water resources and ground water resources gradually shows a complex trend.Due to the decreasing precipitation and water resources and the limited water supply，the optimal allocation of water resources has gradually become a hot research issue.The optimal water resources allocation is beneficial to alleviate the competition among different water using systems，and promotes the coordinated development of economy and ecology.In previous agricultural and ecological water resources optimization studies，researchers often ignore the impact of agricultural and ecological water demand on the water resources system because of the economic benefits，and the uncertainty of agricultural and ecological water demand increases the difficulty of water resources management.This paper introduces the development of uncertainty problem research methods in water resources optimization allocation，and summarizes the development of agricultural water demand，ecological water demand and their uncertainty in water resources planning and optimization allocation.The water resources optimization allocation model established according to the cyclical pattern of water use and uncertainties is more consistent with the reality，and can effectively solve the problem of insufficient decision rationality.A prospect for the future development direction is proposed accordingly as to fully consider the constraints of ecological water demand and agricultural water demand in the water resources optimization allocation model，and to build a water resources forecasting system，so as to make water resources allocation decisions more reasonable.Keywords：agriculture；ecology；uncertainty of water demand；optimal allocation of water resource（责任编辑 王德平）Stability Analysis of the Continuous Curved Riverbed in Yongfeng Ferry of the Yellow River in NingxiaLIU Mingyang1，LI Chunguang1，2*，LYU Suiju3，QIAO Qiao1，SONG Lulu1（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.School of Mathematics and Information Science，North Minzu University，Yinchuan 750021，China；3.School of Civil Engineering，North Minzu University，Yinchuan 750021，China）Abstract：Continuous river bends are a most common feature of most natural rivers.Circulation is one of the most common elements in bends.The combination of circulation and longitudinal flow，which spirals forward toward concave banks within the bend cross-section，has a complex effect on river stability.Therefore，to study the influence of circulation on river hydrodynamics and sediment transport in continuously curved rivers，a comparative analysis of the hydrodynamic elements of the continuously curved river channel at Yongfeng Ferry of the Yellow River in Ningxia was carried out using experimental instruments such as acoustic Doppler profiler，laser particle size distribution instrument and GPS-RTK.The results show that there is a relationship between riverbed cross-section form and circulation in the bend，and the circulation will structure the shape of the riverbed cross-section further，changing the direction of the main streamline and making it oscillate after long-term siltation.The main factor affecting the sand content is the flow velocity in the continuous bend，which is positively correlated.The bend riverbed is less stable and more prone to riverbed deformation compared with the straight section.The research results contribute to providing a basis for the prevention and control of flushing in the continuously curved section of the Yellow River in Ningxia.Keywords：bend circulation；the Yellow River；bend river；water and sand movement；riverbed stability（责任编辑 王德平）（上接第 140 页）147