平原河流弯道特性探究

2.2　平原河流弯道的一般特性

前文所述，弯曲河道的发育应该具有三个层次：（1）只要有水流弯曲，就有一定程度的弯道水流特性；（2）只要有弯道水流特性，就有一定程度的弯道泥沙运动规律和河床演变趋势；（3）有了弯道水沙特性、弯道演变特性，河流是发育成弯曲河流，还是形成辫状、分汊或游荡河流，还有待于边界条件等种种内部、外部条件。本处以平原河流为例，来分析弯曲河道的三个特性。

2.2.1　弯道的水流特性

水流形成弯曲水流后，必然有两个作用力发生：

（1）向心力。由于水流的惯性以及为适应曲线运动的向心力需求，对水流表现为离心力，往往导致凹岸水面升高、凸岸水面降低，水面出现横比降，横断面上形成表层由凸岸流向凹岸、底层由凹岸流向凸岸的横向环流（图2-1）。

图2-1　弯道水流及单位水柱受力情况（钱宁，1989）

（2）科氏力（科里奥利力，Coriolis force）。水体在运动中要受到地球自转的影响。由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照体系，因而地球上物质的运动会受到科氏力的影响（除非沿赤道运动）。科氏力公式为：

式中，F为科里奥利力，m为质点的质量，v′为相对于转动参考系质点的运动速度（矢量），ω为旋转体系的角速度（矢量）。科氏力并不能直接产生弯曲，却给直线运动带来了弯曲的分量，在某种程度上有利于弯曲的形成。(www.xing528.com)

2.2.2　弯道的输沙特性

一般说来，河流水体含沙量与水深有关：通常表层水体含沙量最小，悬沙颗粒较细；越靠近河床底部，水体含沙量越大，悬沙颗粒相对较粗。弯道螺旋流的水流结构，有助于将表层较清的水流输向凹岸，而底层较高浓度泥沙输往凸岸。这也是弯道“凹冲凸淤”的动力根源。

2.2.3　弯道形成与演变特性

早在1908年，O.Fargue根据在法国加隆河上长期的观察结果，提出了河湾的五条基本定律，一直被奉为圭臬。主要包括：

（1）河流的深泓线迫近凹岸，凸岸则淤积形成边滩。

（2）凹岸深槽的水深和凸岸边滩的宽度，均因河湾曲率半径的减小而增大。

（3）深槽水深和边滩宽度最大的地方，与弯道曲度最大处（河湾湾顶）并不相重，而是位于后者的下游。在两个弯道之间过渡段浅滩最高点与河湾转折点之间，相应地也有一个距离上的位差。

（4）河槽的稳定性与平面外型的圆滑性，因曲度的渐次改变程度而异。曲率半径的突变会带来扰动，造成河槽形态上的不规则性，产生深潭与沙洲。这些深潭或沙洲虽经回填或疏浚，日久以后仍会再次出现。

（5）以上规律仅适用于河湾长度与河宽的比值比较适中的情况。