河流弯道演变试验研究：发现一般发育过程

7.2　试验河流的一般发育过程

与天然河道相比，试验小河的发育速度快了许多，从初始河槽到最终河道形态的完成只需数十小时，快的只要几小时。由于塑料沙的比重较小，塑料沙组成的河道变化更加迅速和剧烈。河道塑造的时间显著缩短，试验周期也大为简缩。通常试验开始几分钟内，河道就开始弯曲；随着时间的推移，全河道的弯曲河道逐渐形成，河道形态发生剧烈的变化，弯曲和裁弯、歧弯的发展同时进行，河道在弯顶处横向展宽；随着蜿蜒的快速发展，不断地冲刷边滩和裁弯取直，河道下游开始展现典型的游荡特性，并随着时间的推移，游荡特性逐渐向上游发展；1～3小时后，最终的游荡河型大体形成。图7-1为试验A3-1-1的河道发展历程，图中可见，随着时间的推移，河道从初始的顺直到弯曲最后游荡的变化过程。

7.2.1　河床展宽速率

随着试验的进行，在相同的初始顺直河槽和相同的来流量下，由于河床组成的不同，河床展宽的速率不同。图7-2是不同河床组成河流在比降为0.0001、流量为0.15 m³／h时的河槽展宽情况，由图可见，随着组成河床的塑料沙比重的增加，河槽展宽的速度变小，趋于平衡的时间也变短。

图7-1　试验A3-1-1河道发展历程

图7-2　不同河床组成河流河槽展宽率比较

此外，河床的展宽速率还与代表水流能量的流量、比降有关。当流量较大、比降较陡时，河床展宽速率较大；当流量较小、比降较平时，河床展宽速率较小。

7.2.2　河流的弯曲趋势

试验表明，不同试验条件的河流，在自然发育过程中，均有弯曲的趋势。试验开始为顺直的河槽，经历一段时间后，水流均有不同程度的弯曲现象，河岸也变得犬牙交错、凹凸不平。

几乎是水流流过整个河槽的同时，最轻的A组沙组成的河道就开始弯曲，B组沙组成的河道弯曲出现稍慢一些，通常在5分钟左右河槽就会出现连续的弯道，而C组沙组成的河道通常要在15分钟左右才能出现弯曲，对比以往的天然沙和煤粉（连续弯道至少在1小时之后才能出现），河床变形迅速得多。图7-3为比降为1‰、流量为0.3m³／h时，不同模型沙河槽30分钟的岸线变化。由图可见，随着粒径、比重的减小，河床河岸稳定性减弱，河岸线有变得更凹凸不平的趋势。

图7-3　不同河床组成模型小河30分钟的岸线变化

图7-4　模型沙E河槽最终岸线形态

仅当河床组成为较均匀的最粗沙E时，由于水流能量的限制，水流几乎无法起动泥沙、重新塑造河岸，河槽岸线在较长时间仍保持顺直。图7-4为不同比降下模型沙E组成的河槽最终岸线图。由图可见，河槽除试验开始阶段有平行展宽外，河道变化基本顺直，比降变化对河岸形态影响极小。这主要是由稳定性过强的河床河岸决定的。

试验河流发育的弯曲趋势与天然河流是一致的，天然河流中，几乎找不到超过10倍河宽长的直河道。河道水流的弯曲趋势，最早有学者认为是科氏力的影响，如北极附近的几条河流，河口处的弯曲是非常剧烈的^［3］；Yang^［4］以赤道附近的河道进行了反驳：赤道附近的河道科氏力非常小，但也难以找到近乎顺直的河流。

统计多条试验小河的左右岸岸线展宽率对比（图7-5），可以看出：在多数河流中，右岸展宽率大于左岸；少数区别较小，甚至存在左岸大于右岸的组次。试验结果表明：在河流弯曲的过程中，科氏力的作用确实存在；但紊流流态的紊乱，也是导致河流岸线凹凸不平的重要原因。

图7-5　试验河流左右岸岸线展宽率对比

7.2.3　河床形态变化

伴随水流弯曲、河岸不均匀展宽的，是河床形态的变化。随着试验的进行，河床的不同形态逐渐出现，包括小规模的沙波、沙纹，大规模的沙垄，以及水流冲刷下切形成的边滩、浅滩等。(www.xing528.com)

7.2.3.1　沙波、沙纹、沙垄

试验过程中，可明显地看出沙波的形成与河床组成、比降和流量三个基本条件都有关系。当河床组成泥沙粒径过大（D3），改变流量和比降，河槽底部都很平坦，没有沙波。而粒径过小时（D2），每一个流量和比降的河槽都产生沙波。泥沙粒径为中等（D1），流量为满槽流量（1.5 m³／h）时，每一组比降都使河槽产生沙波；流量为0.75 m³／h时，比降大于0.6‰，河槽平坦；小于0.3‰，产生沙波。图7-6为规则的舌状沙波。

图7-6　规则的舌状沙波

当河床组成为比重较小的模型沙时，在试验范围内，难以看到成规模的沙波、沙纹形成，除与水流条件有关之外，较小的水下休止角也是一个重要原因。

试验河流的沙波、沙纹、沙垄除与天然河流相似的形态、形成特征之外，还有其自身的特点。首先因试验河流较小，而沙波等的形态相对较大，当河槽初步形成之后，沙波的推移便成了河床变化的一个主要形式，体积上甚至可与边滩相比；随着河流的展宽，水流的摆动，沙波又不断得到冲刷切割，最终的河槽中的沙波往往是很不规则的（图7-7）。

沙波、沙纹、沙垄等成型淤积体的形成，是河槽对水流条件的反馈。成型淤积体形成之后，床面阻力增加，水流造床作用减弱，河道逐渐趋于稳定。

7.2.3.2　边滩、浅滩

随着河流发育的继续，出露水面的边滩和不出露的浅滩逐渐出现，边滩与浅滩的出现、存在、消亡，直接影响了河流的最终河型。

河床组成不同，试验河道出现弯曲的时间有较大的差别。连续弯道形成之后，接下来就是典型的凹冲凸淤，河道进一步展宽。与此同时，由于边滩的稳定性较差，弯道水流很容易切割边滩，实现裁弯取直，并导致上下一系列弯道的变化。河道在弯曲、裁弯、再弯曲的循环中不断展宽，当下游逐渐形成宽浅的河床，逐渐阻碍了典型弯道的进一步形成，河道从此展现游荡河流的特性。整个弯曲河道持续的时间与河床组成以及河谷比降有关。A组沙弯曲型河道持续时间不过10分钟左右，而C组沙河道则可持续一个小时甚至更长。

图7-7　切割后不规则的沙波与边滩形态

当流量为0.3时，A组沙弯道的弯顶冲刷使得河道横向发展迅速，经常扩展到水槽的边缘。图7-8为试验A1-2-120分钟的河道形态。

图7-8　试验A1-2-1河道形态（20分钟）

多次水槽试验结果表明：游荡型河流和弯曲型河流的发展最初过程一致，均有一个弯道—边滩的形成过程。当边滩抗冲性较强、能够稳定存在时，河流呈现弯曲型；当边滩不断经历形成—切割—消亡—形成的循环时，经历一段时间后，河流最终为多汊游荡型。

前人的河型试验的关键也在于稳定边滩的能否形成。唐日长^［5］在试验中通过植草等手段人为护住边滩最终获得弯曲河流，这种曲流是否是河流的自由发育的结果是值得商榷的。尹学良^［6］、Schumm^［7］等采用在水流中加入黏土、Smith^［8］干脆采用黏性极强的高岭土、玉米粉等的混合物，也是为了加固边滩，从而得到稳定的曲流。

除适当的来沙条件有利于边滩的稳定外，有利的物质组成、边滩自身较河床更强的抗冲性也是边滩稳定的一个重要原因。试验中，当河床组成分选度较差、泥沙不均匀时，边滩较稳定；当河床组成为匀质沙时，边滩较不稳定。这是因为河床组成泥沙不均匀时，边滩组成物质可逐渐粗化，从而稳定性增大。图7-9为粗化率（边滩河槽床沙d 50之比）与边滩存在时间的关系。由图可见，边滩组成较河床越粗，稳定性越强。

图7-9　边滩d 50与存在时间的关系

边滩发育与河床形态发育的密切联系，后文我们将结合具体类型进一步分析。