河流再造床水槽试验：床时空演替现象及河流弯道演变与转化的研究

9.3　河流再造床时空演替现象的水槽试验研究

为了进一步研究和分析河流再造床过程中的时空演替现象，我们进行了概化水槽试验。主要有两个试验目的：（1）在边界条件较一致的试验河流中分析和验证河流发育过程中的时间系列和空间系列的演变规律和趋势，研究时空演替现象；（2）在试验的基础上，尝试不同的数学模式，以求提高时空演替理论的准确性和预测精度。

本章涉及试验是河型概化水槽试验研究的一部分，在前文述及各种类型试验中抽取若干测次，进行了适当的数据测量加密而得。试验背景如试验设备、测次内容及编号如第6章。

9.3.1　过程相似

水槽试验结果证明，模型河流的发育过程中普遍存在较典型的时空演替现象。其中顺直入流河道和侧向入流河道出现了略有不同的河型发育过程。

9.3.1.1　顺直入流河道

试验A 8-1-1是大水槽试验，比降1‰，河床为均匀松散的精煤，河流最终发育为游荡型河流。

试验开始、水流进入河槽后几分钟，河岸开始侵蚀塌落，全河道形成犬牙交错的形态，主流开始由直线变为微弯，但摆幅很小。水流真正的弯曲发育始于河槽出口段。随着大量床沙流出出口控制点，出口段河槽开始大幅度地展宽，在试验进行4小时后，出口段河宽已展宽到60cm，出现了曲率半径约1m、摆幅约50cm的连续弯道，此时中游段和上游段维持顺直河型，见图9-5（1）。

图9-5　顺直入流河道的发展历程

随着试验时间的推移，河道展宽逐渐向上游发展，河湾也相应逐渐向上游发展；而出口段弯道边滩难以维持，被水流切割冲刷，主流开始分散，河道游荡性增强。图9-5（2）为15小时平面形态，图中河道上游为顺直型，中游弯道发育，下游主流散乱，具有部分的游荡河型特征。

随着试验的继续进行，展宽、弯曲、主流分散顺次向上游推进。图9-5（3）为72小时平面形态。由图可见，弯曲段已发展到上游河道，而中下游河段均呈现了主流散乱、滩槽密布的游荡特性。

图9-5（4）为144小时平面形态。由图可见，弯曲段还在缓慢上移，而下游的游荡河型已基本发育完成。

其他多个顺直入流模型河流都有类似的发育过程，对于模型小河中下游单个河段，河型有顺直—弯曲—游荡的发育过程，与空间上由上而下的表现完全一致，随着时间的推移，空间上河型发育向上推移。时间系列和空间系列相似性良好。

9.3.1.2　侧向入流河道

在研究入流角对弯曲河道形成影响的试验中，我们发现有侧向入流的河流，河型发育过程具有与顺直入流河流不同的规律。

图9-6为试验B 8-2模型河流的发育过程。水流进入河槽之后，河槽顺直，但由于入口处有较强烈的侧向入流，水流偏右岸，并由右岸折回，形成弯曲形态。随着时间的推移，第一个弯曲水流完成后开始冲刷左岸，折回成第二个弯曲水流。由此，弯道顺次向下形成。最终形成全河槽的弯道形态。此时空间系列的弯道是由上游开始，再逐渐向下游发展；其中某河段的时间系列也同样具有先顺直后弯曲的发展规律。

图9-6　试验B 8-2河道发育过程简图

由于河谷比降仅0.1%，试验B 8-2河槽受河道出口的侵蚀基准点的影响较小。对于比降稍大的B 8-3（比降为0.2%），河道侵蚀基准点的影响明显得多。试验开始后，上游以入流角的影响为主，下游则为侵蚀基准点的影响。最终在中下游可以同时看见侵蚀基准点和入流角的影响；两者交织在一起，最终形成了有弯曲主流、无边滩发育的特殊的河道形态（图9-7）。

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图9-7　试验B 8-2最终河道照片（灰线为深泓位置）

无论是顺直入流还是侧向入流均明确地反映了河流发育过程中河型过程的时空相似。两者发育的不同仅是因为河型的变源的不同：前者是侵蚀基准面的影响，而后者是入流角的影响以及其和侵蚀基准面影响的叠加。相应与时间系列对应的空间系列方向性也有所变化：对于顺直入流，是逆流而上；对于侧向入流，当入流角作用居于主导位置时，为顺流而下；当入流角与侵蚀基准点的作用交杂在一起时，时间系列和空间系列都具有复杂的特征。

9.3.2　特征值变化相似

模型河流发育的过程中，不仅有河型过程定性上的时空相似，部分组次河流发育甚至在定量上呈现良好的时空相似性。

把整河段人为地等分为7小段（6个断面）并取各要素均值，在试验进行到一定程度时将这6个断面的特征值连续起来充当空间系列；另取典型断面试验开始之后随时间变化的特征值连续起来充当时间系列；借以对比分析时空相似和时空演替现象。

对比了宽深比）、深泓弯曲度（S）、河床组成泥沙中径（d₅₀）、过水面积（A）和能耗值（N）五项指标。宽深比是反映河相关系的一个重要指标，宽深比的大小直接反映了河流是窄深或是宽浅；深泓弯曲度是河流弯曲与否的一个重要指标；河床组成中值粒径反映了河道的粗化程度；过水面积的大小反映了断面的平均流速，断面平均流速和水面比降的结合可以计算河段能耗值，计算式为：

9.3.2.1　顺直入流

试验A 8-1-1时间系列与空间系列变化过程对比结果如图9-8。由图可见，在试验A 8-1-1河流的发育过程中，宽深比、深泓弯曲度、河床组成泥沙中径、过水面积和能耗值均有不同程度的时空相似。宽深比、深泓弯曲度变化曲线中存在拐点，这是因为在河型的发育过程中有顺直—弯曲—游荡的变化，其中形态较弯曲时河道变窄深，此时宽深比有一个极小值，深泓弯曲度有个极大值。随着空间或时间的推移，泥沙中径都是一直增大的。过水面积和能耗率的相似规律不是很显著，这与量测的精度有一定的关系。

9.3.2.2　侧向入流

试验B 8-2时间系列与空间系列变化过程对比如图9-9。由于试验在小水槽进行，能耗率与深泓弯曲度难以量测，仅对比了宽深比、泥沙中径和过水面积三项指标。

由图9-9可见，时空演替的规律在宽深比、泥沙中径和过水面积这三项指标上吻合良好。河流特征值的变化过程，与上节所述的发育现象是对应的，影响三者大小的最重要的因素是曲流的形成与否。

9.3.2.3　特征值变化相似的复杂响应现象

尽管与天然河流相比，模型小河时空系列的相似性在定量上要准确很多，但由于种种原因，这种相似性依然不够明晰，也具有复杂响应现象。

张欧阳^［9］认为将时间复杂响应过程和空间复杂响应过程作比较，各指标在时间过程上的变化和在空间过程上的变化除B、B／H外，其余各项的变化趋势基本一致，这表明时间复杂响应过程和空间复杂响应过程具有密切的关联性，它们既可以相互代替，又对水沙的响应过程表现出复杂性，体现出了河型演变过程中的时空复杂响应现象。

图9-8　试验A 8-1-1时间系列与空间系列变化过程对比

图9-9　试验B 8-2时间系列与空间系列变化过程对比