弯曲河流裁弯过程与机理综述

裁弯是弯曲河流演变过程的一种限制弯道形态继续发展的地貌突变事件,弯道裁弯过程驱动新河道开始新一轮周期性演变。目前对于弯曲河流裁弯的形态动力学过程、发生模式与机理和裁弯后上下游河道的响应仍需要进一步系统的归纳和综述。基于弯曲河流的颈口裁弯和斜槽裁弯已有研究成果,根据野外观测与遥感解译、水槽实验和数值模拟成果对裁弯过程与机理的研究进展进行全面总结,综述人工裁弯工程的相关研究成果。弯曲河流裁弯演变的进一步研究方向应考虑漫滩水流、滨河植被和渗流作用对裁弯过程的影响。

弯曲河流颈口裁弯不同阶段水流运动特性

为研究颈口裁弯水动力过程,以黄河源若尔盖盆地的弯曲河流裁弯观测资料为基础,基于不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程、k-ε紊流模型和有限体积法建立水动力数学模型,通过垂向σ坐标变换考虑自由水面的变化,分析颈口裁弯形成过程中的新河槽分流、三维流场变化和上、下游河道水流结构。伴随裁弯的逐步发展和新河槽的展宽,新河道宽深比和分流比均逐渐增加,分流比与宽深比之间呈线性正相关关系。裁弯初始阶段时,原河道的流速分布基本不受影响。由于新河道分流比逐渐增加,老河道流量、平均水深和平均流速均逐渐减小,新河道流量则逐渐增加,且平均水深和平均流速呈先增大后减小的规律。裁弯不改变颈口上游河道流场,明显改变裁弯下游弯道的弯顶处水流结构。

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明:受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。

黄河源典型弯曲河流颈口裁弯事件及时间序列

基于2000-2016年的Google Earth和1990-2000年的SPOT高分辨率遥感影像,选取黄河源若尔盖盆地区域的黑河、德讷河曲、哈曲和白河支流瓦切河等4条典型弯曲河流,统计分析颈口裁弯遗留牛轭湖的形态参数,确定已知裁弯事件次序,建立裁弯事件的相对时间序列。研究表明,4条弯曲河流共计105个颈口裁弯事件,其中超过50%的牛轭湖残余弯曲度小于10。裁弯事件发生的相对时间范围为5~90年。黑河和德讷河曲上游河段的裁弯频率高;而哈曲和瓦切河下游河段的裁弯频率高。基于已发生颈口裁弯的统计分析推测:黑河、德讷河曲、哈曲和瓦切河未来80年将可能发生约39次裁弯事件。研究成果可为特定弯道的颈口裁弯过程的原型观测提供参考。

平滩流量条件下颈口裁弯及渗流影响的实验研究

为揭示平滩流量条件下弯曲河流颈口裁弯及渗流作用,采用概化的弯道水槽实验,根据平滩流量在研究区间范围变化的特性,分析裁弯前颈口缩窄过程和渗流变化及裁弯后河道的形态发展。结果表明:颈口宽度的减小经历快-慢-快的过程,最终实现裁弯。裁弯后在新河道贯通的20~30 min内,河道展宽速率最大,裁弯后3~6小时内,河道展宽速率呈减小趋势,之后新河道宽度缓慢增加直到达到稳定。颈口渗流量急剧增加时,土体结构遭到破坏,颈口土体更容易在近岸水流冲刷下坍塌,最终实现颈口裁弯。

黑河下游河岸侵蚀触发颈口裁弯的数值模拟概化研究

为复演黄河源黑河下游河岸侵蚀触发颈口裁弯的极端地貌过程,基于2018年7月实测洪峰流量过程,采用断面尺度的崩岸模型(BSTEM),以1d为时间尺度概化模拟在3种不同侵蚀方式(上游单侧、下游单侧和上下游两侧共同作用)下的颈口缩窄过程与裁弯时间.采用上下游两侧共同作用的河岸侵蚀模拟的结果表明,颈口贯通的时间为2018年7月15日,这与崩岸贯穿颈口的实际时间是一致的.颈口双侧崩岸比上游或下游单侧崩岸触发颈口裁弯的时间分别提前2d或6d.可知,极端洪水作用下的加速河岸侵蚀是黑河下游弯道提前发生颈口裁弯的直接触发原因.

弯曲河流颈口裁弯模式与机理

为了揭示弯曲河流颈口裁弯的各种不同模式与内在复杂性,通过判读正裁弯和已裁弯的大量河湾遥感影像,将颈口裁弯分为3种不同力学模式,即崩岸模式、冲切模式和串沟模式,运用力学分析的方法探讨了不同裁弯模式的形成条件、过程与机理。崩岸模式是相当窄的颈口两侧河岸发生崩岸或单侧崩岸引起颈口上下游水流贯通。冲切模式是最普遍的颈口裁弯方式,其过程分为漫滩水流表面冲刷、形成沟槽后集中冲刷和沟槽达到稳定。串沟模式是初次洪水漫滩冲刷形成串沟,后续洪水沿串沟继续冲刷,且以溯源冲刷为主,直至形成新河槽。

不同流量条件下弯曲河流颈口裁弯实验研究

颈口裁弯是弯曲河流演变过程的突变现象,其过程和机制尚未形成统一认识。本文采用室内水槽实验概化模型法,研究恒定流量和变化流量条件下裁弯前颈口缩窄过程、新河道形成及裁弯条件。结果表明,无论流量变化与否,颈口上、下游河岸的侵蚀是触发裁弯的主要因素。弯曲河流的模型河道的弯曲系数为6~7,颈口段宽度与河段河宽比值约0.43,河槽物质为非黏性沙,在单宽流量为0.0039~0.0069 m^(2)/s,纵比降为1‰的条件下,经历足够长时间的河岸侵蚀后可发生颈口裁弯现象。裁弯即将发生时,连续河湾弯曲系数有所增加,河道的平面形态向下游发生旋转。颈口裁弯后,新河道形成经历以纵向冲刷为主、以横向展宽为主和缓慢发展三个阶段。

七弓岭弯道颈口裁弯条件及其对城陵矶水位影响

下荆江与东洞庭湖交汇段的七弓岭弯道,其颈口宽度已远小于河道宽度,而且三峡水库蓄水后清水冲刷河岸,加速颈口河道缩窄,存在漫滩冲刷或崩岸贯穿作用下颈口裁弯的可能性,故研究七弓岭弯道的颈口裁弯临界条件较为迫切。采用水文资料、地形数据和MIKE21水动力模型,建立七弓岭弯道上下游(监利-螺山)的二维水动力学模型,在不同流量和颈口设置不同深度的浅槽条件下,开展颈口裁弯前后的河道水动力数值模拟,分析七弓岭弯道颈口裁弯条件和预测七弓岭裁弯对城陵矶水位的影响。研究表明,七弓岭颈口可能在高水位条件下发生冲切型裁弯和较窄颈口宽度条件下发生崩岸型裁弯,裁弯将导致城陵矶水位至少增加0.3m,这主要是七弓岭下游的洞庭湖入汇长江对七弓岭弯道水位的顶托作用,而且在不同强弱顶托作用下裁弯后新河道与老河道的分流量差值小于上游来流量的1%。