水流蜿蜒弯曲起弯点变化规律研究

陈楷烁CHEN Kai-shuo；赖永辉LAI Yong-hui；唐妍TANG Yan；祝志豪ZHU Zhi-hao

（广东水利电力职业技术学院，广州510000）

0 引言

自然界中的诸条河流，形态各异，仪态万方。根据其平面型态及演变规律特性的不同，主要分为顺直型、弯曲型、分汊型、游荡型等四类[1]。其中，弯曲型河流由于数量众多，流域宽广，对人类社会经济发展影响力巨大，是与我们人类的生产生活关系最为贴切紧密的代表性河流[2-3]。近几十年来，随着我国经济社会的飞速发展，各种生产活动的开展以及大规模城镇建设活动，对包括弯曲型河流在内的各类河流均造成了极大的外在影响[4-7]和胁迫[8]，导致其流域下垫面条件[9-11]发生了巨大变化，原来随着千万年历史时间沉淀形成的相对平衡和稳定的态势被干扰甚至打破。在此情势下，针对新的上游来水来沙水文条件以及已发生变化的流域下垫面条件，分析确定新情势下的科学稳定河型，对保持河势稳定，达到河流两岸的长治久安，有着极为重要的现实意义[12]。而其中首要的，是对弯曲型河流的起弯点的研究工作，以求在确定起弯点后，再辅以其下的合理蜿蜒弯曲外形，实现相对稳定的合理河型。针对该问题，开展了本次在不同坡度、流量条件下的水流蜿蜒弯曲自流动起弯点变化规律试验研究。

1 试验组织与开展

1.1 试验条件

本次试验主要在一台由可任意变坡的长2m，宽1.5m的钢化玻璃面板和便于套绘水流流路变化的辅助构件，以及相关操作设施共同组成的试验设备上进行。该设备坡度变化范围为：0～90°。

1.2 试验内容

为探索水流蜿蜒弯曲起弯点的变化规律，试验中选择水流弯曲起弯点距离（从水流自流动的起点，至水流由顺直型态演化到明显弯曲型态的拐点，两者间的直线距离）与水流出流流量、坡度、流速、水流宽度等不同因素的相关关系和规律进行了研究。

试验中的水流出流流量、坡度、流速、水流宽度等在不同的流量和不同的坡度下进行的水流自流动试验中测算获得。根据试验坡度，流量的差别，对流量、坡度分为3 级不同流量级和3 级不同的坡度组合。具体地，按照出流能力大小的不同，流量分为20～40ml/s、40～60ml/s、60～80ml/s三级流量组，并将其分别命名为流量组1、流量组2 和流量组3。坡度方面，在初步探索试验条件时，观察到玻璃面板坡度小于10°时，水流虽呈蜿蜒弯曲形态，但水流弯曲幅度较小，流路不清晰，规律性不明显，因此，选用18°、28°、48°三级坡度分别进行研究。试验中的水流宽度由测量仪器直接读数记录获得。对于水流流速，由于试验刚开始时，水流呈直线下泄流动态势，随后才逐渐发生弯曲，由水流滴水点至出口的直线距离，除以水流直线下泄时从进口至出口的时间，所得比值即为流速数值。

2 试验过程、成果及分析

2.1 起弯点距离与流量变化相关性

2.1.1 直接相关性分析

试验中流量变幅在0.2～0.8ml/s 之间，其中大部分集中在[0.2～0.7]ml/s 内，占实验总次数的98%。由图1 可见，随着流量的增大或减少，起弯点距离并未出现明显的相关变化，起弯点距离与流量的关系点据较为散乱，并未呈现清晰的趋势性规律变化，说明起弯点距离与流量的直接相关性不强，两者间的直接关系不明显。

图1 起弯点距离与流量关系图

2.1.2 变换后的相关性，起弯点距离/流量与流量变化相关性分析

因起弯点距离与流量的直接相关性不强，通过变换参数进行相关性分析研究。将相关参数变换为起弯点距离/流量，以探索起弯点距离/流量这一变换后的参数与流量的相关关系，详见图2 三级流量下起弯点距离/流量变化规律图和表1。图中，横坐标为三级流量下按流量自大而小的排序序号，纵坐标为起弯点距离/流量，所得点据形成三级流量下起弯点距离/流量的变化规律。根据试验成果数据，对应于0.2～0.8ml/s 的来流流量，起弯点距离/流量的变动幅度在0.01～88.42cm·s/ml 之间，均值为19.75cm·s/ml。对应于三个流量级，起弯点距离/流量的均值依次为12.82、20.62、25.66cm·s/ml，其中大部分数据主要集中在[5～21]之间，占总数据量的约66%。

由图2 和表1 点据可见，经转换之后，起弯点距离/流量与流量的相关性显著增强，表明起弯点距离/流量这一变换后的参数与流量有着良好的相关关系。随着流量的逐步减少，起弯点距离/流量参数呈现明显的逐步递减态势，显示起弯点距离/流量与流量间两者有着良好的负相关关系。同样地，在均值方面，三级流量逐步递减时，起弯点距离/流量参数均值同步呈现逐步递增变化情况，从12.82 增加至25.66cm·s/ml。

图2 三级流量下起弯点距离/流量变化规律图

表1 起弯点距离/流量随三级流量变化统计

2.2 起弯点距离与坡度变化相关性

2.2.1 直接相关性分析

探究起弯点距离与坡度的直接相关关系时，试验中的坡度组合为18°、28°、48°。由图3 可见，起弯点距离与坡度的关系点据较为散乱，并未呈现清晰的趋势性规律变化，说明起弯点距离与坡度变化的直接相关性不强，两者间的直接关系不明显。

图3 起弯点距离与坡度关系图

2.2.2 变换后的相关性，起弯点距离/坡度与坡度变化相关性分析

试通过变换参数方式进行探究，将相关参数整理变换为起弯点距离/坡度，以探索起弯点距离/坡度这一变换后的参数在三级坡度下的变化规律。详见图4 三级坡度下起弯点距离/坡度变化规律图和表2。图中，横坐标为三级坡度下所做试验排序，纵坐标为起弯点距离/坡度，所得点据形成三级坡度下起弯点距离/坡度的变化规律。试验成果数据显示，三级坡度下，起弯点距离/坡度的变动幅度在0.04～2.11 之间，均值为0.42，对应于三级坡度，起弯点距离/坡度的均值依次为0.30、0.38、0.60，其中大部分数据主要集中在[0.1～0.4]之间，占总数据的约68%。

由图4 和表2 点据可见，经转换之后，起弯点距离/坡度与坡度的相关性显著增强，随着坡度的3 级递增变化起弯点距离/坡度呈现明显的逐步递减态势，这显示两者有着良好的负相关关系。同样地，在均值方面，三级坡度逐步递增时，起弯点距离/坡度距离参数总体同样发生逐步递减变化。

图4 三级坡度下起弯点距离/坡度变化规律图

表2 起弯点距离/坡度随三级坡度变化统计

2.3 起弯点距离与水流宽度变化相关性

2.3.1 直接相关性分析

探究起弯点距离与水流宽度变化的直接相关关系时，试验中的水流宽度变幅在0.3～1.0cm 之间，大部分的数据主要集中在[0.4～0.7]cm 内，占总数据的52%。由图5 可见，明显的，起弯点距离在水流宽度的变化过程中，无论是逐步增加或逐步减少，其相应变化并不能引起起弯点距离的规律性变化，说明两者之间的不存在良好的直接相关性。

图5 起弯点距离与水流宽度关系图

2.3.2 变换后的相关性，起弯点距离/水流宽度与水流宽度相关性分析

通过变换参数方式进行探究，将相关参数变换为起弯点距离/水流宽度。详见图6 起弯点距离/水流宽度与水流宽度相关性变化规律图。此时，据成果数据，起弯点距离/水流宽度的变动幅度在1.43～100 之间，均值为18.42，其中大部分数据主要集中在[5～20]之间，占总数据的约62%。

由图6 点据可见，经转换之后，起弯点距离/水流宽度与水流宽度的相关性依旧不显著，当水流宽度逐步增加或者减少，起弯点距离/水流宽度这一变换后的参数并未出现相应的明显跟随性变化，点据较为散乱。据此，即使在进行了起弯点距离/水流宽度与水流宽度的变换性相关分析后仍然不存在接近性的相关关系，说明起弯点的形成与水流宽度之间基本上不存在任何直接性或间接性的相关关系。

图6 起弯点距离/水流宽度与水流宽度相关性变化规律图

2.4 起弯点距离与流速变化相关性

2.4.1 直接相关性分析

探究起弯点距离与水流流速变化的直接相关关系时，试验中的流速变幅在10～58cm/s 之间，大部分的数据主要集中在[11～38]内，占总数据的86%。由图7 可见，起弯点距离与流速的关系点据较为散乱，并未呈现清晰的趋势性规律变化，说明起弯点距离与流速变化的直接相关性不强，两者间的直接关系不明显。

图7 起弯点距离与流速关系图

2.4.2 变换后的相关性，起弯点距离/流速与流速变化相关性分析

探究起弯点距离与流速的变换性间接关系时，同理，进行变换，将相关参数变换为起弯点距离/流速。详见图9起弯点距离/流速与流速相关性变化规律图。图中，横坐标为水流流速，纵坐标为起弯点距离/流速。根据试验中数据，起弯点距离/流速的变动幅度在0.05～2.76 之间，均值为0.38，其中大部分数据主要集中在[0.09～0.5]之间，占总体数据约75%。

由图8 点据可见，经转换之后，起弯点距离/流速与流速的相关性显著增强。随着流速的逐渐递增，起弯点距离/流速呈现明显的对应性逐步递减态势，这显示两者有着良好的负相关关系。

图8 起弯点距离/流速与流速相关性变化规律图

2.5 试验成果综合分析

综合以上试验相关数据和成果，可以看出，水流自流动蜿蜒弯曲演进过程中，起弯点的存在与发生，受流量、坡度、水流流速等几个因素的影响，与该几个因素有着一定的间接性相关关系，呈现一定程度的负相关关系和变化。于此同时，水流自流动起弯点，与水流的宽度则基本不受其变化，不产生直接或间接性变化影响。

3 结论与展望

①对弯曲型河流的起弯点进行研究，以辅助确定冲积河流的合理蜿蜒弯曲外形，实现相对稳定的合理河道态势，对于已受到前期不合适整治的河流的自然修复与恢复，根据河流自身的发展趋势和特点来重新塑造河型，从而实现河流的安全行洪泄洪，维持河道河势的稳固久安，有着极为重要的现实应用价值和科学研究意义。

②本次不同坡度、流量条件下的水流蜿蜒弯曲自流动起弯点变化规律试验研究，探索研究了水流弯曲起弯点与水流出流流量、坡度、流速、水流宽度等诸因素的定性相关关系和影响规律。试验成果表明：水流弯曲起弯点虽然与流量、坡度、流速、水流宽度等因素间没有直接相关关系，但变换后的水流弯曲起弯点与流量、坡度、流速的比值，却与相关因素有着间接影响关系，呈一定程度上的负向相关。但自始至终，水流弯曲起弯点与水流宽度之间，无论是直接相关还是间接相关性，均不存在紧密的相关关系，相关关系点据呈无相关关系的散乱态势。

③本次试验是在一定流量与坡度变化范围内，探讨的单一水流的水流弯曲起弯点影响变化规律，而非有着河岸边滩与河流的真实河流，虽然给出和说明了相关各因素的影响数值变化范围，但与实际情况仍有一定的差距，主要仍为定性探索研究。河流起弯点的具体位置及相关因素影响变化具体量值，建议在下一阶段结合实践的实地模拟研究中予以进一步深入研究和定量确定。

注：对周聪、刘丹、李上艳、郭毅林、许锦怡、庄依洁、梁舒婷、林日冰等同学在本项研究中的辛勤试验工作致以衷心感谢！