水流蜿蜒弯曲流动平面形态特征要素变化规律研究

祝志豪 林日冰 梁舒婷 曾海燕 佘家俊 广东水利电力职业技术学院

1.前言

大量兴建的水利工程满足了人们对于供水、防洪、灌溉、发电、航运、渔业及旅游业等需求，但人类对河流生态系统的胁迫，导致河流结构改变，服务功能下降，河流形态发生改变。河流生态修复问题引起广泛关注，国内外相关学者及机构开展了大量的相关理论研究与实践工作。保持河流形态的稳定,对河流生态修复工作无疑是有利的，因此，对河流的形态研究有极为重要的现实意义。但对于河流什么时候开始弯曲，弯曲后呈现的平面形态特征如何，却一直缺乏相关的全面深度分析和量化的指标数据。因此，为探讨水流蜿蜒弯曲流动平面形态特征要素变化规律，开展了本次试验研究工作。

2.试验组织与开展

2.1 试验条件

本次试验使用的设备为一台可任意变换坡度的钢化玻璃面板，长2m，宽1.5m。设备变换坡度的范围为0～90°。

2.2 试验内容

为探索水流蜿蜒弯曲平面形态的变化规律，试验中选择水流最大弯曲点、水流摆幅角、水流摆动率、水流长宽比弯曲度、水流最大摆幅角与水流的出流流量、坡度的相关变化关系和规律进行了研究。

2.3 试验成果及分析

2.3.1 各特征要素与坡度相关性

试验中的坡度分为18°、28°、48°三级坡度。

①水流最大弯曲点与坡度相关性。水流最大弯曲点为水流流动形成的平面蜿蜒弯曲形态中起点与最大一个弯曲点的位置距离。探讨水流最大弯曲点与坡度的相关关系时，水流最大弯曲点在三级坡度试验中的次数分别为181次、184次、182次，试验结果见表1及图1。由表1及图1可见，水流最大弯曲点与坡度相关关系良好，呈较好的负相关关系。也就是说，坡度增加时，水流最大弯曲点均值会相应地减少，而坡度减少时，水流最大弯曲点均值则会相应地增加。在水流最大弯曲点与坡度相关关系规律曲线中，第一段即坡度由18°变化为28°的相关关系线在整段关系线中相对较平缓，水流最大弯曲点随坡度变化较缓慢，相关关系式经拟合确定为y=-0.125x+51.19。而在第二段的坡度由28°变化为48°的关系线中，相对较陡峻，水流最大弯曲点随坡度变化较快，相关关系式经拟合确定为y=-0.211x+53.60。

表1 三级坡度下水流最大弯曲点

图1 水流最大弯曲点与坡度变化关系曲线

②水流摆幅角与坡度相关性。水流摆幅角为水流直线向下流动线和水流运动轨迹的起点与终点连线之间的摆动角度。探讨水流摆幅角与坡度的相关关系时，水流摆幅角在三级坡度试验中的次数分别为181次、184次、182次，试验结果见表2及图2。由图2可见，水流摆幅角与坡度相关规律线相关性不佳，水流摆幅角并未随坡度的增减作单一方向的增减变化，显示水流摆幅角与坡度并无直接相关性。

图2 水流摆幅角与坡度变化关系曲线

表2 三级坡度下水流摆幅角

③水流摆动率与坡度相关性。水流摆动率是水流运动轨迹终点相对水流直线向下流动终点的摆动距离与水流宽度的比值。

水流摆动率在三级坡度试验中的次数分别为181次、184次、182次，试验结果见表3及图3。由表3及图3可见，水流摆动率与坡度相关关系良好，在所有水流蜿蜒弯曲流动平面形态特征要素与坡度关系中最近似呈直线相关关系。水流摆动率与坡度呈良好的正相关关系，也就是说，坡度增加时，水流摆动率均值也会相应地增加，而坡度减少时，水流摆动率均值也会相应减少。在水流摆动率与坡度相关关系规律曲线中，第一段即坡度由18°变化为28°的相关关系线在整段关系线中相对较陡峭，斜率较大，水流摆动率随坡度变化较快，相关关系式经拟合确定为y=0.196x+3.56。而在第二段的坡度由28°变化为48°的关系线中，相对较平缓，斜率较小，水流摆动率随坡度变化较缓慢，相关关系式经拟合确定为y=0.173x+4.20。

表3 三级坡度下水流摆动率

④水流长宽比弯曲度与坡度相关性。水流长宽比弯曲度是水流流长与该水流宽度的比值。

探讨水流长宽比弯曲度与坡度的相关关系时，水流长宽比弯曲度在三级坡度试验中的次数分别为181次、184次、182次，试验结果见表4及图4。由表4及图4可见，水流长宽比弯曲度与坡度相关关系良好，呈较好的正相关关系。也就是说，坡度增加时，水流长宽比弯曲度均值会相应增加，而坡度减少时，水流长宽比弯曲度均值则会相应减少。在水流长宽比弯曲度与坡度相关关系规律曲线中，第一段即坡度由18°变化为28°的相关关系线在整段关系线中相对较陡峻，斜率较大，水流长宽比弯曲度随坡度变化较较快，相关关系式经拟合确定为y=2.009x+140.87。而在第二段的坡度由28°变化为48°的关系线中，相对较平缓，斜率较小，水流长宽比弯曲度随坡度变化较缓慢，相关关系式经拟合确定为y=0.896x+172.04。

表4 三级坡度下水流长宽比弯曲度

图4 水流长宽比弯曲度与坡度变化关系曲线

⑤水流最大摆幅角与坡度相关性。水流最大摆幅角是水流直线向下流动线与水流起点和水流最大一个摆动幅度点位置连线的夹角。

探讨水流最大摆幅角与坡度的相关关系时，水流最大摆幅角在三级坡度试验中的次数分别为181次、184次、182次，试验结果见表5及图5。由表5及图5可见，水流最大摆幅角与坡度相关关系良好，呈较好的正相关关系。也就是说，坡度增加时，水流最大摆幅角均值会相应增加，而坡度减少时，水流最大摆幅角均值则会相应减少。在水流最大摆幅角与坡度相关关系规律曲线中，第一段即坡度由18°变化为28°的相关关系线在整段关系线中相对较陡峻，斜率较大，水流最大摆幅角随坡度变化较较快，相关关系式经拟合确定为y=0.129x+12.62。而在第二段的坡度由28°变化为48°的关系线中，相对较平缓，斜率较小，水流最大摆幅角随坡度变化较缓慢，相关关系式为y=0.033x+15.32。

表5 三级坡度下水流最大摆幅角

图5 水流最大摆幅角与坡度变化关系曲线

2.3.2 各特征要素与水流的出流流量相关性

试验中的水流的出流流量分为0.32ml/s、0.49ml/s、0.63ml/s 三级出流流量。

①水流最大弯曲点与水流的出流流量相关性。探讨水流最大弯曲点与水流的出流流量的相关关系时，水流最大弯曲点在三级水流的出流流量试验中的次数分别为184次、182次、180次，试验结果见表6及图6。由图6可见，水流最大弯曲点与水流的出流流量相关规律线相关性不佳，水流最大弯曲点并未随水流的出流流量的增减作单一方向的增减变化，显示水流最大弯曲点与水流的出流流量并无直接相关性。

图6 水流最大弯曲点随水流的出流流量变化关系曲线

表6 三级水流的出流流量下最大弯曲点

②水流摆幅角与水流的出流流量相关性。探讨水流摆幅角与水流的出流流量的相关关系时，水流摆幅角在三级水流的出流流量试验中的次数分别为184次、182次、180次，试验结果见表7及图7。由图7可见，水流摆幅角与水流的出流流量相关规律线相关性不佳，水流摆幅角并未随水流的出流流量的增减作单一方向的增减变化，显示水流摆幅角与水流的出流流量并无直接相关性。

表7 三级水流的出流流量下水流摆幅角

图7 水流摆幅角随水流的出流流量变化关系曲线

③水流摆动率与水流的出流流量相关性。探讨水流摆动率与水流的出流流量的相关关系时，水流摆动率在三级水流的出流流量试验中的次数分别为184次、182次、180 次，试验结果见表8及图8。由表8及图8可见，水流摆动率与水流的出流流量相关关系一般，大致呈正相关关系。也就是说，水流的出流流量增加时，水流摆动率均值会相应增加，而水流的出流流量减少时，水流摆动率均值则会相应减少。在水流摆动率与水流的出流流量相关关系规律曲线中，第一段即水流的出流流量由0.32 m l/s变化为0.49 m l/s的相关关系线在整段关系线中相对较平缓，斜率较小，水流摆动率随水流的出流流量变化较较缓慢，相关关系式经拟合确定为y=0.326x+8.45。而在第二段的水流的出流流量由0.49ml/s变化为0.63ml/s的关系线中，相对较陡峻，斜率较大，水流摆动率随水流的出流流量变化较缓慢，相关关系式为y=16.114x+0.65。

表8 三级水流的出流流量下水流摆动率

图8 水流摆动率随水流的出流流量变化关系曲线

④水流长宽比弯曲度与水流的出流流量相关性。探讨水流长宽比弯曲度与水流的出流流量的相关关系时，水流长宽比弯曲度在三级水流的出流流量试验中的次数分别为184次、182次、180次，试验结果见表9及图9。由表9及图9可见，水流长宽比弯曲度与水流的出流流量相关关系良好，呈较好的负相关关系。也就是说，水流的出流流量增加时，水流长宽比弯曲度均值会相应减少，而水流的出流流量减少时，水流长宽比弯曲度均值则会相应增加。在水流长宽比弯曲度与水流的出流流量相关关系规律曲线中，第一段即水流的出流流量由0.32ml/s变化为0.49ml/s的相关关系线在整段关系线中相对较陡峻，斜率较大，水流长宽比弯曲度随水流的出流流量变化较快，相关关系式经拟合确定为y=-30.106x+40.56。而在第二段的水流的出流流量由0.49ml/s变化为0.63ml/s的关系线中，相对较平缓，斜率较小，水流长宽比弯曲度随水流的出流流量变化较缓慢，相关关系式为y=-27.643x+39.35。

表9 三级水流的出流流量下水流长宽比弯曲度

图9 水流长宽比弯曲度随水流的出流流量变化关系曲线

⑤水流最大摆幅角与水流的出流流量相关性。探讨水流最大摆幅角与水流的出流流量的相关关系时，水流最大摆幅角在三级水流的出流流量试验中的次数分别为184次、182次、180次，试验结果见表10及图10。由图10可见，水流最大摆幅角与水流的出流流量相关规律线相关性不佳，水流最大摆幅角并未随水流的出流流量的增减作单一方向的增减变化，显示水流最大摆幅角与水流的出流流量并无直接相关性。

表10 三级水流的出流流量下水流最大摆幅角

图10 水流最大摆幅角随水流的出流流量变化关系曲线

3.结论

本次不同坡度、流量条件下的水流蜿蜒弯曲流动平面形态特征要素变化规律试验，探讨研究了水流最大弯曲点、水流摆幅角、水流摆动率、水流长宽比弯曲度、水流最大摆幅角等特征要素与水流的出流流量、坡度的相关关系和影响规律。

试验成果表明：

（1）各平面形态特征要素中，水流最大起弯点、水流摆动率、水流长宽比弯曲度、水流最大摆幅率与坡度相关关系良好，水流摆幅角与坡度相关关系不佳。其中水流摆动率与坡度相关关系最佳，最为接近直线相关。水流摆动率、水流长宽比弯曲度、水流最大摆幅率与坡度呈正相关关系，而水流最大起弯点则与坡度呈负相关关系。

（2）各平面形态特征要素中，水流长宽比弯曲度与水流的出流流量相关关系良好，水流摆动率与水流的出流流量相关关系一般，水流最大起弯点、水流摆幅角、水流最大摆幅角与水流的出流流量相关关系不佳。其中水流长宽比弯曲度与水流的出流流量相关关系最佳，最为接近直线相关。水流摆动率与水流的出流流量呈正相关关系，而水流长宽比弯曲度则与水流的出流流量呈负相关关系。

（3）相对于水流的出流流量，坡度与水流各平面形态特征要素的相关性更好，关系更为紧密密切。