为什么河流的凹岸受到侵蚀,凸岸发生堆积?

Question

如题所述

Answer 1

是由于地转偏向力的影响
平原河流的治理方法、理论与实践（中）
（讨论稿）
林一山

三、曲流、弯道与流场

不难看出，改造一条平原河流，应从两个方面考虑。一是在上游兴建枢纽，以拦河坝为主要矛盾方面来控制河流，调节来水来沙量，从而改变河道的水流条件；二是改变河床的边界条件，即依靠河床的岸边工程或其他整治工程作为矛盾的主要方面，调整水流的流场，达到人们预期的目标。第一方面的内容，我们已在前文中作过讨论，后一方面的内容就是要研究河道本身的整治工程问题，这是本文的主题。
对于平原河流而言，要控制其河势变化，就必须实施河岸整治工程。对于已满足防洪和对国民经济各部门均较有利的河势，常常采用护岸工程以保护并稳定该段河势，对不利于防洪和国民经济发展的河势；就必须采取整治工程或工程河段来调整或改造河势，使其向有利的方向发展。通过工程河段来调整和改造河势，难度很大、要求很高，通过岸边工程的实践将把河道整治的技术水平推向更高的阶段。
在河势的调整和改造中必须研究河流内部力的结构。运动的河流在时空上总是伴随着力的变化。水流作用于河床，河床对于水流的反作用，从宏观上都是通过力的作用来体现的；例如水流对于河床底部的剪切作用力，水流对于河岸边壁的作用力。对于河道平面形态的变化、河势的调整改造而言，我们研究的主要是后一种力，即水流对河岸的作用力与河岸对水流的反作用力。
有关的研究表明，根据水的动量推导出水流对河岸的作用力，是随流量的增加而增大，随水流方向改变的增大而增大的。当然，这在宏观上是一个合力，自然可以分解为对河岸的垂直方向和平行于河岸的两个合力，也可以分解为水流作用于整个岸壁上每部分承受的力。因此，我们依靠岸边的控导工程，改变水流的方向以调整河势是有理论依据的。
更为重要的是，在河流辩证法和河流学研究方面，应该更进一步认识水流与河床这一矛盾统一体的深化与发展。水流创造河床，河床约束水流，其中水流居于矛盾的主要方面，这是一个总的概括。当你研究河床的形成与变化时，也有个现象和本质的关系；泥沙从上面来了，河床的演变现象就表现出来，即河床这一矛盾方面又深化河床的冲淤矛盾关系。水流呢？它的主要作用有多大，最大冲刷点在哪里，这就引出了水流作用的分力与合力的问题，即水流本身还是一个矛盾统一体，即水流的分力与合力的矛盾关系。例如，河道水流不可能始终作直线运动，水流一定是弯曲的，必然具有内在力的关系。例如，我们有可能分析水流动力轴线上切线和法线方向的分力，在沿流程上相互转化的规律，河道弯曲度大小即河岸的反作用对其合力和分力变化的影响。我们对力的相互作用剖析得越细致，认识得越深刻，就越是能够利用这个矛盾，才能正确完成平原河流治河工程任务；并逐步把局部的经验性认识推向新的理论认识的水平。
目前，河床对水流的反作用表现为影响和改变水流的流场以及引起次生流。在大江大河中，水流结构十分复杂，大尺度涡流研究更少，难以应用于河道整治工程的实践中，鉴于流体力学中微观结构的运动机理一时很难弄清，从宏观上用力学理论来研究水流运动中的力学关系的途径是可取的，以此来指导我们的河道整治工作也基本上是适用的。
由于水流与河床间的分力与合力问题在弯道中最为明显，所以我们先从这里开始。为什么水流是弯曲的？这是因为即使在平坦地区上流动的河流，其直线流动方向也是最不稳定的，因此它在实际中也就是最不可能存在的。我们可以设想一条河流，在大体上同样的土壤上严格地依一条直线流动着，那么可以证明这种流动不可能持续得长久。例如由于土壤构成上的差异，水流在某个地方稍有偏移，则这种偏移在以后就会逐步加大。这是因为在那个初始弯曲的地方，水流开始作曲线运动，这样便出现了惯性离心力。在离心力的作用下，水流要压向凹入的一岸，冲刷这里，这便使初始微凹部位的凹入程度加大，于是河流弯曲的曲率加大，惯性离心力也加大，其对凹岸的冲刷作用也随之加强。也就是说，只要由于某个小扰动产生了一个初始的最小弯曲，它就会不停地增长；即初始扰动在力学正反馈机理的作用下被不断地放大和成长，也即只有弯曲型流动才具有力学的稳定性。
弯道水流在重力和惯性离心力的作用下形成横向水面坡度的同时（凹岸水面升高，凸岸水面降低），还将形成横断面上的环流运动。由惯性离心力和（重力）压强差的合力分布可知，它的上部指向凹岸，而下部指向凸岸，构成旋转力矩，使水流沿横断面产生旋转运动，这就是横向环流。弯道横向环流相对于主流而言，又称为副流。实际上，横向环流与纵向主流相结合，使弯道水流呈螺旋状水流向前流动。环流强度的大小，通常可由横向流速与纵向流速之比的绝对值来衡量。横向环流在弯顶附近充分发展后，将因向下游沿程曲率减小而衰减。另外，在河道水流中的实际环流并非总是在整个横断面上的一个单向环流（即表层水从凸岸到凹岸，底层水流则反之），有时会有一些次生环流伴随着这个单向环流出现。在目力所及的范围里，有时弯段不那么明显；当我们看不见环流、或环流不明显时，弯段延伸的长度是可以看得到的，而这个长度是分力、合力长期发生作用的结果。
此外，单向环流还可转化为两个或多个大小不一的双向环流。沿程各断面的弯道环流应该是本断面离心环流和上游断面环流传递衰减后剩余部份的综合结果（惯性离心力的方向指向水流流速线的外法线方向）。
另一方面，河道水流中泥沙浓度沿垂线分布，上部浓度小，下部大；而水沙流速度分布则恰好相反。这样在弯道环流的作用下，浓度小、流速大的表层水流连续地流向凹岸，而浓度较高、流速较小的底层水流则不断流向凸岸并爬上边滩，造成横向输沙不平衡。结果是：凹岸岸边崩坍，坍落的泥沙则由底部横向水流挟运到凸岸堆积，即凹岸受到水流侵蚀，在靠近凹岸的主流处形成深槽，侵蚀产生的泥沙经螺旋流的作用搬运到凸岸（有时是下一个河弯的凸岸），并发生沉积，因而使得凹岸不断后退，凸岸不断淤长。在一定条件，这使弯曲率不断增大，直至发生弯道的自然裁弯现象。由于凹岸的顶冲点位于河弯顶点稍偏下处，故在凹岸后退的同时，还具有下移的趋势，由此造成河道的蜿蜒蠕动。
在两个河弯相交处的直段中，由于相反环流的干扰，导致泥沙的堆积而形成浅滩。深槽和相邻浅滩之间的距离一般为直段河宽的5至7倍。曲流波长（又称河弯跨度）为直段河宽的12倍，而曲率半径为直段河宽的3倍。
环流是弯曲型河流中的一个显著标志。在弯曲河流的弯道，环流结构较为简单和明显，多呈单向环流，这可由马卡维也夫方程予以描述。在弯曲河流的过渡段，即较为顺直的河段，环流结构常常比较复杂，也不那么明显，还可能出现多层多向的环流结构；这种现象也常常出现在山区河流的推移质型河流上。由于弯道水流存在显著的螺旋流运动，使水流增强了紊动，有时还会发生水流与凸岸的分离，产生旋涡区，从而增大了水流的能量损失（明渠流大尺度紊动起源于粘滞附面层的扰动，其受到扰动后，诱导产生的波幅为有限值，它不随时间加强也不减弱，即处于中性稳定状态；这种中性稳定的粘滞附面层就是河流低频紊动产生的根源）。
由上述的描述可见，在实际的河流中水流的结构非常复杂，其水流流态可以用流场加以描述。这个流场是由流速不同、流向不同的流力线组成。它在河道沿程中随时都在变化，这是一个三维的流场。一种流体即使在一定粗细的管子里（可看为固定的岸床），当其流速达到一定大小时，总会有涡流发生。而在河道里，水流更是以涡流的方式前进的。例如测量河水流速的测速仪会出现脉动现象，特别是在靠近河底的地方，脉动现象表明水流经常改变方向，即产生涡流；河水不但沿着河道前进，同时还要从河岸流向中央。在河底附近形成的涡流会带动轻沙，使河底出现沙波。在河道水流中，其水质点移动很不规则，呈弯弯曲曲的螺旋状，并有斜向及竖向的运动，这就是紊流。流体的紊流在水流的侵蚀过程中起着很重要的作用：因为细粒物质于流体中保持着悬浮状态的搬运，就是靠紊流中向上的流动来支持颗粒的。如果不存在紊流，颗粒物质就只能贴着河底或仅能稍离河底，以滚动或拽拉方式移动。由于紊流的存在，在实际中，我们所看到的是某一深度上水质点的统计流速和统计流线。
河流或水系，经过上千万年的活动以后，其形态发生了显著改变，调整得适应于输送水流与泥沙。河流纵断面逐渐演变为向下游坡降递减的平滑河道；这一过程称作河流的均夷。这时，河流能够搬运流域所供给的全部荷载物，但再也没有能力迅速下切了，但均夷化的河道仍可侧向切割河床（即河岸）。我们目前所看到的平原河流河段可被认为都是均夷化的河道；因此从岸边工程的角度看问题，考虑二维流场便已大体够用了（在某些需要一步刷深的河道，我们可用R和S的常数或反比关系来予以把握）。
对于平面二维流场中的诸流线，可以进一步抽象成若干主要的分力与合力，一般说来，这对于分析河岸或岸边工程与水流的相互作用、相互制约及促进发展，基本上能够满足要求。下面我们先从几个具体的例子出发来阐明其意义和作用。
分力、合力在一般情况下不易看出。从表面上看来，河岸似乎是光滑的，实际上摩擦力使它的表面有无数个小豆豆，它们就像无数个小丁坝。假如你在河岸上做个小丁坝，水流马上就把丁坝底下刷深了；因为就在这里形成个分力，或者原有的这个分力加大了。于是它就使另一个分力也必然要加大，即这里的分力越加大，就愈加影响到对面。当对面的力加大之后，就在丁坝这里形成一个合力，于是这里就刷深了。丁坝越大，产生的合力就越大，它的下腮就刷得越深。因为有了丁坝，水不能顺畅地往下走，就汇合起来，水都涌到这里来，于是水面就鼓起来；丁坝越长，合力就越大，一直要长到丁坝这个方面的分力超过对岸的分力，最后它总是横着过来，水流就转到对岸去了。但在一般的平原河流里，你是做不到这一点的，例如在长江里，你不可能修一个像拦河坝那样的丁坝。而如果你能做到这一点，这里的水流就变成了缓流，这里就变成湖了。而如果丁坝足够长，到最后它总是要超过对岸的分力，当它真正超过对岸的力，就能造成一个力量使弯段提前；因为这个丁坝太长了，水到这里上不来了，就使更多的水直接过来了。这就说明了一个一般规律：凹岸的长度有一定的要求，不可能太短了，只有当它长到一定程度时，才能使水转到对岸去。否则，当它不够长的时候，水还是要回到凹岸来。
由这个例子我们可以得到很多启示：我们可以把弧型的河岸看成是由无数的平面连接而成，在每个平面上都要产生水流的作用力及对水流的反作用力，这个反作用力也和相邻的另一股来水的分力合成为一个合力，也就是说我们可以把一个河弯看成是由无数个小丁坝所组成的来加以研究；而所谓的主流线也可以看作是水流的两个主要分力形成合力的表现形式。它不仅在水平方向表现为分力、合力之间的关系，在垂直方向上亦是如此。
另外，我们经常能看到各种形式的丁坝作用（包括自然的“丁坝”）。当丁坝把受其影响范围内的水流动能汇集成一个很大的分力，在丁坝坝头的下游与丁坝影响以外水流更大的分力汇合时，形成其下游的强烈冲刷，形成大的冲刷坑。例如，单一丁坝如处于顶冲段的前部时，不仅不能将水流挑向对岸，反而增大了丁坝下腮的冲刷力，形成深坑；如荆江河段的观音矶，因为荆江数万流量所形成的分力大于由丁坝挑流作用所形成的分力，迫使水流仍旧返回本弯道的凹岸。深坑就是由这两个分力的集中冲刷点造成的。又如，当丁坝处于弯道尾端或顺直河段时，河流主泓受该弯段连续挑流作用，实际上形成了一股接近优势的分力，在这样的河段上修建丁坝能够增大这股水流对另一股水流的优势，迫使主泓提前转向对岸。如40年代杨家场粘土河岸及其丁坝，迫使长江主泓以急转弯形式冲向对岸的冲和观、祁家渊就是一个明显的事例。这种将主泓提前转向对岸的河道整治工程，如能接连运用，就可使某一弯段走向反面，由凹岸变成凸岸。再如，通过对一个河段的全线防护工程可使主流转向。一个河段的连续守护工程相当于无数个看不见的小丁坝对水流的作用，由于其连续性使丁坝的分力具有累积作用逐步使主流转向，这也是人工加强了对水流的反作用。这种方法也是有效的方法，远比单一大丁坝有利，但只能在不得已的情况下采用，因为代价太大。比如荆江郝穴河段，即从马家寨到郝穴河段的全线防护工程，就是因为这一河段的堤脚临近深泓，没有足够的宽大边滩，而迫不得已采取全线防护办法。一旦我们将其主泓南移至黄水套故道，那就用不着全线防护了。
从以上分析可见，由丁坝出发得出的分力、合力模型等效于弯道水流的纯力学模型，而且它更具有直观性和简明性，便于指导河岸工程的设计和实施，也利于与水工模型相互印证和补充。下面我们将用这种分析方法对荆江两个著名的危险河段的演变进行分析和探讨。
上荆江河道整治的主要目标在于使其两个危险河段变为安全河段。这两个河段就是沙市河段和郝穴河段。历史上，杨家场以上的公安河段曾在目前主泓的北边，那时杨家场以下的黄水套曾经为大江主泓；后来随着公安弯段向南移动；经过杨家场粘土咀控制，其挑流作用不断增加，这就加大了其中的一个分力，致使杨家场以下长江主泓不断向北摆动，黄水套进流条件逐渐恶化而成为支汊。即使如此，在1931年和1949年洪水时，还能分别通过10000个和5000个流量。历史演变的过程表明，主流在上下游的摆动方向是以杨家场为共轭点的；即主流在公安段愈向南摆，经杨家场下游主流愈向北摆动，以致形成郝穴河弯荆江大堤堤外无滩或窄滩的全线险工段的严峻形势，而黄水套这个曾经是主泓的汊道目前已被淤塞，仅在洪水时能过200-300个流量。
过去，由于没有认识这种转化规律，就眼睁睁地看着郝穴河弯由安全河段向着危险河段转化。如果当初我们懂得这个道理，将公安弯段的主泓河道从南向北移动200-300米（即在该弯段凸岸开挖引河，加强凸岸水流分力），就可以采取较小工程，加大向黄水套进水这个分力，就可使黄水套逐年展宽加深，并使郝穴河弯逐渐淤死，黄水套故道重新恢复为主泓，可惜这一有利时机已经失去，现在必须做较大工程才可达到这一整治目标。
对于沙市河段而言，如果对其全线进行守护则工程量将非常巨大。但如在观音矶头向右开挖河道，则不论三八滩及上游如何变化，就可诱导主泓南移走三八滩南汊的新河道，相当于另一个黄水套，这样右岸这个分力便大大加强，然后可在北汊采取促淤工程，促使观音矶前淤出滩地，这样的投资要小得多。由于有分力和合力的理论，现在可以不再做模型试验了；可用工程本身做为1：1的模型，在一些小的地方，可在工程实施的过程中稍微调整一下。
水力学、河流学目前还都处于实验科学阶段，很多问题还不能用严谨的理论分析得到准确的结果，因此模型实验对这两门科学具有更重要的意义。
河流学与水力学还有不同，任何一个需要整治的河流，都是自然界存在的实例，客观上有一个1：1的原型供我们研究，这比任何人工模型都更准确、更全面地反映了河流的客观现实。河流通过其自身发展的历史，毫无保留地、全面地向我们展示出其运动的规律性。所以说研究河流的基本规律，主要依靠原型观测和分析。模型试验的主要目的，是验证我们将已经认识了的客观规律用于改造自然的效果。特别是在河流上兴建了大型的建筑物以后，改变现状较大，有可能出现一些我们还没有认识或认识不够完善的问题，特别是工程实施后预测其发展后果，模型试验可给我们以定性的启示和粗略的定量概念。
现阶段的水工和河工模型试验与现代科学中的物理化学实验是不同的，更确切地说我们应称其为模型验证。既然是验证，那么被验证的应该是根据对原型的观测和分析所得到的可以用来改造河流的规律；但如这些规律在天然河流中已被多次地验证过，它就并不一定要再用模型来验证。所以河流的规律主要靠研究河流而得到，整治的结果也往往在河流的历史演变中（包括整个河流，不限于某一段）可以找到借鉴。这是河流自身提供的，也是完全可以做得到的，这就是河流工程的一个显著特点。没有一个预先对河流规律的正确认识，盲目地相信和依靠模型试验的结果来确定整治工程，所谓“河工模型试验万岁”的观点，实践一再证明往往是错误的。由此可见，在做岸边工程调整河势时，需要分力－合力的理论进行指导。

Answer 2

（1）弯道水流受到离心惯性力的作用，过水断面存在横向水面坡度或者称为横向超高Δh，即凹岸侧水面高，凸岸处水面低。在河流弯道整治规划设计中，要考虑横向超高对弯道两岸堤防高程的影响。

（2）水流在流经弯道时，由于重力和离心力的共同作用，断面内形成横向环流，也称为副流。横向环流与纵向主流运动的叠加，使弯道水流呈螺旋流运动状态。

弯道横向环流运动，加剧了泥沙在横断面上的输移，使得凹岸不断被冲刷、凸岸不断发生淤积，增加了河道的弯曲程度，危及堤岸的稳定与安全，同时会影响航道、引水工程的正常运行。因此，在河道管理中需对弯道水流特别加以关注。

此外，我们也利用弯道水流的水沙运动特性，把引水口门设在凹岸，这样在引水的同时可以尽量减少引沙，从而可以减少引水渠系的泥沙淤积。

参考资料：http://www.ahtvu.ah.cn/jxc1/zhykch/5139/jxfd9.htm

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Answer 3

一阴一阳，此消彼长

自然规律......