楊樹青，白玉川，2，徐海玨，2，黃 哲

（1.天津大學 河流海岸工程泥沙研究所，天津 300072；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

1 研究背景

河流的塑造演化過程受多種因素的控制，如流量、河道寬度、水深、坡降、床沙粒徑及區(qū)域植被分布等。水利工程中大壩的建設，河道整治工程中的水流改道[1］以及氣候變化[2］等，都會使得河流的水沙條件發(fā)生改變，引起河流沿程的水動力與沉積關系發(fā)生改變，導致河流在短時間內的急劇演化發(fā)展。河岸植被同樣對河道演化起著重要作用，尤其是在河道流量驟增的洪水期。

傳統(tǒng)洪水控制政策一般沒有將河岸植被列入規(guī)劃，對于沒有適當植被規(guī)劃的地區(qū)，其河岸抗侵蝕能力較弱，河道演化較快[3］；而對于渠化的河道，雖然滿足了現(xiàn)代航運的要求，但水泥和鋼筋混凝土固化了的河岸，又阻止了水體與土壤的自然交換，不符合目前生態(tài)環(huán)保理念。自然植被或人工植被河岸，在洪水來臨時可通過水體滲透或兩岸河畔林的儲水，起到調蓄洪水的輔助作用；同時，在生態(tài)環(huán)保理念下，河岸植被對河流展寬及河道穩(wěn)定性有較大影響，一方面，河岸灘植被區(qū)增加了河道阻力，有效地降低水流流速，降低了水流挾沙能力[4］，從而影響泥沙輸運沉積過程[5-6］，河床形態(tài)形成及河灣穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為水體也易向阻力小的主槽轉移[7］，增大了河道的刷深，改變降低河道曲率，使蜿蜒型河道變得更順直[8］；另一方面，河岸植被影響河岸強度從而改變崩岸條件及河岸穩(wěn)定性，易形成淤積體，減小河岸侵蝕，影響河道的橫向遷移特性[9］等。

河岸植被對河流演化動力特性的影響問題，目前的研究手段以現(xiàn)場測量法[10-11］和自然模型實驗法[12-14］為主，理論分析和數(shù)學模擬[13，15］則次之，其原因主要由于植被覆蓋下兩岸土壤的沖刷機理尚不清楚，還不能建立完全統(tǒng)一的沖刷規(guī)律的描述公式。一些學者[16-17］通過現(xiàn)場測量，對植被密度對河道的影響進行量化，分析表明河道寬深比與植被覆蓋率具有相關性，覆蓋率越大，河道越窄深。河岸植被通過改變河道的水流運動及沖刷特性，進而影響河道的寬深比從而改變河流的型態(tài)。

實際測量雖能反映實際的影響情況，但由于實際地形不重復、河道植被分布隨機，現(xiàn)場測量時間尺度較短且地域有一定的局部性等，現(xiàn)場測量還不能完整地得到植被對河床及河岸侵蝕的量化影響[18］。因此，研究河岸植被對河道演化特定的影響問題自然模型法仍然是主要的研究手段。但目前研究植被對河道水動力特性的實驗多關注于兩個方面：一方面分析短時間尺度的定岸河道，其河岸植被對水流結構及床面形態(tài)的影響響應；另一方面分析長時間尺度植被對河流演化過程中河型穩(wěn)定，河寬、水深變化等的影響，而對于河道動力軸線演化及其演化過程中與主槽穩(wěn)定性關系的研究較少。同時大部分實驗研究更側重于分析河演過程中的河岸侵蝕特性，并未對典型蜿蜒河流的河灣遷移特性進行研究。

本文利用無黏性沙并成功地培養(yǎng)出了用于模擬的河岸植被，并在初始河道一岸及兩岸成株種植。采用自然模型實驗的方法描述不同河岸植被種植密度情況下河流演化動力特性，研究不同植被覆蓋條件對河道演化的水流運動特性、主槽穩(wěn)定特性、河灣遷移特性及輸沙強度等的影響。

2 實驗方法

實驗儀器為自循環(huán)系統(tǒng)，水槽長4 m，寬1.5 m，深0.5 m，水槽由高度可調并用支架支撐，形成不同的河道坡降。在水槽尾部設置集水箱，系統(tǒng)設置循環(huán)水泵，將水流從集水箱送至前水箱，經(jīng)過兩次平水進入河道，后經(jīng)尾門進入集水箱，形成水流自循環(huán)，儀器見圖1。

圖1 實驗裝置及初始開挖河道及河岸植被布設

由于實際水流在經(jīng)過流域時會分為兩部分，一部分在河床與河岸邊界中流動，形成河流水流；另一部分則滲入地下，形成滲流。為更接近實際河流情況，本實驗將河流水流與滲流分開，沿水槽四周設計并預留滲流通道，左右兩側預留寬度為15 cm，進口及出口預留寬度為25 cm。理論上實驗總流量=河流流量+滲流流量。模型河道實驗用沙根據(jù)實驗條件選定為天然河流非均勻的無黏性細沙，中值粒徑為0.22 mm，鋪沙厚度為15 cm，沙粒級配曲線如圖2。

圖2 實驗沙粒級配曲線

模型河道開挖初始為4 cm×4 cm矩形斷面，見圖1。初始入流角設定為30°，以研究擾動對河道演變進程的影響，施放流量Q=120 ml/s的恒定流，河床坡降設定為12‰，更易形成蜿蜒型河流[19］。來流量的選擇主要考慮在實驗規(guī)模的小河幾何尺度上，所能達到的河流流速大于泥沙起動流速。實驗選取6個橫向測量斷面（S1—S6），觀察斷面形態(tài)隨時間的演化規(guī)律。

隨著河道的演化，測量不同時刻的河床斷面高程、流速、河寬、水深等。輸沙強度隨河道演化發(fā)展而發(fā)生變化，每隔30 min測量水槽尾部沉沙筒的沉沙量，計算輸沙率。實驗開始后每30 min將下游沉沙對應的等量干沙加入進口加沙器，以滿足連續(xù)輸沙邊界條件。利用水槽上方拍攝系統(tǒng)定點獲取瞬時河道信息，攝像間隔為20 min。獲取的圖像通過坐標轉換及變形矯正提取瞬時時刻的河岸岸線及主流線，從而捕捉實驗模型小河平面形態(tài)的演化過程。

為研究河岸植被覆蓋對彎曲河流塑造及演化過程的影響響應，設定相同的水沙邊界條件，如流量、床沙粒徑、坡降等。控制變量設定為河岸植被的種植密度，本文用河岸植被覆蓋率描述。實驗共7組，第1組為無植被情況，第2、3、4組為一岸（左岸）種植植被，第5、6、7組為兩岸種植植被。

植被的選取一方面考慮河岸侵蝕過程，另一方面考慮植被根系對河岸的機械強度的作用，即對提高河岸抗剪性的作用。河岸植被種類很多，本文研究植被覆蓋率對河流動力影響問題涉及到的植被為灌木或大樹。一般凹岸樹木植被的掏刷發(fā)生在密集根系的下部，水流先沿植被根系形成掏刷，導致植被倒伏，而后倒伏的植被對河岸形成保護，最后逐漸被水流沖刷帶走。本實驗通過多種植被草對比，最終選取與自然河岸植被侵蝕特過程性相似的模型植被草。從流體力學的角度，每一顆樹實際上是一個極其復雜的擾流問題，其阻力的增加來自樹阻水面積。因此，按株種植實驗植被，使得水流擾動過程相似。

不同地區(qū)不同樹木種類，不同植被密度等對其河岸抗剪強度影響不同。如Wu等[20］早在1979年分析加拿大位于阿拉斯加的威爾士王子島上河流兩岸樹木對抗剪強度的影響，得出有植被河岸抗剪強度較無植被河岸提高1.0～1.3倍。本實驗通過量測，得到有植被河岸其抗剪強度較無植被河岸提高了1.26～1.41倍，因此與實際對比在合理的范圍內。圖3顯示了實際河岸植被與模型植被示意圖對比。

圖3 植被示意圖

植被帶種植寬度為18 cm，長3 m，種植網(wǎng)格寬為1 cm，采用梅花形種植方式（見圖1）。成草的生長高度平均為6.47 cm，根系長度平均達2.7 cm，有效根系覆蓋平均直徑d≈1 cm。為消除初始時段河道迅速展寬帶來的分析誤差，整個植被帶距離初始河道4 cm，滿足當河道展寬至河岸植被岸時，河床接近于自然梯形斷面，急劇展寬歷時較短，一般小于20 min。因植被根系的存在對彎曲河流演變速率影響較大，為此本文將有效根系覆蓋的面積作為河岸植被覆蓋率。計算得到4種植被有效覆蓋率分別為0%、20%、40%、80%。

3 實驗結果

3.1 實驗現(xiàn)象及分析觀察彎曲河流的演化過程，初始階段，河灣從上游向下游傳播。隨著演變的不斷進行，下游河灣水流條件逐漸成熟，曲率增大，下游河灣按照自身的演變機理進行演化。入流角對河灣演變的影響為短期作用，在初始階段加速了其變化，但從長期來看，河流會按照水沙條件達到自身的動平衡狀態(tài)。將水流表面流速作為河道中的水流流速。計算河流演化過程中的水力參數(shù)，如弗勞德數(shù)及雷諾數(shù)。實驗中雷諾數(shù)在500～4000之間，黏性底層的黏滯阻力可以忽略不計。表1顯示了7組實驗工況的基本參數(shù)及最終河型。

實驗過程中，觀察到有無植被河岸有不同的侵蝕特性。對于無植被情況，水流侵蝕河岸，水流沿河岸底部掏刷逐步形成懸臂結構，當局部失穩(wěn)后發(fā)生局部塌落；而對于有河岸植被覆蓋情況，水流沖刷河岸時，植被根系被裸露在外（見圖3），形成局部擾動掏刷，失穩(wěn)塌落較少。

當河岸有植被存在時，一方面，植被的存在增強了水流的局部擾動，增強了局部掏刷。另一方面，河岸植被增加了河岸阻力，同時倒伏的河岸植被常常附著在河岸邊緣，增大局部水力糙率。在河道演化的初始階段，河道寬深比較小時，水流多處于急流，由于沿植被帶水流湍急紊動強烈，增強了河道底部切應力，床沙顆粒在自床面躍起過程中，遇到向上的旋渦，造成植被帶床沙的起懸，沙粒掉在旋渦以外時，進入主流區(qū)，沿岸沖刷嚴重。同時由于水流沿植被帶的強烈擾動作用，主流散亂，河道中心出現(xiàn)交錯淤積，使得主流無法向對岸偏移，河灣彎曲發(fā)展緩慢。隨著河道演變的繼續(xù)及河道的不斷展寬，植被間的水流流速減小，河岸植被的阻力作用增強，植被區(qū)紊動降低，一定程度上抑制了床沙的起動及再懸浮，淤積增加。因此，植被對河道演化中河道的沖淤及河灣穩(wěn)定特性的影響是這兩方面共同作用的結果。

當只有單側種植植被時，水流易集中于沒有植被的地方，有植被一岸嚴重抑制了河岸的侵蝕，無植被凹岸形成高流速區(qū)，加劇河床及河岸侵蝕。當兩岸均有植被覆蓋時（如RUN6），主流偏向凹岸一側，由于植被帶對阻力的增大的作用，減小了河道的順勢沖刷，主流線從而向河道中間偏轉，進而影響到河道泥沙的淤積變化及河床地形。因此河岸植被越密集，水流對河岸的局部擾動越強烈，水流與河床之間的相互適應周期越長，從初始順直河道到形成穩(wěn)定的河相關系越緩慢。

表1 基本參數(shù)及最終河型

3.2 河道水流運動特性實驗過程中，在河道入口處投放大量示蹤粒子，粒子大部分會向水流動力軸線聚集，通過PTV粒子識別系統(tǒng)，提取示蹤粒子的運動軌跡并繪制模型河流在不同時刻的水流動力軸線（見圖4）。觀察RUN1發(fā)現(xiàn)，河演過程中水流動力軸線更貼近凹岸偏向頂沖點下游，隨著凹岸進一步侵蝕，凹岸頂沖點逐漸向下游推移。初始80 min，下游河岸基本限于河岸崩塌，到360 min時，形成典型的蜿蜒河流形態(tài)，沿全河段水流動力軸線保持近似相同的曲率及波長發(fā)展傳播。

圖4 水流動力軸線隨時間變化規(guī)律

觀察RUN3動力軸線演化過程，在河流演變到80 min時，主流調整的過程中伴隨著下游分汊的產(chǎn)生，且汊道逐漸向上游傳遞。在180 min時刻床面逐漸形成穩(wěn)定的流路，伴隨著河道主流的形成及下游汊道的影響，在360 min沿全河段形成兩處較大支流。在1.5～2.0 m之間段，因植被的阻擋作用本應彎曲發(fā)展的河道，向順直方向發(fā)展，由圖5（a）看到沿左岸形成了3塊大的淤積體，且在淤積體的另一側水流重新調整主流流路。隨的演化的繼續(xù)，在600 min時，右岸邊灘逐漸消亡，左岸邊灘逐漸淤積，形成了新的淤積體（圖5（a），淤積體4）。這樣的現(xiàn)象在實際河流中也常常見到，如圖5（b）為red河Mataura支流cattle flat附近的河道，一岸為植被帶分布，一岸為草地，其主流向抗沖能力差的一岸移動。因此，河岸抗侵蝕能力的不對稱性，致使只有一岸植被覆蓋的河道，其主流擺動頻繁，主支流交替演化，河流在長期處于分汊或辮狀的河勢狀態(tài)（圖5（b））。河勢的這種不斷調整變化并不是兩岸抗侵蝕能力差異越大，調整就越頻繁。從RUN2工況可以看到，當左岸植被非常密集時，相反兩岸的互相擾動并未產(chǎn)生共振，主流偏離植被岸尋求新的水動力環(huán)境。

圖5 河道示意圖

從圖6看到，3組（RUN2，RUN3，RUN4）一岸（左岸）植被覆蓋河道相對穩(wěn)定時刻其河岸侵蝕和主支流情況，960 min時主流形成了較大的偏轉，同時兩河岸的侵蝕速率也不同。具體表現(xiàn)為：初始時刻河道中心線在y=0.85 m處，最終時刻主流線均偏向無植被岸。無植被河岸曲率沿程非均勻分布，有植被岸出現(xiàn)了整體性被侵蝕的現(xiàn)象，且岸線曲率沿程較小。

圖6 相對穩(wěn)定時刻，不同組次河流河岸及動力軸線

實驗過程中，河岸植被使得河道沿橫向的平面擺動速度明顯減緩。有植被護岸河道的演化，其形成較為穩(wěn)定的動力軸線所需時間較長。尤其對于兩岸植被護岸不對稱情況，動力軸線調整較為漫長，甚至主流線初始有蜿蜒的趨勢，但因局部植被擾流阻力作用，導致流速沿斷面重分布，使原本的彎曲趨勢遭到破壞。RUN2，RUN3，RUN4分別在400 min，180 min，600 min左右才基本完成床面調整。圖7顯示了河道演變80 min時一岸及兩岸40%河岸植被覆蓋率情況下，1.5～2.0 m河段的床面形態(tài)?？梢钥吹絉UN3床面沒有固定的主流，仍處于散亂狀態(tài)，而RUN6已形成明顯的主流趨勢。實驗觀察發(fā)現(xiàn)，河岸單側植被帶分布時，主流線調整過程為：散亂—微彎/分汊—彎曲—順直（伴有散亂）—微彎/分汊。

圖7 t=80min，1.5～2.0 m床面形態(tài)

圖8顯示了在相對穩(wěn)定時刻3組不同兩岸河岸植被覆蓋率情況，1.5～2.5 m河段的床面形態(tài)。無河岸植被河道河灣水動力軸線順勢演化（如圖4 RUN1工況），并產(chǎn)生順勢凹岸沖刷凸岸淤積，而由于河岸植被加強了河岸抗沖性，水動力軸線順勢沖刷減小，會促使河道向低彎曲方向發(fā)展。如圖8（c）所示黑色為較細顆粒泥沙主流挾沙軌跡，反映了80%植被覆蓋情況下河道主流較為集中，流速增大，從而增強了水流挾沙能力并導致河道的集中沖刷效應。

從圖8可以看到，無植被情況床面沖刷坑尺度較大，數(shù)量較多，其彎道旋渦作用明顯；當河岸布設植被時，植被對水流的擾動作用及阻力破壞了彎道本應形成的大尺度旋渦，植被覆蓋率越大，作用越明顯，當河岸植被覆蓋率為80%時，河床已沒有明顯的大尺度的沖刷坑。

圖8 穩(wěn)定時刻1.5～2.5 m床面形態(tài)

3.3 主槽穩(wěn)定特性天然河流在洪水期河床的泥沙沖淤與水動力條件相關，而當流量、坡降一定時，不同的水動力條件某種意義上是河流的當前形態(tài)和河岸邊界條件所規(guī)定的，因此河岸植被覆蓋率對河道動力演化及主槽的穩(wěn)定發(fā)展起到了非常重要的作用。

將不同河岸植被覆蓋率條件下主流線與深鴻線隨時間演化曲線繪制如圖9所示。從圖9看到，在演化的相對穩(wěn)定時刻，無植被覆蓋情況，深泓線與水流動力軸線吻合較好。而隨著植被覆蓋率的增大（0%→40%→80%），其吻合度逐漸變差。這種低協(xié)調性也體現(xiàn)了植被河岸邊界對水流不斷擾動過程。對于單側植被的彎曲型河道（RUN2），水動力軸線逐漸向無植被側偏移，同時伴隨著深泓線的不斷調整變化。進一步分析從出現(xiàn)明顯主流路時刻到相對穩(wěn)定時刻，河道水動力與地貌兩者之間的相互協(xié)調作用?？梢钥吹窖莼A段深鴻線隨主流線的變化趨勢而調整變化，且滯后于主流線。同時，由于這種反饋的滯后，地形改變與水動力之間存在不同步，這種特性導致了床面形態(tài)對水動力過程具有負反饋機制，地形對水流產(chǎn)生了反作用。

圖9 不同時刻水動力軸線與深泓線演化關系

河道的斷面形態(tài)演化反映了河床的沖淤變化及河道的展寬過程，取RUN1、RUN2、RUN5，RUN6共4組不同工況下進行對比分析。研究歷時從0時刻到河道演變達到相對平衡狀態(tài)床面形態(tài)演變規(guī)律及其穩(wěn)定特性，選取2個典型斷面S2和S3進行分析，如圖10所示。無植被情況，河床斷面先展寬后淤高，沿凹岸一側逐漸沖深，最終形成鮮明的主河槽。主河槽沿程左右岸交替擺動，形成彎曲型河道。

對于兩河岸植被覆蓋工況（RUN5，RUN6），河道在初始階段急速展寬淤高后，多數(shù)河段呈現(xiàn)出先沖刷下切而后又淤積抬升的規(guī)律，河岸植被有效地抑制了床面的持續(xù)下切。實驗觀察RUN6斷面發(fā)現(xiàn)，沿河兩岸最終形成了交替發(fā)展且連續(xù)的邊灘，斷面形成穩(wěn)定的復式河槽。由圖10（d）看到，在S2、S3斷面呈現(xiàn)出兩岸淤高收窄的特性。因此，兩岸植被的種植可以有效地抑制持續(xù)的河岸侵蝕過程，河道穩(wěn)定寬深比較小，在洪水期更易發(fā)展為窄深型。

RUN2工況有植被覆蓋河道一側，相比RUN1的主河槽交替擺動，RUN2沿植被岸表現(xiàn)出明顯的單邊沖刷，主槽偏向植被岸，呈現(xiàn)出“一岸河灘一岸深槽”的獨特規(guī)律。在河道逐漸演化過程中，相比RUN1工況河床的持續(xù)淤積抬高，RUN2呈現(xiàn)出先淤高而后下切的規(guī)律。呈現(xiàn)這種規(guī)律主要是由于河道的單岸擾動，致使兩岸演化不同步，從而水流不斷被擾動，河床長期處于沖淤調整過程。這種擾動作用在河道彎頂處尤為明顯，且不同步擾動還可能表現(xiàn)為河道沿縱向呈現(xiàn)多組二級深槽及淺灘的交替分布。

3.4 河灣遷移特性在泛濫平原上，河岸植被是改變河勢的主導因素之一。無植被情況下交錯編織的河道，當有植被種植時，其交錯編織的數(shù)量存在明顯減少的趨勢。由于河岸植被因素的不同，交錯編織的河流在一定的河岸覆蓋植被條件下，可能逐漸發(fā)展成為深切的蜿蜒河流[13］。而對于典型的蜿蜒河流，河岸植被也會增加河道向下游的遷移速率（沿橫斷面），因此會減小河流的曲率[23］。將4組不同的兩岸植被覆蓋情況下對應全河道最終平均曲率繪制如圖11所示，植被覆蓋有效的減小了河道的曲率。各工況河道最終曲率隨著覆蓋的增大而減小。當河岸80%植被覆蓋時，曲率為1.01，接近于順直河道。

圖11 兩岸植被覆蓋下植被對河流曲率的影響及最終河道形態(tài)（無植被+80%河岸植被覆蓋）

Ikeda等[22］認為蜿蜒河流遷移速率M與凹岸擾動流速u′=umax-uˉ（剩余流速）正相關，u′代表了水流作用于河岸的剪切力大小，單位為m/s。侵蝕系數(shù)E0代表了河岸在水流作用下的抗侵蝕能力，與植被覆蓋程度有很大關系。河岸的遷移速率可以定義為：

在每一特定的河槽形態(tài)及流量條件下，河道彎曲產(chǎn)生的擾動流速決定了水流剪切力在河床及河岸的分配[23］。本文運用彎道遷移的線性模型來說明河道彎曲對側向遷移速率的綜合影響[22］。模型本身是采用水沙運動方程在曲率上的攝動展開，來線性的估算橫斷面河床高程及沿水深的平均流速且已經(jīng)得到了很多學者在實際河流中的認可和驗證[24-25］。本文基于實驗測量數(shù)據(jù)進行分析。擾動流速（剩余流速）為近岸最大流速減去斷面平均流速，即u′=umax-uˉ。近岸最大流速為近岸最大表面流速，平均流速為流量/斷面面積。根據(jù)河流的演化曲率沿程差異，將河流分為3段（50～150 cm，15～250 cm，250～350 cm），分別計算不同時間段對應的遷移速率及擾動流速。

圖12 遷移速率與擾動流速的關系

對于無植被情況，因河岸侵蝕特性的不同，其規(guī)律性不完全一致。因此，只分析有植被河岸對應每一時段不同斷面河岸遷移速率與剩余流速的關系，繪制如圖12所示?？梢钥闯?，在同樣量級大小的水流剪切力，20%植被覆蓋率的河岸遷移速率比80%植被覆蓋率大，40%植被覆蓋率的河岸遷移速率比多數(shù)情況比80%植被覆蓋率大。對應同樣大小的彎道遷移速率，植被覆蓋率越大，河道演變過程中的水流剪切力越大，這也是為什么河岸植被的覆蓋會導致河道向窄深型方向發(fā)展的主要原因。還可以看到，對于3種植被覆蓋的線性擬合曲線均為正相關，表明整體大的彎道遷移需要同樣相應大的水流剪切力。40%河岸植被覆蓋率對應的擬合曲線斜率較大，表明在這種覆蓋率條件下河岸遷移速率對其水流剪切力較為敏感，整體河道形成較大的非均勻橫向遷移。80%及20%河岸植被覆蓋率對應的擬合曲線坡度較為平緩，說明河岸植被覆蓋較大或較小時，盡管局部的河道彎曲變化明顯，但在整體河道上仍為較均勻的橫向遷移。

3.5 輸沙特性分析實驗過程植被覆蓋率對輸沙強度的影響如圖13所示，從整個過程來看，輸沙率隨時間呈現(xiàn)出先增大后減小的波動變化過程，在相對穩(wěn)定時刻，各組輸沙率均趨于相對小值。這是由于在實驗初期，水沙的相互作用強烈，床面形態(tài)大幅調整，而隨著河床與水流之間的互相適應，輸沙率的周期性波動幅值逐漸減小，最終達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察單雙岸植被布設條件下輸沙規(guī)律可以看到，在初始短時期內，單岸植被覆蓋其輸沙率較雙岸植被覆蓋條件下大，而穩(wěn)定時刻變小。例如RUN3，由于強烈的單側擾動及主流的不穩(wěn)定，初始時期輸沙劇烈，且變化梯度及幅值均較無河岸植被條件大；而對于相同植被覆蓋率的兩岸植被覆蓋工況RUN6，由于兩岸的相互抑制作用，初始時期輸沙率反而較小，之后呈現(xiàn)增大的趨勢。

對于本文小河的實驗尺度，保持穩(wěn)定河道且不會導致嚴重沙量損失的允許干沙量一般為1.5 g/min[29］。

從初始順直到最終蜿蜒的河流，其演化過程為河岸的整體不斷被侵蝕和蜿蜒幅度的逐漸擴大（圖4）。初始階段河灣迅速展寬，水流能夠在短時間內完成初步造床功能[26-28］。從80 min開始，由于泥沙沖刷和沉積過程的發(fā)展推動，河灣逐漸形成。為研究蜿蜒河流的河灣遷移規(guī)律，本文根據(jù)實驗觀察，將演化過程分為4個時間段：0～80 min，80～360 min，360～720 min，720～960 min。由于初始階段河道迅速展寬至植被河岸，因此，初始河岸植被對流速的擾動影響較小，只分析80～960 min的擾動流速及彎道遷移速率的關系。將時間段分為3段：80～360 min，360～720 min，720～960 min，分別用時段末最大流速及平均流速計算擾動流速u′。7組實驗最終穩(wěn)定時刻輸沙率分別為3.16、4.74、0.92、0.068、7.11、1.05和0.11 g/min。植被覆蓋率為20%和40%時，河道演化過程中其平均輸沙率均較無植被工況明顯減少。當水流經(jīng)過植被帶時，河岸植被的存在增大了局部的水力糙率，從而導致植被間的水流流速減小，淤積增加，起到了柔性護岸的作用；同時，植被帶有效地抑制了河道的橫向沖刷。但當河岸植被覆蓋率提高到80%時，輸沙率反而增大。出現(xiàn)這種變化規(guī)律的主要原因是：當植被非常密集時，河岸植被反而成為一種硬約束，類似于植被墻，雖然最大程度的提高了河岸強度，但使得河道的擾動增大，增大了河道的垂向沖刷（如圖10（c）所示）。同時，由于兩岸植被對橫向沖刷的抑制，河道寬度相對較小，來流量情況下，主流流速相對增大，水流的挾沙能力增強。因此，河岸植被對河道輸沙率的影響可正可負，與其覆蓋率有很大關系。植被覆蓋率對河道輸沙的影響程度反映了河岸植被對水流擾動及河床河岸作用的比例關系。

只分析有河岸有植被工況可以看到，植被覆蓋率越大，輸沙率也越大，并且單雙岸布設情況具有很好的一致性。但植被覆蓋率對輸沙的影響并非簡單的線性關系，20%植被覆蓋情況其輸沙比40%及80%植被覆蓋情況小得多。在本文實驗河岸植被情況下得到，覆蓋率越小控制輸沙效果越好，但當水沙條件及植被邊界條件發(fā)生改變時，可能出現(xiàn)不同的結果，有待進一步研究。

圖13 各組實驗輸沙率隨時間的變化規(guī)律

4 結論

本文采用無黏性細沙，通過實驗模擬了不同河岸植被覆蓋率條件下的河流塑造演化過程，并對河演的動力特性進行分析，得到如下主要結論：（1）實驗中，無植被河道，水流動力軸線沿橫向及縱向順勢沖刷。單岸植被覆蓋河道，沿植被岸易淤積形成邊灘，水流易向沒有植被一岸偏移。從平面形態(tài)上看，常伴有主支流交替發(fā)展，主流不斷擺動，長期維持不穩(wěn)定的河勢狀態(tài)。（2）河岸植被越密集，水流的局部擾動及集中沖刷越強烈，順勢沖刷減小，河床與水流的相互適應周期越長，從初始順直到形成穩(wěn)定河相關系越緩慢。（3）兩岸植被覆蓋在有效減小河岸橫向遷移的同時增加了沿河道向下游的縱向遷移，減小了河道的曲率。（4）彎曲河流河灣遷移速率與凹岸擾動流速成正相關關系。同樣大小的彎道遷移速率，植被覆蓋率越大，河道演變過程中所需要的水流剪切力越大。本研究彌補現(xiàn)場測量不足的同時為數(shù)學模型對物理過程的認識提供實驗參考；對于洪水期有河岸植被覆蓋河道演化預測及人工種植植被的河道整治工程均有一定的實際意義。