可侵蚀三角形河道岸槽内的流动动力学

《CATENA》：Flow dynamics in an erodible triangular channel bank cavity

　　•研究柔性三角形侧向腔体中的流态动力学、泥沙输运以及生态水力学特性。•识别出腔体内的局部流动再附着区以及雷诺剪切应力增强区域。•强调冲刷和喷射现象决定了可变形腔体内的侵蚀与沉积过程。•将生物能量学栖息地指标与水流及形态特征相结合，为河流修复和河岸稳定工作提供指导。

引言
河流是复杂的水道，其中存在流速空间分布不均的区域。这些区域源于河床或河岸的地形起伏，其流速低于主河道，但仍与主河道相连，对营养物质交换和水生生物的生存极为重要（Le Coz, 2017）。在主河道与侧向腔体的交界处，复杂的流态特征使得物质传递和营养物质交换受到影响（Gualtieri, 2008）。主河道与静止腔体界面处形成的层状结构会产生显著的速度梯度，从而形成重要的水平混合层（Mizumura and Yamasaka, 2002; Engelen et al., 2020; Ouro et al., 2020; Tang et al., 2021; Liu et al., 2022）。这一层从上游延伸到下游，有助于物质和动量的传递，在河流中的泥沙沉积、藻类等生物物质的滞留时间以及营养物质和气体的交换过程中起着关键作用（Brinke et al., 1999; Xiang et al., 2019）。实验研究表明，腔体连接处的几何形状会显著影响侧向腔体中涡流的稳定性。具体而言，狭窄的连接口能维持腔体内的稳定涡流，而宽阔的连接口则会导致大规模不稳定涡流的周期性形成（Nezu and Onitsuka, 2002）。Ozalp等人（2010）发现，矩形和梯形腔体产生的湍流强度高于三角形腔体，这凸显了腔体形状对流态特性和腔体内能量耗散的影响。

对浅矩形腔体的研究表明，向下游移动的涡流在分离区外侧形成一层分离剪切层，涡流在该区域的流速约为主河道流速的一半，这体现了此类腔体内部复杂的流态动力学（Bian et al., 2011; Jackson et al., 2012, Jackson et al., 2013, Jackson et al., 2015）。Sanjou和Nezu（2013）将质量传递研究扩展到具有不同河床结构的单侧腔体，指出侧向腔体中的质量传递和湍流结构取决于河床坡度。Mignot等人（2016）、Mignot等人（2017）分析了侧向腔体剪切层中几何形状比率和相干结构的作用，发现混合层中湍流结构的周期性平流与腔体界面相互作用，从而增强了物质和动量的交换。关于侧向腔体中泥沙输运机制的研究表明，这些区域由于受到主河道湍流的屏蔽，为泥沙沉积提供了理想条件（Juez et al., 2018）。低密度腔体有一个旋涡、高流速、平流式物质传递以及中心区域的泥沙沉积，而高密度腔体则有两个旋涡、低流速、扩散式物质传递以及广泛的泥沙沉积（de Oliveira et al., 2024）。植被会增加宏观粗糙度及侧向剪切应力，在密集生长环境下可起到稳定作用，为管理物质传输提供依据。

尽管许多研究都探讨了理想化矩形腔体中的流态，但这类几何结构无法模拟自然环境，更多用于描述港口和码头等人造结构，而非天然河流环境。相比之下，三角形腔体能更准确地呈现真实的河岸形态，因为冲积物的安息角会自然形成河岸坍塌和点滩处的倾斜楔形凹陷。与90度直角处的突然流态分离不同，三角形腔体倾斜的上游边缘有利于剪切层的逐渐发展以及复杂的循环模式，这些更接近于天然河岸的水力地貌相互作用。此外，与以往研究的“刚性”系统不同，这种可侵蚀的“柔性”三角形腔体引入了一种重要的双向反馈机制，即流态结构会主动改变河道形态，进而又影响流态。由于水动力学、泥沙输运和边界演变的持续相互作用，柔性腔体的复杂动态与其刚性对应物存在差异。这种几何结构能够产生多种速度梯度以及不同的冲刷和沉积区域，从而为水生生物创造出一个真正的“栖息地马赛克”，相比刚性矩形模型中的均匀循环区域，它更能体现自然河岸栖息地的特征（Crowder and Diplas, 2000; Ozalp et al., 2010; Cai, 2015）。

除了这些物理过程之外，理解其对水生栖息地的影响也是此类研究的重要目标。生物能量学指标最初是为野外研究开发的（Crowder and Diplas, 2000; Gualtieri et al., 2017, Gualtieri et al., 2020; Yuan et al., 2023），但由于其能够将复杂的水动力数据转化为有意义的生态学见解，因此也被广泛用于实验室控制环境中。Golpira等人（2022）通过实验表明，巨石能够形成复杂的流态模式，增加栖息地的水力复杂性。最近，Chen等人（2025）在实验室汇流处使用高分辨率粒子图像测速技术来绘制这些指标，将峰值M?值与剪切层联系起来，并将这些水动力模式与长江江豚的栖息地偏好相关联。这些研究为仅通过水动力测量就能推断出重要生态效应提供了有力依据。通过量化能量梯度和栖息地边缘的空间分布，这些指标为评估潜在的栖息地适宜性提供了可靠的框架，无需进行直接的生物采样。

因此，本研究旨在通过在实验室规模下对隔离的柔性三角形腔体进行详细实验，填补这一空白，以明确河岸的可变形性及腔体形状对流态结构、泥沙输运以及河道床形态演变的影响。研究旨在探讨可侵蚀三角形腔体的存在如何改变流态动力学，以及这些变化又如何影响腔体内的泥沙沉积和侵蚀模式，进而导致河床形态的改变和腔体形状的变动。此外，该研究还利用生物能量学指标（M?和M?）来评估腔体内的水力复杂性及潜在栖息地适宜性。本研究基于这样的假设：柔性三角形腔体的水力和地貌行为与文献中记载的传统刚性矩形腔体有显著差异。腔体中可侵蚀的三角形河岸的倾斜边缘促进了不对称的剪切层发育以及下游方向的流动再附着，从而导致局部湍流强度的增加。这可能会造成非均匀的泥沙输运模式，即在腔体内部出现明显的沉积和下游侵蚀现象。三角形腔体内的复杂流态结构能够形成不同的水力复杂性区域和栖息地异质性区域。

实验装置与流参数规格
实验是在一条直形的矩形渠道中进行的。实验渠道的主通道尺寸为长17.2米、宽1米、深0.72米（见图1）。通过全站仪测量，该渠道的河床坡度约为0.00249。为了控制流入主通道的水量，使用了长度为2.8米、宽度为1.5米、深度为1.5米的上游储水槽。三台10马力的泵为储水槽供水，同时还有一个控制阀。

结果
下文介绍了腔体处的平均流速、与流动相关的湍流以及形态特征，并对其进行了分析。所讨论的百分比变化和趋势是基于大量时间序列数据得出的平均值。流参数是按照无量纲流深z/h来绘制的，其中z是从河床表面到测量点的垂直距离，h为总流深。相关数值的不确定性也已在文中提及。

讨论
本研究表明，柔性三角形侧向腔体对流量变化的响应与以往文献中描述的刚性矩形腔体的流态动力学有所不同。流动与孤立三角形腔体可变形河岸之间的相互作用产生了高度异质的流场。该流场的特点是在腔体入口处出现不对称的剪切层发育，腔体内部存在局部循环区，以及……

结论
可侵蚀边界与柔性三角形腔体的倾斜几何结构之间的相互作用，使得其流态动力学与刚性腔体存在明显差异。三角形状使水流集中，从而在下游端附近产生高剪切应力及流动再附着，形成一种双向反馈机制，促进上游沉积和下游侵蚀。这一动态特性为河流工程提供了参考，明确了腔体作为泥沙滞留区的功能，有助于有针对性地开展河岸治理工作。

符号说明
z：流深，即从河床表面到某点的垂直距离。
D50：颗粒直径的中位数。
σg：沙粒尺寸的几何标准差。
φ：沙子的干安息角。
U、V、W：分别表示沿流向、横向和垂直方向的平均流速。
Ui、Vi、Wi：分别表示沿流向、横向和垂直方向的瞬时流速。
n：在某一位置进行的观测次数。
U?：河床剪切速度。
x：从C点沿流动方向的距离。

作者贡献
Mrinal Roy：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、验证、软件应用、方法论、正式分析、数据整理。
Pradyumna Kumar Behera：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、软件应用、方法论、实验研究、正式分析。
Himansu Barman：写作——初稿撰写、方法论、实验研究、正式分析、数据整理。
Carlo Gualtieri：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化处理、验证、方法论、正式分析。

资金支持
本研究未获得任何外部资金支持。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Mrinal Roy|Pradyumna Kumar Behera|Himansu Barman|Carlo Gualtieri|Bimlesh Kumar