摘要
理解分叉区和汇流区的水动力学对于有效的河流管理至关重要。本研究利用系统性的现场观测，研究了长江中游一个大型分流-汇流单元（宽深比大于100）中的复杂流动结构，观测了在低至高流量（8,560–46,100 m³/s）下的三维流速。就顺流方向而言，流量的增加导致分叉节点向下游移动，且随着来流量的增加，次级支流的流量分流比率也随之上升。至于次级水流，在不同流动条件下，分叉区表现出显著的变化。在低流量时，没有观察到显著的、河道尺度的次级流单元；在中等流量时，形成了一个次级流单元；而在高流量时，分叉区发展出两个面对面的次级流单元，其中表面水流向内，近床水流向外。总之，流动模式的变化是由流线曲率、局部地貌特征和地形引导共同驱动的。流动曲率产生了离心力，改变了次级流沿河段的旋转方向。湿润横截面积的突然变化导致了流动分离，增强了向下和横向的运动，从而增强了次级流。此外，在低流量时，主流优先进入床面较低的主支流；随着流入流量的增加，地形引导的效果减弱，产生了更均匀的速度分布，从而提高了次级河道中的流量分流比率。这为理解全球性分叉河流中的流动动力学提供了一个可转移的机制框架。
通俗语言总结
本研究调查了长江中游一个大型分流-汇流单元中的复杂流动结构。我们通过现场观测测量了不同流量下的流速。研究发现，随着流量的增加，分叉节点向下游移动，次级支流的流量分流比率上升。次级水流也发生了显著变化。在低流量时，没有观察到主要的流单元；在中等流量时，形成了一个流单元；在高流量时，分叉区形成了两个面对面的流单元，其中表面水流向内，近床水流向外。这些流动模式是由流线曲率、局部地貌特征和地形引导驱动的。流动曲率产生了改变次级流旋转的力量。河道形状的变化增强了向下和横向的运动。此外，在低流量条件下，主流优先进入床面较低的主支流；随着流入流量的增加，地形引导的效果减弱，产生了更均匀的速度分布，从而提高了次级河道中的流量分流比率。
1 引言
分叉和汇流是分叉河流段中的关键地貌节点，控制着水流和沉积物的路径以及局部河道形态（Barile等人，2025；Hackney等人，2018；Szupiany等人，2012）。水流的汇聚和分散产生了高度复杂的三维流动模式，强烈影响了水流、沉积物和营养物质的分配，从而塑造了河道形态（Xie等人，2020）。因此，理解这些分流-汇流单元的流动动力学对于有效管理分叉河流段至关重要，特别是对于预测和管理洪水风险和航行条件。河流中的汇流区可以基本分为两种类型。第一种是支流-主流汇流，当支流与主流汇合时发生，通常两种水流在流量、沉积物浓度、床面坡度和水温方面存在显著差异（Gualtieri等人，2018；Leite Ribeiro等人，2012；Rhoads & Johnson，2018；Yuan等人，2021；Zhang等人，2020）。第二种类型是当一个岛屿或河道中的沙洲将河道分成两个子河道，这两个子河道在下游重新汇合时形成，其特点是两个支流的流量和沉积物特性更为对称（Parsons等人，2007；Szupiany等人，2009）。迄今为止，已经通过实验室实验、现场测量和数值模拟进行了大量关于河流汇流的研究，探讨了水流运动、沉积物输送和形态动力学的动态（例如，Best，1987，1988；Biron等人，2019；Bradbrook等人，2000；Leite Ribeiro等人，2012；Rhoads & Kenworthy，1995；Szupiany等人，2009；Yuan等人，2021）。水动力学研究考察了汇流区的流动结构，如速度剖面（主流和次级流速度）、湍流特性（例如，垂直涡旋和Kelvin-Helmholtz不稳定性）和剪切应力分布（J. Duguay等人，2022；J. M. Duguay等人，2023；Le等人，2019；Leite Ribeiro等人，2012；Marra等人，2014；Xu等人，2022）。此外，大量文献还关注了汇流区的沉积物输送和形态动力学（Boyer等人，2006；Gualtieri等人，2017；Ragno等人，2021）。这些研究主要调查了悬浮沉积物和床沙的输送特性（Boyer等人，2006；Gualtieri等人，2017；Szupiany等人，2009），不同水动力区的形态动力学（Best，1987；Szupiany等人，2009；Yuan等人，2022）。它们还研究了水动力学与沉积物输送之间的相互作用（Claude等人，2014；Gualtieri等人，2018；Ragno等人，2021），或者影响流动结构和河道形态的因素，例如汇流角度、流量比率、密度梯度、植被（Boyer等人，2006；Constantinescu等人，2012；J. Duguay等人，2022；Wei等人，2024；Xu等人，2022；Yuan等人，2021）。相比之下，对开放河道分叉中流动结构的理解仍然有限（Barile等人，2025；X. H. Deng等人，2025；Federici & Paola，2003；Pittaluga等人，2003）。当前关于分叉区的研究也集中在这些区域的水动力学、沉积物输送和形态动力学上（Frias等人，2015；Kästner & Hoitink，2019；Marra等人，2014；Ragno等人，2020；Richardson & Thorne，2001；Szupiany等人，2012；Thomas等人，2011；Xie等人，2020）。水动力学研究通常分析分叉处的流动结构（Kästner & Hoitink，2019；Miori等人，2012；Ragno等人，2020；Szupiany等人，2012；Thomas等人，2011；D. Wang等人，2024；Y. Wang等人，2024）。在实验室水槽（Marra等人，2014；Thomas等人，2011；D. Wang等人，2024；Y. Wang等人，2024）、小河流（Kästner & Hoitink，2019）或宽度深度比始终大于100的较大河流（Parsons等人，2007；Richardson & Thorne，2001；Szupiany等人，2012）中进行了分叉处流动结构的测量和模拟。Parsons等人（2007）研究了巴拉那河的一个大型分流-汇流单元，发现当流量为12,000 m³/s时，在分叉区没有观察到典型的次级流单元；Szupiany等人（2012）研究了分叉区的流动结构，仅观察到沙洲头部附近存在一个次级流单元。Kästner和Hoitink（2019）研究了宽深比较低的卡普阿斯河的流动动力学，发现次级环流主要控制了次级支流中的流动，将携带沉积物的水流导向这些支流。然而，上述在自然河流中的现场观测主要是在特定流量下进行的。迫切需要在不同流量下进行测量，并系统地揭示分叉区的流动结构及其对流量变化的依赖性。本研究旨在通过在不同流量下系统观测流动结构，提高对中国长江中游（MYR）大型分流-汇流单元的水动力学特性的理解。需要解决的关键问题是：在非常宽且浅的河流中，分流-汇流单元的三维（3D）流动模式和流量分布是什么？这些3D流动模式和流量分布如何依赖于流量？
2 研究地点
2.1 研究河段概述
长江是世界第三长的河流，通常分为上游、中游和下游。长江中游（MYR）的总长度约为955公里，宽深比大于100，其入口位于三峡工程（TGP）下游43公里处。MYR包含多个具有大型分流-汇流单元的分叉河流段，占整个河段的约47%，如图1a所示。此外，有28个中央沙洲（N1-N28）沿河道纵向分布，关于中央沙洲的详细信息可以参考Zhou等人（2024）的研究。图1展示了研究河段的描述：(a) 长江中游的草图；(b) NYZ河段的遥感图像；(c) 直线分叉河段的示意图。其中，南阳洲（NYZ）河段是MYR中分叉河段的代表（图1b），河道宽度从1.1公里变化到3.2公里。NYZ河段的中央沙洲在低水位时覆盖面积约为5平方公里，主河道和次级河道各延伸约7.6公里，形成了对称的平面布局（图1b）。此外，普遍认为分叉河段可以分为分叉区和汇流区（Miori等人，2006）。如图1c所示，分叉区从水动力轴的分叉节点延伸到分流-汇流单元的中间部分；汇流区从分叉区的末端延伸到水动力轴重新汇合的分叉节点（图1d）。
2.2 进入研究河段的流动和沉积物条件
NYZ河段的流动和沉积物条件由卢山站测量的数据表示（图1）。这些数据来自长江水利委员会的水文局（http://www.cjh.com.cn/）。2003年至2023年期间，进入NYZ河段的年平均水量约为6,149 × 10^8 m³/a（图2a）；年平均沉积物排放量减少到0.78 × 10^8 t/a（图2a），导致研究河段出现了显著的河道退化。此外，卢山站的低流量（<10,000 m³/s）比例约为20%，中等流量（10,000–40,000 m³/s）的比例达到75%，高流量（>40,000 m³/s）的比例仅为5%（图2b）。
2.3 研究河段的河道地形
2021年NYZ河段的河床高程如图2c所示，零参考水平是中国黄海的平均海平面。这些数据也来自长江水利委员会的水文局。分叉区的高程范围从2.2米到29.4米（平均值14.1米），明显高于汇流区（-7.8米到30.0米，平均值9.7米）；值得注意的是，最低高程-7.8米记录在C4L横截面。此外，次级河道的平均高程（+4.8米）高于主支流在分叉区的高程。
3 数据来源和方法
3.1 数据来源
2023年和2024年，在NYZ河段进行了现场调查，测量了三维流速、水深等参数，测量横截面的位置如图1b所示。现场测量的相关信息总结在表1中。可以看出，C1–C2横截面位于分叉区，而C3–C5横截面位于汇流区；C2–C4横截面有两个子截面，例如C2L和C2R。这些测量横截面的选择基于初步模拟结果，确保能够捕捉到分叉区和汇流区的关键水动力学特征。现场调查在低流量、中等流量和高流量条件下进行（调查1–3），对应于卢山站的流量范围<10,000 m³/s、10,000–40,000 m³/s和>40,000 m³/s。表1总结了现场测量内容。
| 项目 | 仪器 | 精度 | 测量位置 | 测量时间 |
|------|------|-------|--------|--------|
| 三维流速和深度 | Rio Grande 600 kHz（7,305）ADCP | ±0.0025 m/s | C1、C2L、C2R、C3L、C3R、C4L、C4R、C5横截面 | 调查1：2023年2月28日（QC1 = 8,560 m³/s，低流量）
调查2：2023年6月30日（QC1 = 22,600 m³/s，中等流量）
调查3：2024年6月30日（QC1 = 46,100 m³/s，高流量） |
注：三次调查（调查1–3）在所有C1至C5的横截面进行。测量方法和技术标准如下所述，详细信息可参考Liu等人（2024）。三维流速是使用Rio Grande 600 kHz声学多普勒流速仪（ADCP）在平均速度为1.5 m/s的测量船上获得的。ADCP的采样频率为10 Hz，单元大小约为0.5米，探头位于水面下0.5米处（S. Deng等人，2021）。该测量过程遵循中华人民共和国的声学多普勒流量测量规范（PRC SL 337–2006），要求如果流量相对稳定（不同横截面之间的测量流量差异低于5%），每个截面只能测量两次。如果误差超过5%，则应该对该横截面进行更多次的测量，直到满足要求。在当前研究中，每个横截面重复测量之间的所有误差都在2.19%以内。
3.2 方法
使用RDI-WinRiver 2.15软件将每个横截面的流速和水深数据导出为ASCII文件。在WinRiver 2.15中对测量网格之外的局部区域（靠近河床、水面和河岸）的流量进行插值（TRDI，2001），从而可以得到总流量。使用速度映射工具（VMT）分析多个横截面的ADCP速度数据，该工具综合并平均了沿横截面的重复测量数据（Parsons等人，2013；Xu等人，2022）。然后通过调整网格节点间距、水平/垂直矢量间距以及水平/垂直平滑窗口来平滑数据（Xu等人，2022）。流速数据包括横截面平均速度（U）、深度平均顺流速度（Us, Un）和三维速度（us, un, uz），其中s、n、z分别代表纵向、横向和垂直方向。s坐标对应于沿主流向下游的距离，n轴垂直于s方向，n轴正向指向右岸。在当前研究中，采用了Rozovskii的定义来量化主流速度（us）和次级流速度（un*，uz）（Rozovskii，1957；Yuan等人，2021），其中un*是un的循环部分（un* = un−Un）。然后可以使用以下公式计算次级流的强度（I）（Xia等人，2023）：
(1)其中A表示流面积；H是水深；Q表示流量；B表示水面宽度。对于分叉段，应使用相应的流量数据分别计算每个分支的次级流强度。此外，使用了Hasenhündl和Blanckaert（2021）的开源脚本来确定河道中心线的逐渐变化的曲率半径（R）。给定中心线的笛卡尔坐标x和y作为沿中心线下游距离（l）的参数函数，曲率（1/R）的计算公式如下（Vermeulen等人，2014）：
(2)其中撇号（'）和双撇号（''）分别表示对l的一阶和二阶空间导数。在当前研究中，中心线的曲率在向右（左）转弯处为正（负）。深度平均顺流速度分量（Us）在河流宽度上的分布偏度由参数化，可以定义为（Blanckaert & De Vriend，2004）：
在本文中，采用了方程3中定义的线性化版本。由于当前研究关注的是一个直线分叉段，其曲率半径相对较大（表2），因此n/R项可以近似为零。此外，当αs < 0时，流量集中在左侧（次级河道）；当αs > 0时，流量集中在右侧（主流河道）。表2. 不同流量下横截面的测量参数
调查
截面
Q (m³/s)
A (m²)
U (m/s)
B (m)
H (m)
B/H
B/R
Fr
低流量（RQ = 10.8%）
C1
8,560
8,720
0.98
1,510
5.8
260
−0.132 和 0.132
0.130
C2
L
1,011
1,443
0.75
585
2.9
202
−0.104
0.141
R
7,310
6,250
1.17
662
9.4
70
0.104
0.122
C3
L
1,120
1,570
0.71
395
3.97
99
0.260
0.114
R
7,380
6,800
1.09
914
7.4
124
−0.138
0.128
C4
L
1,050
5,980
0.18
493
12.1
41
0.476
0.017
R
7,120
6,180
1.15
664
9.3
71
−0.312
0.120
C5
8,420
11,300
0.75
945
12
79
−0.587 和 0.587
0.069
中流量（RQ = 28.5%）
C1
22,600
21,600
1.05
1,940
11.1
175
−0.132 和 0.132
0.101
C2
L
6,420
8,520
0.75
1,300
6.6
197
−0.104
0.093
R
16,100
12,300
1.31
1,140
10.8
106
0.085
0.127
C3
L
6,520
5,940
1.1
693
8.6
81
0.200
0.120
R
16,200
13,400
1.21
990
13.5
73
−0.113
0.105
C4
L
6,310
9,750
0.65
630
15.5
41
0.434
0.053
R
16,100
12,600
1.28
847
14.9
57
−0.336
C5
22,200
18,000
1.23
1,030
17.5
−0.557 和 0.557
0.094
高流量（RQ = 32.3%）
C1
46,100
36,000
1.28
2,320
15.5
150
−0.132 和 0.132
0.104
C1+1
47,700
41,100
1.16
2,720
15.1
180
−0.222
0.095
C2
L
16,600
18,500
0.9
1,450
12.8
114
−0.091
0.080
R
30,600
22,300
1.37
1,660
13.4
124
0.102
0.119
C3
L
15,800
14,400
1.1
910
15.8
58
0.106
0.088
R
31,600
21,800
1.45
1,170
18.6
63
−0.088
C4
L
15,400
15,000
1.03
710
21.1
34
0.282
R
30,800
18,400
1.67
885
20.8
43
−0.273
C5
47,200
25,600
1.84
1,110
23.1
48
−0.558 和 0.558
注：RQ表示次级河道的流量分流比。
4 结果
处理数据后，获得了关键参数，包括总流量（Q）、流面积（A）、水深（H）和水流速度（U）以及水面宽度（B）。表2总结了三次调查中每个横截面的关键参数值，进入NYZ的总流量范围从8,560到46,100 m³/s；同时，水深分别在2.9到12.1 m、6.6到17.5 m和12.8到23.1 m之间。此外，各截面的平均速度从0.18到1.17 m/s、0.65到1.31 m/s和1.03到1.84 m/s不等。另外，NYZ段的宽深比（B/H）在三次调查中的平均值范围为90–118。
4.1 不同流量条件下的流动结构
这部分系统地介绍了研究中的分流-汇合单元在不同流量下的流动结构，包括深度平均流动模式的分析、主流速度分布的评估以及次级流动动力学的特征描述。
4.1.1 深度平均流动（Us, Un）
NYZ段每个测量横截面的深度平均速度如图3所示。在分叉区，水流分为两部分，主流河道的速度较高（表2）。根据速度分布剖面，可以确定主流和次级河道的流体动力学轴线，分叉区的交点被识别为分叉节点（图1c）。随着来流量从22,600 m³/s增加到46,100 m³/s，分叉节点向下游移动了大约1.6公里，这与其他实验或现场观察结果相似（Marra等人，2014；D. Wang等人，2024；Y. Wang等人，2024）。此外，在低流量条件（8,560 m³/s）下，两个分支的流体动力学轴线都靠近河岸，中央沙洲位于低速区；在高流量时期（46,100 m³/s），次级分支的流体动力学轴线从右侧移动到左侧，并侵蚀了中央沙洲的下部。图3
深度平均速度矢量（Us, Un）：(a) 低流量；(b) 中等流量；(c) 高流量。从图4可以看出，在C4L横截面，纵向流动集中在横截面的中央部分，在低流量和中等流量条件下，该速度核心两侧有两个循环区；而在高流量条件下没有观察到循环区，这是因为增强的纵向速度抵消了局部流动的循环，但仍降低了这些特定区域的整体速度。这两个循环区的存在有效地减少了可用于输送流量的横截面宽度。三次调查中的有效水面宽度分别约为1,110 m、1,550 m和2,190 m，分别占实际水面宽度的74%、80%和100%。图4
C4L处的循环区：(a) 低流量；(b) 中等流量；(c) 高流量。
4.1.2 主流（us）和次级流单元（un*, uz）
此外，图5展示了C1-C5横截面的主流速度（us）的模式。可以发现，随着来流量的增加，次级分支的流量分流比（RQ）从调查1的10.8%增加到调查3的32.3%（表2），横截面上的速度分布变得更加均匀。图5还显示了使用Rozovskii定义叠加在主流速度等值线上的次级流速度（un*, uz）矢量。在调查3中，C2横截面的分叉处出现了两个面对面的旋转单元。这种结构的特点是靠近水面的流动朝向河道中心（即向内），而靠近河床的流动朝向外侧河岸（即向外）。在C3和C4横截面，次级流的旋转方向发生了反转（背靠背旋转单元），表面流动朝向外侧河岸。在汇合区，C5处的旋转方向再次改变，表面流动朝向河道中心（面对面旋转单元）。调查1和2中观察到的模式与调查3中的相似。面对面和背靠背次级流之间的转变代表了速度方向的改变，这对沉积物输送和随后的河床形态调整有直接影响。此外，还比较了不同流量水平下的次级流强度（I）（从调查1到调查3）。结果表明，随着流量的增加，次级流的强度I也增加了。例如，在C3R横截面，低流量期间没有出现次级流；随着流量增加到较高水平，形成了一个次级流单元，I的强度从0.21（中等流量）逐渐增加到0.36（高流量）。图5
不同流量水平下的主流（us）和次级流速度（un*, uz）分布：(a) 低流量；(b) 中等流量；(c) 高流量。图5（续）
此外，有一些研究计算了长江中游某些弯道处次级流的强度（S. Deng等人，2021；Liu等人，2024）。然后，本研究使用S. Deng等人（2021）和Liu等人（2024）论文中概述的方法重新计算了I的强度。根据这两项研究，在23,100–24,800 m³/s的流量范围内，I的强度范围为0.00022–0.00424，并且与曲率比B/R有很强的正相关性，这表明曲率比是影响弯道处次级流形成的重要因素。然而，我们的研究发现，在类似流量16,100–31,600 m³/s的NYZ段，I的强度（0.00260–0.00452）高于这些长江中游急弯处的强度，如图6所示。研究中的分叉和弯曲段都位于长江中游，这些段的河道尺寸大致相当。选定的比较横截面的宽深比（B/H）分别在三个段中为42到99、49到102和43到124。此外，流量相似，流动状态（由弗劳德数Fr表示）也相当。然而，当前研究段的曲率比（B/R）明显小于这两个弯曲段。尽管如此，分叉段的次级流强度仍然更强，进一步表明分流-汇合单元中的流动结构可能表现出强烈的三维特性，这在分析和建模过程中应予以仔细考虑。图6
5 讨论
5.1 流动曲率对次级流的影响
由于离心力的作用，NYZ段次级流的旋转方向与流动曲率紧密对齐。如图3和图5所示，当水流进入分叉区（从C1到C3）时，流线变得弯曲，向外侧河岸弯曲并产生指向河道中心的离心力。这导致在C2横截面形成了次级流单元，其特征是靠近水面的流动朝向内部，靠近河床的流动朝向外部。然后流线在弯道顶点下游向河道中心弯曲，导致次级流的旋转方向发生反转。在汇流区（从C4到C5），在纵向速度最高的区域出现了一个顺时针方向的次级流单元，而在低速区域形成了一个逆向旋转的单元，次级流的方向再次发生了变化。例如，在高流量条件下，C1–C5处主通道的曲率比B/R分别为0.132、0.102、−0.088、−0.273和0.558，这些值对应于图5c中这些截面的次级流旋转方向。这些观察结果强调了流曲率作为影响分叉河道中次级流方向的重要因素。其他研究也观察到了分叉处类似的流动结构（Marra等人，2014年；Parsons等人，2007年；Richardson和Thorne，1998年）。例如，Thomas等人（2011年）、Miori等人（2012年）和Marra等人（2014年）的实验和数值模拟报告了分叉处存在双面对面的旋转单元，这与当前的研究结果一致。然而，也有一些研究并未观察到分叉处次级流的发展（Parsons等人，2007年）。Parsons等人（2007年）在阿根廷巴拉那河的一个非常大的汇流-分流单元进行了实地调查，流量为12,000立方米/秒。巴拉那河的年平均流量约为17,000立方米/秒，12,000立方米/秒的流量对于这条河流来说相对较低。宽深比通常大于100，平均值为200。汇流角约为35°，而分叉角接近80°。调查结果显示，在这个河段中，作为小河道内流动场重要方面的河道尺度次级流单元并不存在。在当前的测量中，NYZ河段的宽深比与巴拉那河相似，介于30到260之间，平均值为100；同时，汇流角约为70–80°，分叉角接近30–40°。观察表明，在低流量条件（8,560立方米/秒）下，NYZ河段的分叉处没有次级流，但在中等流量条件（22,600立方米/秒）下观察到了明显的次级流。只要流量足够高，自然的分流-汇流单元中仍然可以发生河道尺度的次级流。
5.2 流动分离的突然变化的影响
流动分离会显著降低河道的泄洪能力，从而增加防洪的压力。如图4所示，在C4L处出现了两个循环区域。C4L处的流动分离原因与在急弯处（Blanckaert，2010年；Blanckaert等人，2013年；Liu等人，2024年；Vietz等人，2012年）以及深度冲刷处（Andrle，1994年；Beltaos等人，2012年；Vermeulen等人，2014年）的发现一致，例如在印度尼西亚的马哈卡姆河，人们在一个有深洞的急弯处观察到了大型循环单元（Vermeulen等人，2014年）。根据Vermeulen等人（2014年）的研究，不利的水面梯度是由曲率和横截面积的突然变化引起的，并且被粗糙度效应引起的表面坡度所抵消，如方程4所示：
(4)其中zs代表水面高度；Cf是无量纲的Chézy型摩擦系数；Fr是弗劳德数。方程4右侧的第一项是粗糙度的影响，第二项是由曲率变化引起的水面横向倾斜所导致的纵向梯度。最后一项是湿润横截面积显著变化的影响。一旦流动曲率和面积变化的综合效应超过了粗糙度的影响，就会产生不利的水面梯度。根据表2中的数据，计算了次级通道中C1–C5截面之间的水位差异。在低、中、高流量条件下，Cf分别取值为0.0018、0.0017和0.0016，这是通过使用流体动力学模型来模拟流动过程并与观察结果相匹配得出的。从表3可以看出，在低流量条件下，C4L和C3L截面之间存在不利坡度，C4L的水位比C3L高0.04米。此外，C5和C4L之间的水位相等，这阻碍了流动并导致C4L处的流动逆转。随着流量增加到高流量条件，增强的流体动力作用消除了C4L和C3L之间的不利坡度。然而，C5的水位仍然比C4L高约0.10米，这表明这两个截面之间可能仍然存在一个汇流区。表3. 次级通道中截面之间水位差异的计算结果
此外，C4L处的流动分离也加剧了次级流的形成。在流动的核心区域，向下和横向的运动加剧了，在高流量条件下，最大垂直和横向速度分别达到了0.27米/秒和1.69米/秒，这促进了次级流的发展。因此，次级分支（C4L）中的I的标准化幅度超过了主分支（C4R），尽管非标准化值在主分支中仍然更大。
5.3 地形导向对流动偏转的影响
研究发现，随着来流量的增加，次级分支的流量偏转率从调查1的10.8%增加到了调查3的32.3%（表2）。本研究使用了基于Chézy方程和两个分支入口和出口截面之间水位差基本原理的简化模型（Z. B. Wang等人，1995年）来计算流量偏转率。该模型认为两个分支的宽度大致相等；=分支的水深；=Chézy系数；R是可以近似为具有大宽深比河段中的水深的 hydraulic半径，n是Manning粗糙系数，两个分支中的值被认为是大致相等的。从表4可以看出，计算出的流量偏转率与观察结果非常吻合。表4. 计算值与测量值之间的流量偏转率比较
从方程5可以看出，流量偏转率的主要控制因素是两个分支的整体几何形状和阻力特性，包括河道地形、水位和主次分支的粗糙度。在本节中，主要讨论了在固定分支长度和河道几何形状的情况下，流量偏转率如何随着流量的增加而变化。这些机制可以从更详细的流动结构的角度来阐明。主要原因是随着流量的增加，增强的流动动量减弱了地形导向的效果，导致横截面上的速度分布更加均匀。地形导向是指流动更有可能被引导到河床高度较低的分支中。根据方程3，在三个流量水平下计算了C1截面处Us分布的偏度。结果显示，随着流量的增加，偏度从3.86减小到1.91，然后减小到1.55。这些正值表明流动速度偏向右侧分支（主分支）；而减小的值表明横截面上的速度分布变得更加均匀。此外，图7展示了NYZ河段分叉区近床面和近表面速度矢量的大小和方向。在低流量条件下，C1截面处的近表面和近床面流速相对较小，主要受地形导向的影响，主流被引导到河床高度较低的主分支中（图7a）。具体来说，近表面流速的方向从29.7°到76.6°东北方向变化，平均值为56.5°，而近床面流速的方向从27.8°到92.5°东北方向变化，平均值为55.3°。在中等流量水平下，近表面流速变得相对直接，朝向中央的沙洲。C1截面处的近表面流速方向平均为41.2°东北方向，与低流量条件（56.5°东北方向）相比，偏转角显著减小；同时，近床面流体更有效地被引导到上游的主分支中（图7b），C1截面处的近床面流速方向从20.1°到77.3°东北方向变化，平均值为44.9°。在高流量水平下，近表面流速方向从26.1°到55.4°东北方向变化，平均值为39.9°，而近床面流速方向从20.8°到63.3°东北方向变化，平均值为41.1°。这些结果还表明，在固定的分叉河道中，只要流量足够高，即使宽深比较大的自然分流-汇流单元中仍然可以发生河道尺度的次级流。
6 结论
在中游长江（MYR）的一个分叉河段进行了系统的实地观察，研究了不同流量下的三维流动动力学，揭示了分叉和汇流区的流动特性。研究结果为大型分流-汇流单元的流体动力学行为提供了重要的见解，主要结论如下：分流-汇流单元的流动结构强烈依赖于流量。随着流量的增加，分叉节点向下游移动，次级分支接收到的总流量分配逐渐增加。此外，分叉处的次级流随着流动条件的变化而表现出显著的变化。在低流量条件下没有次级流出现，而在中等流量条件下形成了一个以水面附近向内流动和河床附近向外流动为特征的单一次级单元；在高流量条件下则形成了双面对面的次级单元。在纵向调整方面，次级流的方向从“面对面”变为“背靠背”，然后又变回“面对面”。
分流-汇流单元的流动结构主要受流线曲率和局部地貌变化的影响。流线曲率决定了分叉和汇流区次级流的方向和强度，这解释了在不同观察截面中出现的“面对面”、“背靠背”或无次级流结构的多样化流动模式。此外，局部河道几何形状，包括横截面积的突然变化，会导致不利的水面梯度和流动分离，进一步塑造了次级流动的动力学。随着流量的增加，次级分支的流量偏转率从10.8%增加到32.3%，主要是由于增强的流动动量减弱了地形导向的效果，导致横截面上的速度分布更加均匀。这一点得到了流量增加时速度偏度从3.86减小到1.55的支持。此外，不同流量下的近床面和近表面流速矢量进一步表明，更高的动量减少了流动的偏转，使得路径更加直接，从而在高流量条件下增加了次级分支的流量偏转率。关于流量依赖性流动特性的方法和发现为全球类似系统提供了可转移的方法和见解，有助于改善分流-汇流单元的管理。例如，分叉节点的下游迁移以及随着流量增加而增大的流量分流比，为导航渠道维护中训练结构的最佳布置提供了依据；而随着流体力量增加观察到的流速偏度减小，则为洪水控制操作中调节流量分流比提供了理论基础。此外，所识别的次级水流的演变模式有助于预测河床变形，从而指导有针对性的河岸防护和河床稳定措施。然而，上述发现主要集中在流动动力学方面，上游筑坝引起的流态变化对地貌变化的响应仍有待进一步探索。未来，建议在调查过程中同时进行沉积物参数和地形的实地观测。特别需要重点分析在不同流量条件下，流动结构如何影响分流-汇合单元处的沉积物分流情况，以及次级水流如何影响主河道和次级河道中的局部河床形态。
致谢
本研究主要得到了国家自然科学基金（项目编号52109098、52479075、52379079、U2040215）的支持。
利益冲突声明
作者声明与本研究无关的任何利益冲突。
数据可用性声明
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