泥沙运动规律解析
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摘要:本文对泥沙运动基本理论研究的近期进展进行综述,并作了简要的评述。
关键词:泥沙运动；流速分布；紊动强度；河道阻力；冲淤变动；综述
中图分类号： P338 文献标识码： A 文章编号：
引言：挟沙后的紊动强度变化, 应考虑是推移质颗粒还是悬移质颗粒,并将固相和液相分开考虑；研究床面抗冲性时引入“床面惯性”,认为河床具有记忆作用,可用量化的指标来表示；从两相流能量方程出发推导挟沙力公式；光电高新技术引入流场测量；将混沌动力学、分形几何学、人工神经网络方法和熵原理用来研究水流泥沙运动等等。以上这些理论和做法已经取得了丰硕的成果。
1.水流流速分布的研究
水流流速分布是计算阻力的基础,要分析挟沙 水流,先要分析清水水流。根据紊流卡门相似理论,在研究光滑壁紊流的标度律时使用不完全自相似假设,得到流速分布规律为 uu3 =1 3 lnRe+215u3y γ 32lnRe (1) 式中:u为距离壁面深度为y处的速度；u3为摩阻流速；Re为雷诺数；γ为运动粘性系数。肖勇等。用相似理论分析了河道水流流速分布的结构形式。分析结果表明:流速分布的指数型公式和对数型公式具有同样严格的理论基础,即相似理论,但是它们却基于本质上不同的两类假设,即不完全自相似假设和完全自相似假设。不完全自相似假设反映了壁面效应；完全自相似假设则忽略了壁面效应。通过对壁面绕流结构及尼库拉兹实验资料的分析,建立了能够统一描述紊流三区(光滑区、过渡区、粗糙区)的指数型流速分布公式。以上这些学者在进行研究时,都应用了新的研究手段和试验技术,,随着计算机技术的高速发展,数值模拟研究成果也用来与理论分析进行对照。
2.泥沙运动与紊流强度和猝发的关系
泥沙的存在对水流紊动强度的影响是一个十分重要的问题。关于这种影响,国内外有着不同甚至尖锐对立的观点。他们认为粗沙的加入增加了平均能量向脉动能量方向转移的机会,故而紊动强度增加,如果颗粒较细,在水中悬移运动,则吸收紊动能量,使紊动强度减弱。在清水或粘土悬浮液中加入粗沙后测量流场,发现平均流速减小而紊动强度增加,流速的能谱向高频率尺度方向转移,在管道中进行了宾汉流体挟沙的实验,发现从静止开始粗沙厚度随流速增大而增加,但到一临界值后反而减小。他们认为这是紊动增强后,紊动的随机性破坏了宾汉体结构,使泥沙颗粒的沉降速度加大使用带鉴频器的激光测速仪,平均流场和脉动流场情况。根据仪器的分辨性能,他们将水体分为三种情况:清水、浑水中的固体颗粒和浑水中的液相。而液相与清水流速基本相同；固体颗粒存在时摩阻流速和水面比降增加,而其他水力参数改变很少；固体颗粒的紊动强度小于浑水中的液相,且随着含沙浓度的增加差别增大,而液相与清水紊动相差无几。 总的说来,学术界认为泥沙存在对紊动强度既有增强的一面,也有减弱的一面,至于表现为哪一种,与泥沙粒径、浓度、水流强度以及颗粒是否悬浮 等有关,浑水中的固体颗粒与液相区分开加以测量和分析,是非常值得借鉴的。 当前研究紊动猝发与泥沙运动关系时,近床面泥沙跟随性、浓度难以得到可信的定量结论。
3.河道阻力规律
对阻力问题的研究,不仅具有重要的理论意义,在生产实践上也具有重要意义。沿程阻力系数λ可表示为 λ=8u3u2(3)式中:u为断面平均流速。如果已知流速分布,通过一定变换可得到管道和明渠相应的阻力系数。所以给出了阻力系数的表达形式,并用尼库拉兹实验资料对管道 阻力系数进行了验证,结果表明符合程度好。其他的流速公式也可得出类似的关系式。实际工作中常将河床阻力划分为河底阻力和河岸阻力两部分,河底阻力又包含沙粒阻力和沙波阻力。从理论上分析了床沙的粗化过程。当初始状态为均匀沙时,通过解床面高程的偏微分方程,辅以初始条件得到分析解,其计算结果与实测值符合较好。随着量测技术的发展,人们对河床近底处的认识日趋深入,也相应推动着对整个动床阻力规律的探索,从微观现象的观测分析探索其宏观规律是河流动力学基本方法之一。。随着泥沙科学的发展,迫切需要引进新的定量指标来描述这种不同,所以这种方法有广阔的发展前景。实际上,淤积河床也应该有类似的指标。如果这种方法进一步深入,甚至可以认为该指标是河型的分类最重要的标准之一。
4.水流挟沙能力规律
水流挟沙能力是指在一定的水流泥沙和本河段河床组成条件下,单位水体所能挟带和输送的泥沙数量。在研究解决工程泥沙问题时,水流的挟沙能力规律是最关键的问题。因此,水流挟沙能力一直是工程界和学术界研究的核心理论问题,受到人们的普遍关注。“制紊假说”为理论基础,从能量平衡出发,考虑了浑水相对粘滞性、上游来水来沙条件和床沙级配等因素对水流挟沙力的不同影响,建立了新的非均匀沙分组水流挟沙力公式。 显然,采用固液混合流运动方程和能量方程推导水流挟沙能力,物理概念清楚,力学思路明晰,是今后主要的发展方向之一。 总的说来,以上工作或是对原有公式的改进,或从颗粒运动的必然性和随机性相结合出发,或从两相流能量方程出发,得出水流挟沙规律。固液两相流理论是研究泥沙运动的基础。由于两相流的紊流结构十分复杂,目前还没有比较成熟的理论能描述其变化规律,因此在推导时往往要作一些近似处理。而实际水流挟沙时往往处在过饱和状态或欠饱和状态,即非平衡状态下的输沙,在某一特定的水文断面也需经过多次测验才能得出规律性的认识,并且这种认识并不能无限制地推广到异地。从这个意义上讲,挟沙力的研究还有待深入。
5.河床平面形态变化和冲淤变化
冲积河道平面形态是不断变化的。历来在河道整治上有许多争论,最主要的可概括为对河道人工控制程度的争论。这问题很难简单评判,但有两点可以明确:①必须尊重和利用河流运动的客观规律；②必须加大对河流的人工控制程度。这两点看似矛盾,但不仅可以统一,实际上本来就是一致的。历来都主张治河要“顺水之性”,“因势利导”,可今天能让河流自由行动的余地实在太小了,必须加强人为控制。这两点相结合很困难,但必须结合,必须使这两方面水平都提高一步,这样就使治河工程进入了一个新阶段。重点讨论的两个问题之一就是恢复饱和系数。恢复饱和系数的确定是模型的关键难点所在,而现有河流数学模型特别是黄河中下游模型,无论理论认识或实际经验都甚感不足。该问题的解决程度,是黄河数学模型完善与否的标志之一。 计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程,并对恢复饱和系数进行了重点研究。公认的观点是:恢复饱和系数是反映悬移质不平衡输沙时水体含沙量向挟沙能力接近的参数,它既与水流动力、泥沙条件有关,又与地形有关,是个复杂的函数。对河流、水库无好的初值可言。
6.精密量测仪器及高新技术的应用
水利学是一门传统学科,随着科学技术的不断发展,高新技术必将在水利行业发挥越来越大的作用。泥沙的来源虽然早已清楚,但来沙量、来沙过程、河床冲淤多少等无一不需要靠精确的测量仪器来给出。仪器的精度在很大程度上决定试验的成败。对野外工作时悬移质测量的各种常用设备进行了比较,建议在效率和经费允许的情况下,优先考虑超声多普勒技术，水利是一个传统行业,必须用高新技术为其注入活力。在计算机、光电子方面的进展必然使得测量仪器和检测手段更加精良,也推动着泥沙基本理论研究的进步。本领域迫切需要采用计算机技术、微电子技术、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)及自动化技术等在泥沙研究方面进行技术改造。21世纪是信息时代,信息技术以数字化手段为核心,3S技术在水利行业中有极大的技术需求。
7.一些新的数学理论和数学方法的应用
控制水流运动的N2S方程和泥沙输运中的对流扩散方程都是非线性的。近年来,各种非线性数学方法在水流和泥沙研究领域有了很广的应用。紊流和输沙运动中都存在混沌和分形现象。人工神经网络(ANN)理论是20世纪80年代中后期在世界范围内迅速发展起来的一个前沿研究领域,其发展已经对计算机科学、人工智能、认知科学等领域产生了重要影响。近年来,这种研究方法已经渗透到水力学和河流动力学研究领域。
8.结语
包括河流泥沙动力学和河道演变学在内的泥沙研究,。江河里的泥沙,都是从流域地表侵蚀、沟壑冲蚀而来。影响流域地表侵蚀所形成的流域产沙量的因素有:降雨强度、风力、地形特征、土壤结构、植被情况、人类活动等。目前,人类活动对生态环境的影响日趋剧烈,像这样“小雨量, 高水位”和“小流量,高水位”的现象,在太湖流域、淮河、汾河、渭河等均有出现。1998年洪水造成的直接经济损失达2000亿元。国外也有很多泥沙问题,如水库下游清水侵蚀、港口航道淤积、泥石流灾害等。 泥沙问题引起了学者们的广泛关注。
参考文献：
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