河流泥沙研究进展

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1、河流动力学课程论文第 1 页河流泥沙研究进展河流泥沙研究进展班级 20101501学号 2010150131作者 刘力摘要摘要:泥沙研究主要是认识水流中的泥沙运动规律、河床演变规律,进而解决水利工程 中的泥沙问题。泥沙学科体系始建于20世纪,侧重河流泥沙研究。河流泥沙运动力学基本理 论包括:泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙 力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等。 在长期的治河实践中,我国的泥沙科学发展迅速,主要进展包括:泥沙运动力学基本理论,高 含沙水流的运动机理与理论,河流模拟的理论与技术,水库泥沙的对策与管理,

2、河道演变规律 的认识及治河工程技术等。本文对河流泥沙研究的主要进展进行简要综述。 关键词关键词:河流泥沙；研究进展前言：前言：河流泥沙学科是一门综合性的基础技术科学,研究泥沙在流体中的冲刷、悬浮、输移和沉积规律,是水利学科的理论基础之一。河流泥沙研究则将挟沙水流自然现象和生产应用中的各种泥沙运动作为研究对象,包括了泥沙运动力学、河床演变与整治、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容,涉及水文学、水力学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多个学科。在细观尺度上,研究泥沙颗粒在流体作用下起动、翻滚、跳跃、悬浮、输移和沉降等过程;在宏观尺度上,则研究泥沙运动所导致的地貌发育和环境演变

3、;在更大的时空尺度上,还研究泥沙运动导致的固体物质从山区搬向平原和海洋、形成冲积平原和三角洲、以及在海洋环境中沉积等过程(钱宁,1983) 。作为河流泥沙学科研究的应用方面,目前主要面向水利工程中的泥沙问题,今后对生态、环境等方面的影响将不断加大。1、河流泥沙的研究历程、河流泥沙的研究历程河流泥沙研究的历史可以追溯到公元前256年的战国末期,当时李冰父子在修建都江堰工程时巧妙地利用了水流泥沙运动规律,工程布局完全符合现代泥沙运动力学原理,使都江堰工程至今已经成功运行2261年。尽管国内外河道治理不乏成功的例子,但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。早在19世纪末期,法国的DuBoys (1

4、879) 第一次提出推移质运动的拖曳力理论。Gilbert (1914) 在20世纪初通过水槽试验研究推移质泥沙的运动规律,最早建立了推移质运动的模式和计算公式。Rouse (1938)等在20世纪30年代初类比分子扩散理论,导出了著名的悬移质泥沙浓度分布公式,至今还在广泛应用。河流动力学课程论文第 2 页一门学科通常都是在长期实践基础上,由科学家不断提炼和升华而建立的,泥沙学科也不例外。在欧美,Einstein、Bagnold、Engelund等奠定了泥沙学科的基石。泥沙运动既是确定的也是随机的, Einstein(1950)首创用统计方法研究悬移质输沙率和推移质输沙率,导出泥沙挟沙力的计算

5、公式。特别突出的是能进行非均匀输沙的计算。此外,Einstein 还定义了冲泻质和床沙质的概念,提出了冲积河流阻力划分与计算方法。Bagnold注重泥沙运动的物理本质,用基本物理概念和物理过程描述方法来研究泥沙运动规律,所建立的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式,物理概念明确、理论分析合理,具有较好的计算精度。特别是关于颗粒作用的同心圆筒试验研究,揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性(碰撞) 作用的机理,深刻地揭示了颗粒作用的实质。这一试验成果不仅对泥沙研究起到了重要的推进作用,而且也是80 年代兴起的快速颗粒流研究的基础。Bagnold提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被称之为拜格诺数

6、(Bagnold Number) 。Engelund (1966 ,1974 ,1982)基本上遵循Einstein和Bagnold的概念和体系,结合经验总结进行了深入研究。在我国,张瑞瑾(1961) 、沙玉清(1965) 、钱宁(1983) 等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础。随着50 年代以来治理的推动,逐步发展与完善了泥沙学科体系;在理论研究上取得了国际领先水平的成果;在应用上成功地解决了许多重大工程泥沙问题,如长江葛洲坝工程、三峡工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。2、我国河流泥沙研究的成就、我国河流泥沙研究的成就我国河流众多,流域面积100km2 以上的河流达5万多条,流域面积1

7、000km2以上的有1500多条。这些河流具有两个突出特点:一是水资源时空分布极不均匀;二是挟带大量泥沙,特别是北方河流,由于水土流失严重,大量的泥沙被挟带到河流中,形成多沙河流,其中尤以黄河闻名于世界。泥沙造成河道和水库的累积淤积,不仅给水利水电工程建设带来了许多问题,也给河道防洪、沿岸工农业发展和人民生活带来了严重的影响;因此泥沙问题的研究具有重要意义(胡春宏,2001) 。随着治理的推动,泥沙学科在我国蓬勃发展,取得了巨大成就,既建立了泥沙学科的理论体系,还应用泥沙运动基本理论解决我国重大水利水电工程和河道、海岸治理工程的关键技术问题。主要进展包括:泥沙运动力学基本理论,高含河流动力学课

8、程论文第 3 页沙水流的运动机理与理论,河流模拟的理论与技术,水库泥沙的对策与管理,河道演变规律的认识及治河工程技术等。2.1、河流泥沙运动力学基本理论、河流泥沙运动力学基本理论2.1.1、泥沙的沉降特性泥沙在水体中的沉降速度是研究挟沙水流运动特性的基础。基于Stokes关于圆球颗粒在无限水体中运动的水流阻力公式,张瑞瑾、窦国仁、冈恰洛夫、沙玉清等学者对泥沙沉降规律都进行过深入的研究。张瑞瑾(1961) 、窦国仁(1963)采用阻力叠加原则,导出单颗粒泥沙在滞流区、过渡区、紊流区的统一沉速公式。特别是窦国仁关于圆球绕流在过渡区阻力的理论分析,拓宽了Stokes的理论。相对而言,单颗泥沙在静水中

9、的沉降特性已基本明确,而群体颗粒的沉降规律相当复杂,对其沉降规律还认识不透。在高含沙浑水中,由于絮凝作用和网状结构的存在,泥沙颗粒的沉降特性发生了很大的变化,远比清水及低含沙浑水中情况复杂。此时,颗粒下沉时不是彼此互不干扰以单颗粒形式下沉,而是互有干扰,部分颗粒或全部颗粒成群下沉。天然高含沙水流中一般含有较多细颗粒的非均匀沙,由于在沉降过程中,会发生絮凝现象,粗细颗粒沉降过程和特性相差很大,机理极为复杂。上世纪70年代末期,钱意颖(1980) 、张浩(1980) 等人曾对这一问题进行过试验研究,得出非均匀沙群体沉速与含沙量的关系。王兆印(1984) 等提出泥沙浓度对沉降速度影响的公式,杨美卿(

10、1986) 研究了高含沙紊动对絮凝结构的影响。钱宁、万兆惠(1985) 在综合分析各家研究结果的基础上,将上述沉降过程依据含沙量和物质组成不同,划分为3 个区:离散颗粒与离散絮团制约沉降区,离散颗粒在絮网结构体中沉降区,絮网结构体作整体缓慢下沉区。各区的群体沉速计算复杂,现有的研究成果有限(夏震寰,1982 ;费祥俊,1992) 。2.1.2、泥沙的起动特性泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一,也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。早在19世纪就提出了泥沙起动的概念,20世纪初开始了系统的研究,至今仍在继续(窦国仁,1960 ,1999) 。从力学角度分析,所谓泥沙起动就是床面上的泥沙在一

11、定的水流条件作用下,静平衡状态被破坏,由原来的静止变为运动状态的力学过程。一般而言,泥沙颗粒在起动时主要受到水下重力、水流的正面推河流动力学课程论文第 4 页力与上举力、以及颗粒间摩擦力和粘结力(或吸力) 的作用。通常用起动流速或起动切应力表示泥沙的起动条件。目前就天然均匀沙起动公式来说,起动流速公式在形式上差别不大,一般与粒径的1P3指数方、水深的1P6指数方呈正比,但其它系数取值离散度较大(沙莫 夫,1959 ;唐存本,1963 ;张瑞瑾,1961 ;窦国仁,1960 ,1999) 。张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力是由颗粒间的吸着水与薄膜水不传递静水压力引起的,从而推导出了均匀散粒泥沙与粘性

12、细泥沙在内的统一的起动流速公式。窦国仁(1999) 对颗粒间的粘结力、水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。通过瞬时作用流速分析,明确了三种起动状态间的关系,消除了起动切应力和起动流速间的不协调。对得出的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证,该公式较好地反映了粗、细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律。对散体泥沙,希尔兹(Shields)提出了临界相对切应力与沙粒雷诺数关系曲线。为避免试算,van Rijn (1986) 对此作了改进,建立了临界相对切应力与泥沙粒径参数之间的显式函数关系。关于Shields 曲线的其它显式表达公式还有Brownlie (1981)和Vajda (1991)

13、。以往关于起动特性的试验研究,水深(或水压) 相对较小,在水深较大的天然河道中偏差较大。对于高水压条件下的起动条件, 万兆惠(1990) 和Shvidchenko and Pender(2000a , b) 等进行了试验研究。饶庆元(1987年) 根据长江下荆江中洲子和上车湾人工裁弯新河原状固结粘性土的水槽试验成果和天然实测资料导出了相应的起动流速经验公式,实用性较强。由于沙粒在床面位置、排列情况、相对暴露度等因素的影响,使得非均匀沙的起动规律更加复杂。尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证,但公式在形式及计算结果上相差较大。秦荣昱(1980) 认为较细颗粒承受的附加阻力与非均匀沙

14、的平均抗剪力成比例,由此得出了非均匀沙各粒径组的起动流速公式。Shvidchenko (2001) 试验表明非均匀沙的起动与非均匀沙的组成特性及底坡等众多因素有关。韩其为在泥沙起动规律及起动流速方面进行了长期的研究,首先对起动机理做了深入分析,统一了输沙率与起动的概念,证实了起动时仍符合输沙率规律;给出了泥沙起动时有关的统计规律;提出了明确的起动标准;研究了大水深时起动流速变化;干容重对起动流速影响及其细颗粒成团起动问题。这些研究成果经过流动力学课程论文第 5 页量试验和实测资料的检验,成果总结出版了泥沙起动规律及起动流速专著。2.1.3、挟沙水流运动特性挟沙水流运动特性研究包括泥沙浓度分布、

15、流速分布、紊动特性等方面的内容,是河流泥沙研究的基础课题,中外学者从不同角度开展了大量研究,已经取得了丰富的成果。泥沙浓度分布公式是最基本的理论研究,Rouse 首先引入扩散理论导出浓度分布公式,开创了理论研究的先河,至今已经提出了多种不同的理论模型。除了泥沙浓度分布的扩散理论外,Velikanov 提出的重力理论独具特色,揭示出泥沙运动的能量耗散图景。关于泥沙浓度分布的主要进展在一般的教科书中都有详细的论述。倪晋仁(1991) 从理论上揭示无论采用扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论,在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式,而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥

16、沙浓度分布公式的统一模式,使得著名的Rouse (1937 ,1938) 、Velikanov (1958) 、Laursen(1958 ,1980) 、Hunt (1954) 、Tanaka (1958) 、Lane2Kalinske (1941) 等公式都成为特例。倪晋仁、王光谦(1991)提出浓度分布存在两种典型类型,即传统的浓度上小下大的型与最大浓度不出现在底部的型。过去关于浓度分布的研究都是针对型的;一些试验成果曾揭示出型分布,但是没有从机理和理论上分析。针对型浓度分布存在的事实,首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理;进一步类比气体分子运动论,从Boltzmann 方程出发导出能够描述型分布的浓度公式,并预测最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。最近他们又把研究推广到较高浓度的条件下(2002) 。鉴于Rouse 等提出的含沙量沿垂线分布公式,均为SPSa 的相对表达形式,近底参考点含沙量Sa 又往往难于确定,而许多生产设计问题需要确知的是绝对含沙量的沿垂线分布。因而必须探求直接求绝对含沙量沿垂线分布的办法。