【文章內(nèi)容簡介】 狀態(tài) ,而是與水流、泥沙運動的歷史有關(guān) ,其非恒定過程突出。竇國仁 (1963) 應(yīng)用湍流脈動的觀點研究平衡輸沙時的近底泥沙通量。最近研究證明泥沙的間歇性起動與湍流猝發(fā)的噴發(fā)事件緊密相關(guān) (Nino , Y. et al . 1996) ,曹志先 (Cao Z. 1997) 根據(jù)湍流猝發(fā)的平均時間、空間尺度 ,構(gòu)造了具有較好力學基礎(chǔ)的泥沙上揚通量與湍流猝發(fā)之間的定量關(guān)系 ,可適用于描述非恒定顯著的河口泥沙起動過程。河口泥沙沉降與鹽度及湍流變化 的動力學過程密切相關(guān) ,錢寧 ,萬兆惠 (1986) 給出了絮團平均沉速隨水體鹽度和含沙量的變化曲線。趙龍保 (1992) 的實驗研究表明靜止鹽水沉速 流動鹽水沉速 靜止淡水沉速 流動淡水沉速。河口混合和最大渾濁帶是河口泥沙輸運研究的一個關(guān)鍵科學問題。周濟福等 (1999 ,2020) 研究了河口鹽度的垂直和水平分布隨徑流和潮流相對強弱變化的規(guī)律 。黃勝等 (1993) 研究認為最大渾濁帶是河口形成攔門沙的重要原因之一。 、 高含沙水流的運動機理與理論 高含沙水流是指含沙量高達 200～ 300kgPm3 以上的挾 沙水流。我國黃河干支流經(jīng)常發(fā)生 ,最高含沙量達 1 600kgPm3 。由于含沙量高 ,水流的運動呈現(xiàn)出與低含沙水流明顯不同的特性。 我國早在 60年代就對高含沙水流開始系統(tǒng)研究 ,國內(nèi)幾家重要的科研單位 :黃河水利委員會、中國水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武漢水利電力學院、清華大學等 ,相繼開展野外觀測、試驗研究及理論分析 ,從上述幾個方面對高含沙河流動力學課程論文 第 12 頁 水流運動規(guī)律進行深入研究 ,取得了豐富的成果 ,并逐步建立起高含沙水流運動的理論體系。最近 ,王光謙 (Wang ,2020) 總結(jié)了高含沙水流研究的進展。 在第一次河流泥沙國際 學術(shù)討論會 (1980) 上集中反映出我國關(guān)于高含沙水流的早期研究成果 ,例如錢意穎等關(guān)于高含沙水流的基本特性 ,張浩等關(guān)于高含沙水流沉降規(guī)律和阻力特性 ,楊廷瑞、萬兆惠等關(guān)于高含沙渾水利用問題的研究 ,曹如軒等關(guān)于水庫高含沙水流沖淤計算問題 ,康志成、章書成關(guān)于泥石流流體特性的初步分析。在這次國際會議上還沒看到國外學者關(guān)于高含沙水流的研究成果。國外高含沙水流的系統(tǒng)研究始于 20世紀 80年代 ,1980年美國圣海倫火山爆發(fā) ,大量的火山灰形成高含沙水流淤高下游河道十幾米 ,引起美國有關(guān)專家的關(guān)注。國外目前關(guān)于高含沙水流的研究遵 循與借鑒了我國的方法和理論。 我國關(guān)于高含沙水流研究主要特色在于 :在機理研究方面 ,通過大量室內(nèi)實驗和野外觀測 ,認清了一般挾沙水流、高含沙水流及泥石流的不同物理圖景及內(nèi)在聯(lián)系 ,揭示出高含沙水流可能出現(xiàn)的偽一相流、兩相流及層移質(zhì)三種運動模式 ,在高含沙水流的形成機理、不同運動模式、流動不穩(wěn)定性、減阻效應(yīng)、湍流特性等方面取得了創(chuàng)新成果。在深刻認識運動機理的基礎(chǔ)上 ,結(jié)合河流動力學、流變學及固液兩相流動力學的基本原理 ,將高含沙水流的形成和匯流過程、物理和湍流特性、運動模式和機理等進行系統(tǒng)總結(jié) ,建立了高含沙水流運動的理論 。把河流動力學研究拓展到高含沙水流范疇 ,形成了高含沙水流動力學新領(lǐng)域 ,代表中國倡導的高含沙水流研究的原創(chuàng)成果 ,并廣泛應(yīng)用于多沙河流的治理及其相關(guān)的工程問題。 關(guān)于高含沙水流研究的主要方面包括 : (1) 高含沙水流產(chǎn)匯流特性的研究。王興奎 (1982) 在 80年代研究了黃土丘陵溝壑區(qū)高含沙水流的形成及匯流過程 ,分析在黃土丘陵溝壑區(qū)雨滴擊濺、水流沖刷及重力侵蝕對產(chǎn)生高含沙水流的重要作用 ,在各級溝道匯流過程中高含沙水流的一些主要特性 ,得出高含沙水流產(chǎn)沙的極限濃度。許炯心 (Xu ,2020 ,1998 。許炯心 ,2020 ,1998) 對黃土高原區(qū)高含沙水流的形成特性持續(xù)開展研究 ,取得了較為系統(tǒng)的研究成果。 (2) 高含沙水流流變特性的研究。以愛因斯坦 (1905) 提出的挾沙水流粘滯系數(shù)公式為基礎(chǔ) ,考慮到高含沙水流內(nèi)部絮團和絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展 ,結(jié)合黃河高河流動力學課程論文 第 13 頁 含沙水流的特點 ,國內(nèi)專家相繼提出了高含沙水流流變參數(shù)的經(jīng)驗計算公式 (褚君達 ,1980 。費祥俊 1982 。陳立 ,1992) ,也有專家建立了半經(jīng)驗半理論公式 (詹義正 ) 。經(jīng)大量試驗資料驗證 ,費祥俊建立的高濃度漿體粘滯系數(shù)與賓漢屈服應(yīng)力計算公式具有較高的精度。以高濃度漿 體的粘性計算公式為基礎(chǔ) ,費祥俊修正公式可用于泥石流漿體的粘性計算。對紊流條件下的賓漢極限應(yīng)力的試驗研究 ,則揭示了賓漢極限應(yīng)力隨紊動強度的變化規(guī)律 (楊美卿 ,王虹 ,陳立 ,1993) 。夏震寰 (1982) 在80年代初從膠體化學關(guān)于懸浮體的穩(wěn)定理論出發(fā) ,分析了粘性顆粒泥沙的絮凝現(xiàn)象與機理。 (3) 高含沙水流的流動特性研究。含有細顆粒泥沙的高含沙水流 ,其流態(tài)具有與一般挾沙水流和清水水流不同的特點 ,張瑞瑾將其劃分為紊流和復(fù)雜結(jié)構(gòu)流 ,其中復(fù)雜結(jié)構(gòu)流內(nèi)存在流核 ,流核范圍內(nèi)流速分布梯度為 0 ,流速均勻分布。王明甫于 1985年建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)流流速分布公式 ,公式可以反映有流核和無流核兩種情形的流速分布。高含沙水流中大量泥沙顆粒的存在 ,常規(guī)的測量儀器難以應(yīng)用 ,國內(nèi)開發(fā)研制的應(yīng)變式紊動流速儀和壓阻式紊動流速儀被用來測量水槽或者管道中高含沙水流的紊動特性 ,取得了紊動強度分布、紊動強度隨泥沙條件變化的初步認識。 王兆印根據(jù)維持顆粒運動作用力的來源不同 ,將顆粒運動形式分為三大類 ,即借顆粒碰撞和接觸產(chǎn)生的離散力 (碰撞力 ) 和接觸力抵消顆粒有效重力而維持運動的推移質(zhì) ,依靠湍流擴散力而保持不沉積的懸移質(zhì) ,及由液相屈服應(yīng)力和浮力所支持的中性懸浮 質(zhì)。試驗研究發(fā)現(xiàn)粗沙顆粒懸移質(zhì)含沙水流的流速分布在主流區(qū)遵從對數(shù)規(guī)律 ,卡門常數(shù)則為利查遜數(shù)及濃度的函數(shù)。由于懸沙對紊動結(jié)構(gòu)的影響 ,特別是懸沙不均勻分布產(chǎn)生的密度梯度減弱了紊動 ,卡門常數(shù)較清水湍流小。在底床附近 ,流速分布受到升力效應(yīng)的影響 ,流速梯度減小。高含沙水流的懸沙濃度分布與低含沙水流不同 ,但都服從擴散規(guī)律。從擴散理論求出了管道兩相流湍流濃度分布的方程 ,推導出與一般挾沙水流同樣形式的濃度分布公式 ,只不過要對懸浮參數(shù)進行修正。 層移質(zhì)運動是錢寧提出的推移質(zhì)運動的一種形式 ,在高強度水流條件下可以出現(xiàn) ,試驗室內(nèi) 研究證明了存在這種運動形式 (錢寧 ,1983) 。 80年代王兆印和王立新 (1986) 開展層移質(zhì)運動機理研究 ,取得理論與試驗方面的成果。 河流動力學課程論文 第 14 頁 (4) 高含沙水流挾沙力研究。張紅武 (1993) 通過對二維水流單位水體的能量平衡方程式沿垂線積分 ,經(jīng)分析整理得出包括全部懸移質(zhì)泥沙在內(nèi)的高含沙水流挾沙力公式。該公式以及之前的曹如軒公式 ,之后的舒安平公式、陳立公式、劉興年公式等都反映出高含沙水流挾沙力與水流攜帶泥沙數(shù)量和組成之間的正比關(guān)系。張紅武公式得到了黃河、長江、渭河、遼河及 Muddy River 等國內(nèi)外河流千余組資 料的驗證 ,表明對于一般挾沙水流和高含沙湍流都可適用。如已應(yīng)用于2020 年黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗的數(shù)學模型計算 。用于 “ 九五 ” 國家重點科技攻關(guān)項目 “ 黃河下游水資源開發(fā)利用及河道減淤清淤關(guān)鍵技術(shù)研究 ” 的數(shù)學模型設(shè)計及驗證?；萦黾椎热?(2020) 比較后認為張紅武公式的精度較高。 (5) 高含沙水流河床演變規(guī)律研究。王明甫 (2020) 、萬兆惠 (1991) 等研究發(fā)現(xiàn) ,在一定水沙組成和河床斷面形態(tài)條件下 ,高含沙水流可以保持很高的挾沙能力 ,進行遠距離輸送而不淤積 。淤灘刷槽 ,大沖大淤 。高含沙洪水過程中往往出現(xiàn)水位異常高 的現(xiàn)象 。黃河高含沙水流的輸移規(guī)律及造床作用呈現(xiàn)了 “ 多來多排多淤 ”的特點。對于高含沙水流河床演變中的特殊現(xiàn)象 ,如 “ 揭河底 ” 、 “ 不穩(wěn)定流 ”以及 “ 漿河 ” 等劇烈變化 ,也結(jié)合實際觀察 ,通過室內(nèi)試驗進行了分析。 (6) 高含沙水流研究的系統(tǒng)成果。高含沙水流運動特性包括了高含沙水流的類型、粘性、流速分布、阻力特性、輸沙能力等方面 ,是高含沙水流研究的主要內(nèi)容 ,代表性成果是《高含沙水流運動》專著 (1989) 。該書是由錢寧總結(jié)國內(nèi)各家單位的研究成果撰寫而成的 ,總結(jié)了高含沙水流的運動規(guī)律 ,提出了理論框架。此外 , 受國際水利研究 會 ( IAHR) 的邀請 , 萬兆惠和王兆印 (1994) 完成了英文專著《 Hyperconcentrated Flow》 ,是高含沙水流運動理論的發(fā)展和完善 ,由 IAHR 出版 ,把我國的研究成果介紹到國外。張紅武等 (1994) 完成的專著《黃河高含沙洪水模型的相似律》總結(jié)了河流高含沙水流的運動特性和輸沙特性 ,提出了高含沙洪水模擬實驗的相似律 ,成為高含沙洪水模型設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 、 河流模擬 河流模擬包括實體模型與數(shù)值模型兩大類。 實體模型試驗是研究河流在自然情況下及修建水工建筑物后預(yù)測水沙運動和河床演變的重 要手段之一。特別對一些三維性較強的問題 ,理論計算困難甚大 ,通過模型試驗的方法進行觀測更為有效。我國自 20世紀 50年代從蘇聯(lián)引入方程分河流動力學課程論文 第 15 頁 析法和愛因斯坦模型相似律 ,先后針對我國模型試驗發(fā)展要求開展了大量的泥沙實體模型模擬理論與技術(shù)研究。早在 20世紀 50年代李保如等人就開展了挾沙水流模型律的研究。其后 ,屈孟浩提出了黃河動床泥沙模型相似律。李昌華、張瑞瑾等都提出了具有各自特點的動床泥沙實體模型相似律。竇國仁 (1977年 ) 提出全沙模型相似律并用于葛洲壩水利樞紐壩區(qū)泥沙模型設(shè)計。隨后 ,唐日長、潘慶 、王桂仙 (2020年 ) ,對該相似律作了一些修正 ,并用于三峽工程壩區(qū)泥沙模型設(shè)計。在按照幾何比尺縮小的模型上 ,為了滿足泥沙運動相似 ,常常采用輕質(zhì)模型沙 (陳稚聰 ,1996) ,因此模型沙的選擇對模型設(shè)計比較重要。由于黃河泥沙運動的基本規(guī)律與一般河流相比有其特殊性 ,張紅武 (1994) 提出了黃河高含沙洪水模型的相似律 ,在懸移質(zhì)運動相似條件、含沙量比尺確定和模型沙選擇等關(guān)鍵技術(shù)問題上取得了進展。對異重流及河型變化河段模擬理論與方法也進行了研究 (張俊華 ,2020 ,姚文藝 ,2020) 。另外 ,將動床河工模型和泥沙數(shù)學模型聯(lián)合起來運用的合 交模型 ,也是值得研究發(fā)展的一種新趨勢 (談廣鳴 ,2020) 。幾十年來 ,為了利用和發(fā)展河工模型試驗的這一優(yōu)勢 ,長江的葛洲壩與三峽水利工程、黃河的三門峽工程與小浪底水利工程以及其它大江大河的河道整治工程中做了大量的動床河工模型試驗 ,形成了較為完善的河工模型試驗方法。 河流數(shù)學模型的發(fā)展始于 20世紀 60年代 ,70年代以后逐步成熟。在 1989年第四次河流泥沙國際學術(shù)研討會上 ,當時的國際水力學會主席 Kennedy在書面發(fā)言中指出泥沙研究的 10個重要進展之一就是河流數(shù)學模型 ,是 70年代以后唯一重要進展。國內(nèi)長江科學研究 院 (韓其為、黃煜齡 ) (1974) 、韓其為 (1979)早在 70年代已開發(fā)出一維河流泥沙數(shù)學模型 ,在 80年代末李義天 (1988) 、周建軍 (1993) 等建立起二維泥沙數(shù)學模型。 90年代以來 ,二維、三維泥沙數(shù)學模型得到了大量的發(fā)展與工程應(yīng)用。目前 ,一、二維泥沙數(shù)學模型已比較成熟 ,三維模型也能應(yīng)用來解決一些具體問題 ( Fang and Wang ,2020 。Wuand Rodi ,2020 。陸永軍 ) 。特別是近些年來 ,數(shù)學模型在理論研究和生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了越來越重要的作用。 泥沙數(shù)學模型的研究內(nèi)容包括了水沙 運動基本規(guī)律、數(shù)值計算方法、以及模型驗證與應(yīng)用等多個方面。泥沙運動的基本規(guī)律是泥沙數(shù)學模型的理論基礎(chǔ)。圍繞數(shù)學模型的開發(fā) ,數(shù)學模型還作為一種工具用于對泥沙運動基本理論問題的深入研究。例如 ,沖積河流阻力計算是數(shù)學模型研制的關(guān)鍵問題之一 ,王士強 (1996) 河流動力學課程論文 第 16 頁 對這一問題進行了多年研究 ,結(jié)合黃河的特點提出了沖積河流阻力的計算方法 ,該方法能把低能態(tài)區(qū)、過渡區(qū)及高能態(tài)區(qū)的阻力公式統(tǒng)一起來。數(shù)值計算方法包括離散格式、數(shù)值邊界條件及網(wǎng)格剖分等方面。目前數(shù)學模型不僅在數(shù)值格式上朝著精度高、穩(wěn)定性和守恒性好、收斂速度快的方向發(fā) 展 。在功能上還逐漸將產(chǎn)流產(chǎn)沙的坡面流模型、河口海岸的泥沙輸移模型與傳統(tǒng)的河道沖淤、河寬調(diào)整模型一體化 。在適用性方面 ,發(fā)展了基于完整的 (而不是簡化的 ) 控制方程的全耦合數(shù)學模型 ,以適用于輸沙率高、河床變形很快的強沖積河流過程 (Cao ,2020 ,2020) 。在模擬技術(shù)上 ,將精細的三維模型與快速的一、二維模型結(jié)合起來 ,形成所謂的耦合、嵌套模型來處理復(fù)雜的模擬區(qū)域 ,最近 ,基于數(shù)字平臺的 GIS技術(shù)也逐漸與數(shù)學模型相結(jié)合 ,實現(xiàn)計算結(jié)果的高度可視化。另外 ,目前人們還著力開展了基于GIS的分布式侵蝕與產(chǎn)沙預(yù)測及評價模 型的研究。 相對于實體模型試驗 ,數(shù)學模型的最大優(yōu)點在于可以模擬大范圍的問題 ,這是今后系統(tǒng)研究和解決工程問題重要的途徑和手段。近年黃河水利委員會提出了“ 模型黃河 ” 的概念 ,并開展了 “ 模型黃河 ” 工程規(guī)劃與建設(shè) ,這必將會大大促進實體模擬理論與技術(shù)的發(fā)展。 、 水庫泥沙 中國水庫泥沙淤積嚴重 ,全國水庫因淤積總庫容損失達 40 %。因此在多沙河流上修建大型水利樞紐工程