20xx-20xx年河流泥沙研究进展

20xx-20xx年河流泥沙研究进展内容摘要：

状态 ,而是与水流、泥沙运动的历史有关 ,其非恒定过程突出。 窦国仁 (1963) 应用湍流脉动的观点研究平衡输沙时的近底泥沙通量。 最近研究证明泥沙的间歇性起动与湍流猝发的喷发事件紧密相关 (Nino , Y. et al . 1996) ,曹志先 (Cao Z. 1997) 根据湍流猝发的平均时间、空间尺度 ,构造了具有较好力学基础的泥沙上扬通量与湍流猝发之间的定量关系 ,可适用于描述非恒定显著的河口泥沙起动过程。 河口泥沙沉降与盐度及湍流变化 的动力学过程密切相关 ,钱宁 ,万兆惠 (1986) 给出了絮团平均沉速随水体盐度和含沙量的变化曲线。 赵龙保 (1992) 的实验研究表明静止盐水沉速 流动盐水沉速 静止淡水沉速 流动淡水沉速。 河口混合和最大浑浊带是河口泥沙输运研究的一个关键科学问题。 周济福等 (1999 ,2020) 研究了河口盐度的垂直和水平分布随径流和潮流相对强弱变化的规律。 黄胜等 (1993) 研究认为最大浑浊带是河口形成拦门沙的重要原因之一。 、 高含沙水流的运动机理与理论 高含沙水流是指含沙量高达 200～ 300kgPm3 以上的挟 沙水流。 我国黄河干支流经常发生 ,最高含沙量达 1 600kgPm3。 由于含沙量高 ,水流的运动呈现出与低含沙水流明显不同的特性。 我国早在 60年代就对高含沙水流开始系统研究 ,国内几家重要的科研单位 :黄河水利委员会、中国水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武汉水利电力学院、清华大学等 ,相继开展野外观测、试验研究及理论分析 ,从上述几个方面对高含沙河流动力学课程论文 第 12 页 水流运动规律进行深入研究 ,取得了丰富的成果 ,并逐步建立起高含沙水流运动的理论体系。 最近 ,王光谦 (Wang ,2020) 总结了高含沙水流研究的进展。 在第一次河流泥沙国际 学术讨论会 (1980) 上集中反映出我国关于高含沙水流的早期研究成果 ,例如钱意颖等关于高含沙水流的基本特性 ,张浩等关于高含沙水流沉降规律和阻力特性 ,杨廷瑞、万兆惠等关于高含沙浑水利用问题的研究 ,曹如轩等关于水库高含沙水流冲淤计算问题 ,康志成、章书成关于泥石流流体特性的初步分析。 在这次国际会议上还没看到国外学者关于高含沙水流的研究成果。 国外高含沙水流的系统研究始于 20世纪 80年代 ,1980年美国圣海伦火山爆发 ,大量的火山灰形成高含沙水流淤高下游河道十几米 ,引起美国有关专家的关注。 国外目前关于高含沙水流的研究遵 循与借鉴了我国的方法和理论。 我国关于高含沙水流研究主要特色在于 :在机理研究方面 ,通过大量室内实验和野外观测 ,认清了一般挟沙水流、高含沙水流及泥石流的不同物理图景及内在联系 ,揭示出高含沙水流可能出现的伪一相流、两相流及层移质三种运动模式 ,在高含沙水流的形成机理、不同运动模式、流动不稳定性、减阻效应、湍流特性等方面取得了创新成果。 在深刻认识运动机理的基础上 ,结合河流动力学、流变学及固液两相流动力学的基本原理 ,将高含沙水流的形成和汇流过程、物理和湍流特性、运动模式和机理等进行系统总结 ,建立了高含沙水流运动的理论。 把河流动力学研究拓展到高含沙水流范畴 ,形成了高含沙水流动力学新领域 ,代表中国倡导的高含沙水流研究的原创成果 ,并广泛应用于多沙河流的治理及其相关的工程问题。 关于高含沙水流研究的主要方面包括 : (1) 高含沙水流产汇流特性的研究。 王兴奎 (1982) 在 80年代研究了黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程 ,分析在黄土丘陵沟壑区雨滴击溅、水流冲刷及重力侵蚀对产生高含沙水流的重要作用 ,在各级沟道汇流过程中高含沙水流的一些主要特性 ,得出高含沙水流产沙的极限浓度。 许炯心 (Xu ,2020 ,1998。 许炯心 ,2020 ,1998) 对黄土高原区高含沙水流的形成特性持续开展研究 ,取得了较为系统的研究成果。 (2) 高含沙水流流变特性的研究。 以爱因斯坦 (1905) 提出的挟沙水流粘滞系数公式为基础 ,考虑到高含沙水流内部絮团和絮网结构的形成与发展 ,结合黄河高河流动力学课程论文 第 13 页 含沙水流的特点 ,国内专家相继提出了高含沙水流流变参数的经验计算公式 (褚君达 ,1980。 费祥俊 1982。 陈立 ,1992) ,也有专家建立了半经验半理论公式 (詹义正 )。 经大量试验资料验证 ,费祥俊建立的高浓度浆体粘滞系数与宾汉屈服应力计算公式具有较高的精度。 以高浓度浆 体的粘性计算公式为基础 ,费祥俊修正公式可用于泥石流浆体的粘性计算。 对紊流条件下的宾汉极限应力的试验研究 ,则揭示了宾汉极限应力随紊动强度的变化规律 (杨美卿 ,王虹 ,陈立 ,1993)。 夏震寰 (1982) 在80年代初从胶体化学关于悬浮体的稳定理论出发 ,分析了粘性颗粒泥沙的絮凝现象与机理。 (3) 高含沙水流的流动特性研究。 含有细颗粒泥沙的高含沙水流 ,其流态具有与一般挟沙水流和清水水流不同的特点 ,张瑞瑾将其划分为紊流和复杂结构流 ,其中复杂结构流内存在流核 ,流核范围内流速分布梯度为 0 ,流速均匀分布。 王明甫于 1985年建立了复杂结构流流速分布公式 ,公式可以反映有流核和无流核两种情形的流速分布。 高含沙水流中大量泥沙颗粒的存在 ,常规的测量仪器难以应用 ,国内开发研制的应变式紊动流速仪和压阻式紊动流速仪被用来测量水槽或者管道中高含沙水流的紊动特性 ,取得了紊动强度分布、紊动强度随泥沙条件变化的初步认识。 王兆印根据维持颗粒运动作用力的来源不同 ,将颗粒运动形式分为三大类 ,即借颗粒碰撞和接触产生的离散力 (碰撞力 ) 和接触力抵消颗粒有效重力而维持运动的推移质 ,依靠湍流扩散力而保持不沉积的悬移质 ,及由液相屈服应力和浮力所支持的中性悬浮 质。 试验研究发现粗沙颗粒悬移质含沙水流的流速分布在主流区遵从对数规律 ,卡门常数则为利查逊数及浓度的函数。 由于悬沙对紊动结构的影响 ,特别是悬沙不均匀分布产生的密度梯度减弱了紊动 ,卡门常数较清水湍流小。 在底床附近 ,流速分布受到升力效应的影响 ,流速梯度减小。 高含沙水流的悬沙浓度分布与低含沙水流不同 ,但都服从扩散规律。 从扩散理论求出了管道两相流湍流浓度分布的方程 ,推导出与一般挟沙水流同样形式的浓度分布公式 ,只不过要对悬浮参数进行修正。 层移质运动是钱宁提出的推移质运动的一种形式 ,在高强度水流条件下可以出现 ,试验室内 研究证明了存在这种运动形式 (钱宁 ,1983)。 80年代王兆印和王立新 (1986) 开展层移质运动机理研究 ,取得理论与试验方面的成果。 河流动力学课程论文 第 14 页 (4) 高含沙水流挟沙力研究。 张红武 (1993) 通过对二维水流单位水体的能量平衡方程式沿垂线积分 ,经分析整理得出包括全部悬移质泥沙在内的高含沙水流挟沙力公式。 该公式以及之前的曹如轩公式 ,之后的舒安平公式、陈立公式、刘兴年公式等都反映出高含沙水流挟沙力与水流携带泥沙数量和组成之间的正比关系。 张红武公式得到了黄河、长江、渭河、辽河及 Muddy River 等国内外河流千余组资 料的验证 ,表明对于一般挟沙水流和高含沙湍流都可适用。 如已应用于2020 年黄河首次调水调沙试验的数学模型计算。 用于 “ 九五 ” 国家重点科技攻关项目 “ 黄河下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究 ” 的数学模型设计及验证。 惠遇甲等人 (2020) 比较后认为张红武公式的精度较高。 (5) 高含沙水流河床演变规律研究。 王明甫 (2020) 、万兆惠 (1991) 等研究发现 ,在一定水沙组成和河床断面形态条件下 ,高含沙水流可以保持很高的挟沙能力 ,进行远距离输送而不淤积。 淤滩刷槽 ,大冲大淤。 高含沙洪水过程中往往出现水位异常高 的现象。 黄河高含沙水流的输移规律及造床作用呈现了 “ 多来多排多淤 ”的特点。 对于高含沙水流河床演变中的特殊现象 ,如 “ 揭河底 ” 、 “ 不稳定流 ”以及 “ 浆河 ” 等剧烈变化 ,也结合实际观察 ,通过室内试验进行了分析。 (6) 高含沙水流研究的系统成果。 高含沙水流运动特性包括了高含沙水流的类型、粘性、流速分布、阻力特性、输沙能力等方面 ,是高含沙水流研究的主要内容 ,代表性成果是《高含沙水流运动》专著 (1989)。 该书是由钱宁总结国内各家单位的研究成果撰写而成的 ,总结了高含沙水流的运动规律 ,提出了理论框架。 此外 , 受国际水利研究 会 ( IAHR) 的邀请 , 万兆惠和王兆印 (1994) 完成了英文专著《 Hyperconcentrated Flow》 ,是高含沙水流运动理论的发展和完善 ,由 IAHR 出版 ,把我国的研究成果介绍到国外。 张红武等 (1994) 完成的专著《黄河高含沙洪水模型的相似律》总结了河流高含沙水流的运动特性和输沙特性 ,提出了高含沙洪水模拟实验的相似律 ,成为高含沙洪水模型设计的理论基础。 、 河流模拟 河流模拟包括实体模型与数值模型两大类。 实体模型试验是研究河流在自然情况下及修建水工建筑物后预测水沙运动和河床演变的重 要手段之一。 特别对一些三维性较强的问题 ,理论计算困难甚大 ,通过模型试验的方法进行观测更为有效。 我国自 20世纪 50年代从苏联引入方程分河流动力学课程论文 第 15 页 析法和爱因斯坦模型相似律 ,先后针对我国模型试验发展要求开展了大量的泥沙实体模型模拟理论与技术研究。 早在 20世纪 50年代李保如等人就开展了挟沙水流模型律的研究。 其后 ,屈孟浩提出了黄河动床泥沙模型相似律。 李昌华、张瑞瑾等都提出了具有各自特点的动床泥沙实体模型相似律。 窦国仁 (1977年 ) 提出全沙模型相似律并用于葛洲坝水利枢纽坝区泥沙模型设计。 随后 ,唐日长、潘庆 、王桂仙 (2020年 ) ,对该相似律作了一些修正 ,并用于三峡工程坝区泥沙模型设计。 在按照几何比尺缩小的模型上 ,为了满足泥沙运动相似 ,常常采用轻质模型沙 (陈稚聪 ,1996) ,因此模型沙的选择对模型设计比较重要。 由于黄河泥沙运动的基本规律与一般河流相比有其特殊性 ,张红武 (1994) 提出了黄河高含沙洪水模型的相似律 ,在悬移质运动相似条件、含沙量比尺确定和模型沙选择等关键技术问题上取得了进展。 对异重流及河型变化河段模拟理论与方法也进行了研究 (张俊华 ,2020 ,姚文艺 ,2020)。 另外 ,将动床河工模型和泥沙数学模型联合起来运用的合 交模型 ,也是值得研究发展的一种新趋势 (谈广鸣 ,2020)。 几十年来 ,为了利用和发展河工模型试验的这一优势 ,长江的葛洲坝与三峡水利工程、黄河的三门峡工程与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动床河工模型试验 ,形成了较为完善的河工模型试验方法。 河流数学模型的发展始于 20世纪 60年代 ,70年代以后逐步成熟。 在 1989年第四次河流泥沙国际学术研讨会上 ,当时的国际水力学会主席 Kennedy在书面发言中指出泥沙研究的 10个重要进展之一就是河流数学模型 ,是 70年代以后唯一重要进展。 国内长江科学研究 院 (韩其为、黄煜龄 ) (1974) 、韩其为 (1979)早在 70年代已开发出一维河流泥沙数学模型 ,在 80年代末李义天 (1988) 、周建军 (1993) 等建立起二维泥沙数学模型。 90年代以来 ,二维、三维泥沙数学模型得到了大量的发展与工程应用。 目前 ,一、二维泥沙数学模型已比较成熟 ,三维模型也能应用来解决一些具体问题 ( Fang and Wang ,2020。 Wuand Rodi ,2020。 陆永军 )。 特别是近些年来 ,数学模型在理论研究和生产实践中发挥了越来越重要的作用。 泥沙数学模型的研究内容包括了水沙 运动基本规律、数值计算方法、以及模型验证与应用等多个方面。 泥沙运动的基本规律是泥沙数学模型的理论基础。 围绕数学模型的开发 ,数学模型还作为一种工具用于对泥沙运动基本理论问题的深入研究。 例如 ,冲积河流阻力计算是数学模型研制的关键问题之一 ,王士强 (1996) 河流动力学课程论文 第 16 页 对这一问题进行了多年研究 ,结合黄河的特点提出了冲积河流阻力的计算方法 ,该方法能把低能态区、过渡区及高能态区的阻力公式统一起来。 数值计算方法包括离散格式、数值边界条件及网格剖分等方面。 目前数学模型不仅在数值格式上朝着精度高、稳定性和守恒性好、收敛速度快的方向发 展。 在功能上还逐渐将产流产沙的坡面流模型、河口海岸的泥沙输移模型与传统的河道冲淤、河宽调整模型一体化。 在适用性方面 ,发展了基于完整的 (而不是简化的 ) 控制方程的全耦合数学模型 ,以适用于输沙率高、河床变形很快的强冲积河流过程 (Cao ,2020 ,2020)。 在模拟技术上 ,将精细的三维模型与快速的一、二维模型结合起来 ,形成所谓的耦合、嵌套模型来处理复杂的模拟区域 ,最近 ,基于数字平台的 GIS技术也逐渐与数学模型相结合 ,实现计算结果的高度可视化。 另外 ,目前人们还着力开展了基于GIS的分布式侵蚀与产沙预测及评价模 型的研究。 相对于实体模型试验 ,数学模型的最大优点在于可以模拟大范围的问题 ,这是今后系统研究和解决工程问题重要的途径和手段。 近年黄河水利委员会提出了“ 模型黄河 ” 的概念 ,并开展了 “ 模型黄河 ” 工程规划与建设 ,这必将会大大促进实体模拟理论与技术的发展。 、 水库泥沙 中国水库泥沙淤积严重 ,全国水库因淤积总库容损失达 40 %。 因此在多沙河流上修建大型水利枢纽工程。