河流动力学对推移质的认识及国内外的研究现状

对推移质的认识及国内外的研究现状1对推移质的认识1.1推移质的概念及运动特性1）推移质：是在水流作用下在河床表面附近以滑动、滚动或跳跃方式运动的泥沙颗粒。推移质又称床沙载荷、底载荷、推移载荷、牵引载荷，是指在水流中沿河底滚动、移动、跳跃或以层移方式运动的泥沙颗粒，在运动过程中与床面泥沙（简称床沙）之间经常进行交换。2）泥沙颗粒的运动方式与水流强弱、颗粒大小和形状及其在床面所处的相对位置有关。对于相同组成的床沙，如流速较小，泥沙颗粒基本上作推移质运动。流速加大后，一部分泥沙颗粒跃离床面进入主流区，悬浮在水中，随水流运动，成为悬移质；一部分泥沙颗粒仍在床面附近作推移运动,但推移层厚度增大。推移质在运动过程中与床面泥沙（简称床沙）之间经常进行交换。当存在悬移质时，推移质与悬移质之间也经常发生交换。受水流作用的影响，当床面推移质运动达到一定程度时，河床表面便呈现出波状起伏的动态特征。这种运动的波状表面形态，称之为沙波。沙波运动是推移质集体输移的表现形式.沙波是在水流作用下形成的,与水流强度息息相关.室内试验表明:随着水流强度的不断增大,沙波尺度的变化过程大体是由静平床床面沙粒聚集所形成的波高较小的沙纹,到波长、波高逐步增大的沙垄;在沙垄达到最大最高后,随着水流强度的进一步增大,沙垄逐渐趋于衰亡,并形成所谓的动平床.在这一过程中,波高随水流强度的变化呈先增后减的基本规律1.2推移质输沙率1)推移质输沙率（kg/s）：单位时间内通过河流任意断面的推移质质量。目前确定推移质输沙率的方法有两种：一种是水文测验法，用推移质采样器在河流现场采样实测，由此得到实测推移质输沙率；二是根据推移质运动规律，建立包括水流因子和泥沙因子在内的推移质输沙率计算公式，用实验或实测资料反推公式中的待定系数和指数。2）比较常见的均质沙单宽推移质输沙率公式有列维公式：g=2d(U-UC)(U/(gd)1/2)3(d/h)1/4公式的适用范围：d=0.25mm~23mm,h/d=5~500,U/UC=1~3.5沙莫夫公式：g=o.95d1/2(U-Uh)(d/h)1/4(U/Uh)3公式适用范围：d0.2mm.1.3推移质输沙的研究方法近期的推移质研究是在早期理论和研究方法基础上展开的，主要有“原型观测与分析”和“理论与试验研究”两大类。1.4推移质输沙研究的意义出海航道多经过河口附近海区，而河口附近水沙运动复杂，不仅与上游来水来沙条件有关，还受时刻变化的海域来水来沙影响。海区泥沙活动性较强，推移质输沙率大致呈近岸大离岸小的分布规律,其所产生的航道年淤强亦呈近岸大离岸小的分布规律，可见推移质输沙对航道淤积的影响不容小觑，若同时再考虑悬移质的泥沙,则对航道淤积的影响将更不可忽视，如果只考虑疏浚则航道水深很难维护,在这种条件下修建导流防沙堤是很有必要的。因此对推移质输移运动规律的认识，有助于更深入地理解某些特殊河流地貌形成机理及河流演变过程，也有助于河流工程及航道工程的合理设置。2推移质的研究领域2.1振荡流作用下的推移质输沙规律的研究1）研究振荡流(波浪)边界层内流场的分布情况。由于近岸波浪作用下边界层多数属于紊流边界层,因此解决紊流边界层问题尤为重要。通过对流体运动方程的分析化简得出波浪边界层内的雷诺方程。紊流边界层要比层流边界层复杂的多,主要是由于紊动粘滞系数难以确定,通过采取一种新的假定对紊动粘滞系数进行计算,得出一个较合理的紊流边界层内流场的分布情况。2)研究振荡流(波浪)作用下近岸海底的推移质输沙情况。鉴于波浪瞬时作用下泥沙颗粒起动前的受力与单向流具有相似性,将单向流下的受力模型推广到波浪情况下进行分析。本文除考虑拖曳力、上举力和水下重力外,还考虑了由于颗粒之间的相互影响即离散力的影响,并应用波浪作用下紊流边界层内的流速推导出了接触型推移质群体泥沙运动方程。根据波浪作用下的推移质群体泥沙运动方程可以看出推移质运动具有明显的非线性特性,对非线性动力学特性进行分析得到了考虑离散力时泥沙起动的希尔兹(Shields)曲线及一般形式的推移质输沙公式。2.2浑水推移质分组输沙研究天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行，浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式，考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换，引入扬动概率，建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式，进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。1）考虑到浑水中悬移质的存在对推移质输沙率有重要影响，基于近底泥沙三状态交换模式，导出了浑水中推移质分级输沙率公式及相应的总输沙率和推移质级配的计算式；2）分级输沙率公式计算结果与水槽试验及天然河流实测值均较为吻合，从而表明了公式理论基础的可靠性与参数选取的合理性，可用以有效预报非均匀推移质分级输沙率；3）发现浑水条件下推移质级配粗于原始床沙级配，与清水条件下推移质级配总是细于原始床沙级配有所不同。对于估算浑水条件下推移质输沙率问题，有必要考虑悬移质的影响。2.3弯曲河段推移质运动方式研究有关实验选择典型地点下荆江，下荆江是一个典型的弯曲河段，实验采用典型河段的实测地形资料，对长河段做了一个模型。模型中有四个弯道分段，其中，一弯道的半径大，与顺直河比较相近，但其滩槽却有层次分明的分布，凹凸岸的发育良好。将第一个弯道作为实验区。第二个弯是一个接近90度的急弯，在凸岸的下段和凹岸的上段容易发生堆积。一弯道和二弯道都是呈顺时针趋势，主流的路线明显。而三弯道有着180度的U型弯道，四弯道也接近90度。此弯道与三弯道一样，都有着撇弯现象。后三个弯道的撇弯现象说明在不同的水期，弯道水流变化剧烈。四个弯道的形态各异，滩槽的分布特点不同，表现出了不同的形态河床的推移质运动，与天然情况接近。通过对弯曲河段进行推移质试验，得出了以下结论：1）在天然弯曲的河段中，推移质是呈带状的模式进行运动，凹岸的来沙主要淤积在后弯的凸岸，凸岸的来沙主要淤积在本弯的凸岸后半部分。2）在不同类型的弯道中，推移质泥沙的运动轨迹不同，泥沙的运动路线决定其输移的方式。主要是以下三种方式：一是，前弯道接近于顺直河道，后弯道的弯曲率较大，过渡段通畅，凹岸和凸岸的来沙都是顺着主槽向后弯道进行推移，从后弯的进口处逐渐运行到凸岸的边滩。3）前弯道弯曲大，过渡段不贯通，受弯道环流作用的影响，前弯道的来沙被淤积到浅滩，在下游形成带状，推移到后弯道凹岸处，属于异岸输沙。3结语近年来推移质研究成果众多，无论是天然河流原型观测还是理论探求上都取得了一定程度的进展。但理论成果多具有半理论半经验的性质，在实际应用中，根据这些公式计算得出的输沙率数值往往相差甚远。还没有一个公认的能够广泛适用于水槽和天然河流的具有宽级配的推移质输沙公式。推移质研究还需要在以下方面加强研究：1）推移质观测仪器及方法有待改进。目前推移质观测还是局限于水槽试验及小河流上使用，在大江大河上观测结果的精准性并不理想。2）目前机理推理的研究角度大体上还是局限于能量、概率理论、水流强度指标、流量等方面，理论研究视角有待进一步拓宽，有些学者从河道平衡理论、河床结构强度、人工神经网络模型、尖点突变理论、动理学理论等新的角度展开研究，为推移质理论研究注入新鲜元素。3）探求通过其它方法确定河段推移质输沙量。在水文资料缺失严重，又不便于进行天然河流原型观测的河段，推移质输沙可尝试从泥沙运动、河床演变的基本原理出发，采用理论研究和附近河段实测资料分析相结合的手段进行研究。4）推移质输移规律的研究，可有效指导航道工程维护工作。对推移质输移规律的研究有助于促进泥沙学科的发展，阐明推移质输沙量对河床冲淤变形的影响，对研究河道演变特性及工程应用具有重要的意义。