泥沙輸移問題研究進(jìn)展與展望

張根廣，周 雙，王愉樂，劉 余

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

床沙質(zhì)、推移質(zhì)及懸移質(zhì)是并存于河道中的三種泥沙狀態(tài)，泥沙起動(dòng)、起懸是床沙進(jìn)入推移運(yùn)動(dòng)及懸浮運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，是探索推移質(zhì)和懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)。因此，泥沙起動(dòng)輸移問題一直是國(guó)內(nèi)外泥沙學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題，也是研究河床演變、水沙數(shù)值模擬、泥沙災(zāi)害防治等問題的重要基礎(chǔ)，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。

1 泥沙起動(dòng)特性

泥沙起動(dòng)問題是泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論中的最基礎(chǔ)問題，也是國(guó)內(nèi)外泥沙學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題和涉及泥沙工程中常常遇到的問題[1]。泥沙起動(dòng)概念最早提出于19世紀(jì)，系統(tǒng)的研究則始于20世紀(jì)初，并取得了豐碩研究成果[2-3]。但由于泥沙起動(dòng)問題極其復(fù)雜，所得結(jié)果并不令人滿意。例如，Kramer提出的泥沙起動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn)至今仍在沿用，致使泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)往往因人而異，誤差較大，原因在于，Kramer提出的標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)定性的、而非定量的標(biāo)準(zhǔn)。

床面上泥沙起動(dòng)具有必然性和隨機(jī)性兩方面：一方面，床面上泥沙顆粒位置及作用在顆粒上的水流流速是隨機(jī)的，這就造成水流強(qiáng)度在低于泥沙臨界起動(dòng)條件時(shí)，床面上仍有少量泥沙投入運(yùn)動(dòng)；而在水流強(qiáng)度高于泥沙臨界起動(dòng)條件時(shí)，仍有大量泥沙停留在床面。另一方面，泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)又具有必然性和確定性一面。例如，當(dāng)水流底速及泥沙顆粒在床面上所處位置已知時(shí)，泥沙起動(dòng)又表現(xiàn)出確定性一面。在以往研究泥沙起動(dòng)時(shí)，多采用確定性方法推求起動(dòng)條件，得到的是確定性的單值關(guān)系，如Van[4]、Wright等[5]、Elhakeem等[6]。隨著湍流理論的發(fā)展，學(xué)者們將湍流的隨機(jī)特性應(yīng)用于泥沙起動(dòng)研究中，形成了隨機(jī)性研究方法，如Papanicolaou等[7]。此觀點(diǎn)認(rèn)為，泥沙起動(dòng)具有隨機(jī)性，不存在確定的泥沙起動(dòng)判別條件，由此引入泥沙起動(dòng)概率問題。Einstein[8]認(rèn)為泥沙起動(dòng)概率P等于有利于出現(xiàn)沖刷外移的情況與所有可能出現(xiàn)情況之比，此定義包含了三種不同表述方式：(1) 作用在泥沙上的瞬時(shí)上舉力大于水下重力的時(shí)間占總時(shí)間的比值；(2) 在床面任意位置，泥沙被沖刷外移的時(shí)間占總時(shí)間的比值；(3) 在任意時(shí)刻，泥沙被沖刷外移的床面面積占總床面面積的比值。但由于對(duì)近底湍流結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不同及測(cè)定方法的差異，學(xué)者們對(duì)近底水流特征的認(rèn)識(shí)還存在較大差異，主要表現(xiàn)為：(1) 水流瞬時(shí)上舉力服從高斯分布，如Einstein[8]、孟震等[9]；(2) 水流瞬時(shí)作用流速服從高斯分布，如韓其為[10]、Dou[11]、白玉川等[12]；(3) 水流瞬時(shí)作用流速服從對(duì)數(shù)高斯分布，如Wu等[13]、Dey等[14]；(4) 床面切應(yīng)力服從對(duì)數(shù)高斯分布，如Hofland等[15]、Elhakeem等[16]，所以造成研究結(jié)果存在較大差異。此外，由于泥沙起動(dòng)形式(滑動(dòng)起動(dòng)、滾動(dòng)起動(dòng)及跳躍起動(dòng))也是隨機(jī)的，因此，在泥沙起動(dòng)研究中，由于認(rèn)識(shí)上的差異，部分學(xué)者采用了滑動(dòng)起動(dòng)模式(瞬時(shí)拖曳力大于摩擦阻力)作為泥沙起動(dòng)判別條件，如LI等[17]；部分學(xué)者采用滾動(dòng)起動(dòng)模式(動(dòng)力矩大于阻力矩)作為泥沙起動(dòng)的判別條件，如Wu[13]、張根廣等[18]；部分學(xué)者采用跳躍起動(dòng)模式(瞬時(shí)上舉力大于水下重力)作為判別條件，如Einstein[8]、Cheng等[19]、Dey等[14]。但由于泥沙運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，在實(shí)際觀察中，通常很難準(zhǔn)確地將三種起動(dòng)模式區(qū)分開來，一些學(xué)者只好采用概化理論公式推導(dǎo)三種模式的臨界水流強(qiáng)度，如Dey等[14]。

床面泥沙三維分布特性極其復(fù)雜，影響因素眾多，概括起來可表述為：表層泥沙密實(shí)性、泥沙非均勻性、絕對(duì)暴露度及相對(duì)暴露度等參數(shù)。早在1950年，Einstein[8]就發(fā)現(xiàn)了采用均勻沙代替非均勻沙引起的推移質(zhì)輸沙率的誤差，并通過引入相對(duì)暴露度系數(shù)試圖修正非均勻沙所引起的上舉力偏差。之后，Paintal[20]通過分析理論計(jì)算床面和平均床面高程，首次定義了暴露度新概念。韓其為[21]在對(duì)泥沙起動(dòng)流速研究中，基于床面泥沙顆粒相對(duì)位置，提出了概念清晰且便于應(yīng)用的絕對(duì)暴露度和相對(duì)暴露度概念。劉興年等[22]通過對(duì)非均勻沙的暴露高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，給出了暴露高度與粒徑間的關(guān)系。近些年，學(xué)者們分別從理論分析及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)兩個(gè)方面，對(duì)床面泥沙顆粒位置進(jìn)行了深入研究，何文社等[23]提出了暴露度定義的新方法，并給出了對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，得到了基于等效粒徑的非均勻沙暴露度系數(shù)取值范圍。楊奉廣等[24]采用Cheng等[25]的床面顆粒間相對(duì)步長(zhǎng)概率密度分布的研究成果，結(jié)合床面泥沙暴露度與步長(zhǎng)之間的幾何關(guān)系，得到了河床泥沙顆粒相對(duì)暴露度的概率密度分布函數(shù)；孟震等[26-27]對(duì)二維、三維泥沙顆粒相對(duì)隱蔽度進(jìn)行了初步分析，并對(duì)其物理意義進(jìn)行了討論；白玉川等[28]提出了雙向暴露度的新概念，重點(diǎn)研究了垂向暴露度和縱向暴露度對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響；周雙等[29]、邢茹等[30]通過自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量分析了隨機(jī)堆放條件下均勻玻璃球及河卵石縱向水平間距、暴露角、絕對(duì)暴露度及相對(duì)暴露度，得到了玻璃球及河卵石相對(duì)暴露度的概率密度均服從偏正態(tài)分布。需要指出的是，以上研究雖然一定程度上揭示了泥沙位置的分布特性，但大部分學(xué)者多考慮的是均勻沙，這與實(shí)際河流中泥沙為非均勻沙、且長(zhǎng)期受水流作用的影響還有一定出入。

總的說來，對(duì)于泥沙起動(dòng)的研究，還未脫離確定性方法的老路。在將來的研究中，還應(yīng)多考慮采用統(tǒng)計(jì)分析方法來描述泥沙起動(dòng)狀態(tài)，既要考慮水流的隨機(jī)性，也要考慮床面泥沙非均勻性、隨機(jī)分布、泥沙顆粒形狀的不規(guī)則性及顆粒大小之間的隱暴效應(yīng)等因素。

2 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

早在19世紀(jì)末期，法國(guó)Duboys基于水流剪應(yīng)力，開創(chuàng)性地提出了推移質(zhì)泥沙輸移理論，之后眾多學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了深入研究[31-37]。從研究方法上來說，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的研究方法可劃分為實(shí)驗(yàn)研究方法與理論研究方法。實(shí)驗(yàn)研究方法以Gilbert[31]及Meyer-Peter等[32]為代表，理論研究方法的途徑則較多，且各有千秋。Gilbert在1909年—1914年，采用了9種沙樣進(jìn)行了892組試驗(yàn)，開創(chuàng)了水槽試驗(yàn)的先河，標(biāo)志著現(xiàn)代泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)的興起，其研究成果至今仍在被引用；他們?cè)诠铝我蛩胤治龌A(chǔ)上，通過系統(tǒng)的推移質(zhì)輸沙率與單因素、多因素的試驗(yàn)，逐步建立和完善了以水流切應(yīng)力為水流強(qiáng)度指標(biāo)的推移質(zhì)輸沙率公式。在理論研究方面，有基于流速為主要參變量建立的推移質(zhì)輸沙率公式，如沙莫夫公式、岡恰洛夫公式，列維公式等；有基于拖曳力為主要參數(shù)建立的推移質(zhì)輸沙率公式，如耶格阿扎羅夫公式，恩格隆公式，阿克斯-懷特公式等；有基于能量平衡觀點(diǎn)建立的推移質(zhì)輸沙率公式，如拜格諾公式，楊志達(dá)公式等；有基于統(tǒng)計(jì)方法建立的推移質(zhì)輸沙率公式，如愛因斯坦公式，韓其為公式等；有基于沙波運(yùn)動(dòng)建立的推移質(zhì)輸沙率公式，如shionhara公式等[33]；近幾年來，張根廣課題組[17-18,29-30,34-39]將水流隨機(jī)性及泥沙相對(duì)位置隨機(jī)性同時(shí)引入泥沙起動(dòng)輸移中，從理論上推導(dǎo)出全概率泥沙起動(dòng)及輸沙率公式。隨著非線性科學(xué)的發(fā)展，一些研究者試圖從非線性角度對(duì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行研究，例如，白玉川等[40]通過分析推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程的非線性動(dòng)力學(xué)特性，證明了床面形態(tài)的演化決定于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程的突變特性；楊具瑞等[41]基于尖點(diǎn)突變理論，得到了推移質(zhì)輸沙率公式；在推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的分形和自組織規(guī)律研究方面，姚令侃等[42]基于非均勻沙水槽實(shí)驗(yàn)，建立了推移質(zhì)輸沙率與床面泥沙顆粒間的雙曲關(guān)系，但這種分布的動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚需要進(jìn)一步研究；汪富泉[43]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證，論述了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的自組織臨界性和分形列維穩(wěn)定分布的物理機(jī)制。綜上分析，上述研究成果大多數(shù)均建立在均勻沙的基礎(chǔ)上，即使部分成果是基于非均勻沙研究，但由于分析中均采用的是泥沙中值粒徑或平均粒徑，因此不算真正意義上的非均勻沙輸沙率研究，而完全基于非均勻沙考慮的推移質(zhì)輸沙率計(jì)算方法有四類[44]：直接分組計(jì)算法、修正剪切力法、床沙分組計(jì)算法、輸沙率級(jí)配法。直接分組計(jì)算法采用床面泥沙分組計(jì)算輸沙率方法，得到不同粒徑組的泥沙輸移率，最終累計(jì)求和得到總輸沙率，如劉興年等[45]、孫志林等[46]、陳有華等[47]、Cao等[48]。修正剪切力法是通過引入剪切應(yīng)力修正系數(shù)，得到床面不同粒徑組的床面剪切力，將修正后的床面剪切應(yīng)力引入到均勻推移質(zhì)輸沙率中，得到不同粒徑組的推移質(zhì)輸沙率，如Parker等[49]、Wilcock等[50]、Rickenmann等[51]、孫東坡等[52]。床沙分組計(jì)算法，首先要確定床面總的可能輸沙率，其次要確定床面泥沙級(jí)配，而后將床面總的輸沙率與不同粒徑組在床沙中的權(quán)重乘積作為床面分組輸沙率。該方法的計(jì)算精度受粒徑分組數(shù)目的影響較大，現(xiàn)有的計(jì)算公式精度均還有待提高。輸沙率級(jí)配法類似于床沙分組計(jì)算法，首先要確定床面總的可能輸沙率，其次是確定推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙級(jí)配，而后將床面總的可能輸沙率根據(jù)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙級(jí)配進(jìn)行分配，從而確定各粒徑組的輸沙率。該方法有效的避免了床沙分組計(jì)算法中分組數(shù)目對(duì)總輸沙率計(jì)算結(jié)果的影響，提高了公式的預(yù)測(cè)精度，如竇國(guó)仁等[53]、Hsu等[54]、Tayfur等[55]、Bombar等[56]。

綜上可見，無論是均勻沙還是非均勻沙，目前的研究成果多以單顆粒泥沙及單一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為研究對(duì)象。而在實(shí)際河流中，隨著水流強(qiáng)度的增強(qiáng)，床面泥沙并不是以單顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)和單一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，而是以多種運(yùn)動(dòng)形式(滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍等)和群體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸移?；萦黾椎萚57]、Hu等[58]采用高速攝像技術(shù)對(duì)床面附近顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)研究，初步得到泥沙滑動(dòng)、滾動(dòng)、躍移以及懸移等各種運(yùn)動(dòng)形式所占的比例，開創(chuàng)了研究群體泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及多泥沙運(yùn)動(dòng)形式的先河；Gao[59]研究了泥沙滾動(dòng)和跳躍之間的轉(zhuǎn)化、單層和多層運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

在泥沙運(yùn)動(dòng)特性研究中，早期主要以泥沙受力結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建顯式力學(xué)平衡方程，求解得到推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度與水流強(qiáng)度之間的關(guān)系。隨著近代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使得求解復(fù)雜的微分方程成為可能，因此，基于經(jīng)典力學(xué)，結(jié)合近代流體力學(xué)、概率論、隨機(jī)過程等學(xué)科，構(gòu)建基于單顆粒受力模型、考慮顆粒位置隨機(jī)性或受力隨機(jī)性的微分方程，通過數(shù)值求解泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)速度取得一定進(jìn)展，如Lee等[60]、白玉川等[61]、徐海玨等[62]、范念念[63]。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，學(xué)者一方面結(jié)合最新的理論進(jìn)展，嘗試采用多影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；另一方面不斷提高測(cè)試手段，例如高速攝影技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、粒子示蹤等?；萦黾譡53]利用光學(xué)補(bǔ)償照相機(jī)，刻畫了單個(gè)泥沙顆粒的躍移軌跡，對(duì)顆粒的速度、加速度、旋轉(zhuǎn)、受力等問題開展了研究；唐立模等[64]基于三維粒子示蹤測(cè)速技術(shù)，觀測(cè)了10種水沙條件下推移質(zhì)顆粒的三維運(yùn)動(dòng)情況，統(tǒng)計(jì)分析了推移質(zhì)顆粒的三維平均運(yùn)動(dòng)規(guī)律；余國(guó)安等[65]通過專門設(shè)計(jì)制作的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)視頻觀測(cè)采集系統(tǒng)和河床結(jié)構(gòu)發(fā)育程度測(cè)量裝置，對(duì)幾種經(jīng)典床面條件的山區(qū)河流推移質(zhì)顆粒強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)分析；Julien等[66]通過對(duì)光滑床面上的不同大小、不同形狀和密度的泥沙顆粒的平均推移運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了觀測(cè)，擬合得到了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式；胡浩等[67]采用ADCP定點(diǎn)觀測(cè)方法，通過對(duì)長(zhǎng)江河口南港和北港粉砂、細(xì)砂河床的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行研究后指出，只有在床沙發(fā)生普遍運(yùn)動(dòng)時(shí)，ADCP觀測(cè)法才能進(jìn)行有效的測(cè)量；Amir等[68]采用攝像粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)及脈動(dòng)壓力傳感系統(tǒng)，測(cè)量了床面顆粒躍移參數(shù)及受力變化；等等。與均勻沙相比，非均勻推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為不同床面形態(tài)下，河床粗糙度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的間歇性和變化程度產(chǎn)生直接影響。Nicholas[69]指出，顆粒頂部湍流強(qiáng)度將會(huì)隨著顆粒糙率的增加而增大，這一變化將引起顆粒速度進(jìn)一步加大；Ramesh等[70]研究了水力過渡區(qū)內(nèi)泥沙運(yùn)動(dòng)速度，得到了泥沙運(yùn)動(dòng)速度的分布規(guī)律；許琳娟[71]在水槽中開展了非均勻推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲得泥沙位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)速度、走停時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了研究。

總之，在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)及輸移方面雖然取得了豐富的研究成果，但大多成果主要基于單顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)特性，很少有從群體泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)角度去探索推移質(zhì)輸移規(guī)律，尤其是從群體顆粒內(nèi)部顆粒間的作用力(例如顆粒碰撞力)角度去考慮。就是對(duì)于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)，仍停留在對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的定性描述，缺乏對(duì)這種現(xiàn)象產(chǎn)生原因的認(rèn)識(shí)。究其原因是多方面的，既有學(xué)科面窄，無法與基礎(chǔ)科學(xué)、尖端技術(shù)等相比的原因，也有學(xué)科本身問題復(fù)雜、難度大，而測(cè)量?jī)x器不能滿足科研需求的原因。

3 懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

泥沙濃度分布是河流動(dòng)力學(xué)中基本理論研究的重要內(nèi)容之一。自1930年代，Rouse[72]基于紊動(dòng)擴(kuò)散理論，首次建立了泥沙濃度分布公式以來，至今己有多種不同的理論模型，如混合理論、能量理論、相似理論及隨機(jī)理論。而在眾多研究成果中，又以紊動(dòng)擴(kuò)散理論居多，其中擴(kuò)散系數(shù)的選取是導(dǎo)致濃度分布公式繁多的主要原因。倪晉仁等[73]基于垂向脈動(dòng)速度概率分布特性，推導(dǎo)出了懸移質(zhì)濃度垂線分布的統(tǒng)一公式及懸沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式，并從理論上揭示了這些理論的出發(fā)點(diǎn)雖然不同，但最終都能得到與擴(kuò)散方程類似結(jié)構(gòu)形式，只是擴(kuò)散系數(shù)略有不同；并進(jìn)一步分析提出，含沙量沿垂線分布包括兩種類型：(1) 泥沙濃度沿垂線分布規(guī)律為從水面到河底由小逐漸增大，在近壁區(qū)達(dá)到最大值，然后再由最大值迅速減小為零，稱為Ⅰ型(普通型)濃度分布；(2) 自水面到河底單調(diào)增加稱為Ⅱ型[74]濃度分布。然而，采用傳統(tǒng)的泥沙擴(kuò)散理論很難解釋室內(nèi)試驗(yàn)和原型觀測(cè)到的Ⅰ型泥沙濃度分布，因此，學(xué)者門試圖尋求其它理論和方法解釋這一現(xiàn)象。如Wang等[75]基于固液兩相流動(dòng)力學(xué)理論分析后指出，Ⅰ型泥沙濃度分布規(guī)律的形成原因，主要來自于升力的影響。劉大有[76-77]早期基于兩相流的紊動(dòng)擴(kuò)散模型研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的紊動(dòng)擴(kuò)散模型不能很好的描述顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度梯度引發(fā)的擴(kuò)散；尤其是在固相顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度變化較大的區(qū)域，基于菲克第一擴(kuò)散定律的泥沙擴(kuò)散理論更是存在明顯的缺陷，并定性解釋了Ⅰ型固體濃度分布的成因；之后基于泥沙懸浮運(yùn)動(dòng)機(jī)理認(rèn)為，懸浮泥沙顆粒在河流或水平管道中，除受到重力和浮力作用外，還將可能受到流體中其他升力和泥沙顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度梯度的作用。傅旭東等[78]基于流體動(dòng)力學(xué)理論，修正了傳統(tǒng)的泥沙擴(kuò)散方程，并對(duì)影響含沙水流泥沙濃度分布類型、形成機(jī)理及擴(kuò)散系數(shù)的影響因素進(jìn)行了定量分析。倪志輝等[79]基于非線性方法中分形標(biāo)度，從流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析入手，探討了挾沙水流的含沙量分布。

1950年代，Einstein等[80]基于床沙質(zhì)、推移質(zhì)和懸移質(zhì)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了水流挾沙力理論公式。Bagnold[81]基于水流功率理論，結(jié)合推移質(zhì)、懸移質(zhì)的研究結(jié)果，推導(dǎo)出了一個(gè)包含推移質(zhì)和懸移質(zhì)的全沙輸沙率公式。可見，上述兩個(gè)公式概念明確，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，但其適用性與經(jīng)驗(yàn)性公式相比，還有一定的差距。例如以懸移質(zhì)泥沙輸移為主體的平原河流，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)可以忽略的情況下，經(jīng)驗(yàn)性公式更具適用性，類似的公式有武漢水利電力學(xué)院學(xué)者[82]公式、Velikanov[83]公式及范家驊[84]公式。綜上可見，上述幾個(gè)學(xué)者的研究都是基于推移質(zhì)和懸移質(zhì)具有不同運(yùn)動(dòng)形式的基礎(chǔ)上，在具體研究時(shí)區(qū)別對(duì)待，沙玉清[85]則認(rèn)為，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)都是泥沙一種運(yùn)動(dòng)形式，在本質(zhì)上沒有什么不同，并基于這一思想，構(gòu)建了一個(gè)更具普遍性及適用性的公式。

高含沙水流具有與普通挾沙水流不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和沖淤規(guī)律。自1980年代以來，高含沙水流的挾沙能力問題，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，并確定豐富的研究成果[86]。曹如軒[87]結(jié)合陜西省水利科學(xué)研究所室內(nèi)試驗(yàn)資料，通過對(duì)高含沙水流的渾水粘滯性、泥沙沉降特性、高含沙水流極限粒徑的概念及輸沙特性等因素分析研究，建立了高含沙水流挾沙力公式；張紅武[88]基于泥沙懸浮能量來自于水流運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、水流能量消耗與泥沙懸浮功之間必存在著內(nèi)在聯(lián)系的考慮，通過分析研究泥沙含量對(duì)卡門常數(shù)與顆粒沉速的影響，以及渾水粘滯系、水力泥沙因子對(duì)高含沙水流挾沙能力的影響，提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)、半理論的高含沙水流挾沙力公式；吳保生等[89]采用回歸分析方法，分析研究了水流挾沙力的內(nèi)在機(jī)理及影響因素，構(gòu)建了基于渾水黏性系數(shù)、泥沙沉速的高含沙水流挾沙力經(jīng)驗(yàn)公式；費(fèi)祥俊[90]基于黃河泥沙懸浮指標(biāo)推導(dǎo)出黃河干流不沖不淤流速，并在建立黃河干流挾沙能力計(jì)算中，計(jì)入黃河床沙級(jí)配及河道斷面形態(tài)特征的影響，得到了一個(gè)適合黃河挾沙能力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)性公式；舒安平等[91]基于泥沙懸浮和水流紊動(dòng)之間的聯(lián)系，借鑒兩相流的相關(guān)研究成果和大量實(shí)測(cè)資料，構(gòu)建了高含沙水流挾沙能力公式?？傊?，目前在懸移質(zhì)濃度分布、水流挾沙力、高含沙水流等方面取得了不少研究成果，但總的來說，水沙兩相流的理論發(fā)展還不夠成熟，現(xiàn)有的理論研究成果或公式還存在較大缺陷。因此，在將來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，還要重點(diǎn)研究低濃度泥沙顆粒與水流間的相互作用，揭示顆粒懸浮、擴(kuò)散與交換機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，研究高含沙對(duì)水流運(yùn)動(dòng)特性、能量耗散特性的影響，探求高含沙水流與一般含沙水流在水沙輸移方面的區(qū)別與聯(lián)系。這就要求研究者不斷加強(qiáng)基本理論的研究與探索，不斷提高試驗(yàn)觀測(cè)技術(shù)水平，著力實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域合作，最終建立一個(gè)適合含高含沙水流的懸移質(zhì)濃度統(tǒng)一分布形式與水流挾沙力公式，在體系上完善懸移質(zhì)輸移機(jī)理。

中國(guó)北方灌區(qū)多屬于干旱地區(qū)，灌溉水源多為渠灌引水。盡管灌渠挾沙水流的輸移規(guī)律的研究可借鑒明渠挾沙水流的運(yùn)動(dòng)理論，但仍與天然河道存在一定差異，一方面，灌溉渠道邊界條件規(guī)整，便于研究與應(yīng)用；另一方面，由于不同灌區(qū)(或同一灌區(qū)不同時(shí)段)來沙特性、水力條件、以及管理方式的差異，灌渠泥沙的輸移規(guī)律也表現(xiàn)出特殊性。相較天然河道而言，灌區(qū)渠道泥沙淤積給灌區(qū)正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)重問題。因此，研究者對(duì)灌區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)特性及泥沙淤積成因(泥沙淤積與來水來沙間的機(jī)理)進(jìn)行了研究。早在1987年，人民勝利渠灌區(qū)運(yùn)用之初，河南人民勝利渠泥沙專題研究組[92]就灌區(qū)水沙分配規(guī)律和泥沙淤積分布規(guī)律開展了細(xì)致的研究；隨著工程的不斷運(yùn)行、改造，以及黃河水沙條件的變化，相關(guān)研究不斷深入，王延貴等[93-94]以渠道水流含沙量垂線分布和輸沙能力為基礎(chǔ)，對(duì)引水分沙的特性及其對(duì)渠道沖淤的影響進(jìn)行了初步分析，之后，在大量水沙實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，對(duì)泥沙起動(dòng)規(guī)律、含沙量分布規(guī)律及挾沙能力進(jìn)行深入分析，指出渠道挾沙能力主要受渠道糙率、渠道比降、橫斷面形狀、來沙級(jí)配和引水流量的影響。此外，李春濤等[95]、史紅玲等[96]對(duì)位山引黃灌區(qū)的泥沙淤積原因也進(jìn)行了相關(guān)研究，其結(jié)論與王延貴等[94]的結(jié)論基本一致。黃河水沙的總體特征是粒徑小，含沙量高，而國(guó)內(nèi)部分渠道所引水沙與黃河水沙并不相同，故輸移規(guī)律也并不一致。山溪性河流的引水問題與黃河的引水問題的最大區(qū)別在于，除了懸移質(zhì)外，對(duì)推移質(zhì)的輸移規(guī)律同樣需要給予關(guān)注[97]。

為了兼顧灌區(qū)渾水資源的可持續(xù)利用及防淤防堵兩大目標(biāo)，部分研究者以涇惠渠、渭惠渠灌區(qū)為例，對(duì)渠系節(jié)點(diǎn)處的泥沙淤積特征以及對(duì)引水分流特性開展研究。王延召等[98]對(duì)渠系節(jié)點(diǎn)區(qū)域懸移質(zhì)淤積與支渠引水分流間的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出回流區(qū)水流挾沙能力減小，泥沙在口門前形成攔門沙坎，是產(chǎn)生淤積的主要因素。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水沙資源的優(yōu)化配置和泥沙運(yùn)用，研究者們進(jìn)行了大量的研究，史紅玲等[99]構(gòu)建了基于入渠水沙資源分配目標(biāo)的灌區(qū)配置能力指標(biāo)的表達(dá)式，并對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行了量化；胡健等[100]指出灌區(qū)泥沙合理配置與利用的關(guān)鍵是非均勻沙的輸送機(jī)理，進(jìn)而對(duì)非均勻沙不同粒徑組泥沙的起動(dòng)與止動(dòng)、沉降與懸浮的差異進(jìn)行了研究，得到分組沙的輸沙能力、沿程衰減規(guī)律和上限平衡含沙量的統(tǒng)計(jì)特征。

4 結(jié) 論

基于前人的研究成果及存在的不足，提出以下幾個(gè)亟待解決的問題：

(1) 在泥沙起動(dòng)研究中，確定性的力學(xué)方法存在較大缺陷，描述隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將更適合描述泥沙起動(dòng)問題；近底水流作用流速、床面泥沙非均勻性及隨機(jī)分布規(guī)律作為泥沙起動(dòng)的非確定性因素，將是當(dāng)前及今后研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

(2) 在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)研究中，單顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不足以反映床面泥沙真實(shí)情況，群體泥沙顆粒間的相互作用將是揭示推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的重要基礎(chǔ)和前提。

(3) 對(duì)泥沙顆粒懸浮、擴(kuò)散與交換機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，是懸移質(zhì)泥沙輸移理論尚不成熟的主要原因；高含沙的存在對(duì)水流運(yùn)動(dòng)特性與能量耗散特性的影響并不明確，目前尚缺乏可靠的、系統(tǒng)的研究成果，其根本的原因仍是對(duì)含沙水流的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不夠成熟，這也是河流動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)問題。