河流推移質(zhì)輸移帶特性研究

摘 要：河流推移質(zhì)運(yùn)輸帶規(guī)律不僅基于泥沙輸移、河床底部侵蝕和沉積基礎(chǔ)研究，而且還基于河床的形狀演變，水力輸送沉積物等基礎(chǔ)研究，在物理模型和數(shù)值模擬計(jì)算中對實(shí)驗(yàn)結(jié)果也起到不可忽視的影響，河流推移質(zhì)的輸移帶規(guī)律研究在國內(nèi)外河流研究領(lǐng)域備受關(guān)注。本文在總結(jié)山區(qū)河流和水庫泥沙淤積中推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上，結(jié)合現(xiàn)代推移質(zhì)模擬技術(shù)，對現(xiàn)階段河流推移質(zhì)輸移帶研究進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞：推移質(zhì);輸移帶;綜述

1 引言

卵石推移質(zhì)的輸移帶在河道消落期對河床演變趨勢有著較大的影響，且可能造成礙航。河段底部構(gòu)成除局部有淤沙外，還是由卵石和基層巖石構(gòu)。淺水河岸成和淺灘岸邊大多是鵝卵石。本文對山區(qū)河流推移質(zhì)輸移帶文獻(xiàn)的總結(jié)研究，對其間卵石灘群段卵石運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性研究，確定河段卵石推移質(zhì)礙航的位置﹑時(shí)刻以及輸沙強(qiáng)度與水動(dòng)力條件量化關(guān)系。

2 國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀

2.1 山區(qū)河道推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究

在中國南部，無論是各個(gè)支流上，還是幾大江系長江，瀾滄江等的主要河流中，由于山區(qū)河流陡峭，洪水強(qiáng)烈，水位高，水流和泥沙的變化能力急劇變化。大多數(shù)床砂是礫石，鵝卵石，沙子，粒度粗大，層次分布寬。在水流作用下的巨大沙質(zhì)部分沿床表面滑動(dòng)并在床表面附近滾動(dòng)或跳躍以形成地板載荷，是一種異質(zhì)沉積物，轉(zhuǎn)移具有與一般砂負(fù)荷不同的運(yùn)輸特性。

1879年DuBoys[1]最初提出了沉積床沉積物運(yùn)移速率的公式，應(yīng)該開始沉積物運(yùn)移動(dòng)力學(xué)的當(dāng)代意義。作為獨(dú)立學(xué)科的泥沙運(yùn)輸機(jī)制的研究始于20世紀(jì)初。吉爾伯特于1914年開創(chuàng)的水槽試驗(yàn)展示了現(xiàn)代沉積物動(dòng)力學(xué)的開始。Ackres&White在1973年以下降礫石和沉積物起始條件，提出適用于具有大比重的礫石的合適的沉積物輸送速率公式。具體而言，通過分析測量數(shù)據(jù)中的顆粒床和卵石床負(fù)荷運(yùn)動(dòng)的等值線函數(shù)之間的關(guān)系可以更好地反映平均輸沙率與水和沉積因子之間的關(guān)系。聶瑞華等[2]對卵石載荷輸送脈動(dòng)試驗(yàn)的位置的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，卵石沉積物運(yùn)移過程具有明顯的隨機(jī)性。表征卵石荷載傳遞的脈動(dòng)特征的特征值與采樣周期密切相關(guān)。隨著采樣周期的增加，單位寬度脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差，變異系數(shù)，無量綱脈動(dòng)強(qiáng)度和卵石床每個(gè)差值的傳質(zhì)速度都是無量綱的。采用推移質(zhì)數(shù)學(xué)模型分析實(shí)例獲得航道卵石輸移強(qiáng)度帶以及沖淤變化過程，揭示庫尾水沙變化過程對水動(dòng)力、卵石灘槽演變的響應(yīng)機(jī)制。

2.2 水庫泥沙淤積研究

根據(jù)以前泥沙處理問題的研究，在上個(gè)世紀(jì)的60年代左右，當(dāng)時(shí)中國的水庫淤積計(jì)算方法還是采用三角洲淤積平衡坡降法。韓其為在先覺廟漂水水庫淤積的研究成果表明，在消落期沖刷庫尾河段卵石輸移量沿程非線性增加強(qiáng)烈，形成了初步?jīng)_刷段、平衡段、強(qiáng)烈沖刷段和淤積段等4段，新塑造的地形極度不穩(wěn)定，在河槽寬闊段，斷面寬淺、深槽擺動(dòng)、河勢散亂。黃萬里[3]認(rèn)為三峽庫尾由于水動(dòng)力不足而將引起大量卵石淤積，航道堵死，庫尾洪水位抬升，長江沿岸居民生活財(cái)產(chǎn)安全。劉德春分析了上個(gè)世紀(jì)末在昆坦站測量的卵石裝載質(zhì)量數(shù)據(jù)。因此，隨著粒徑的減小，粒徑減小，起始流量增加，水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。三峽水庫泥沙輸移特征變化的主要原因是河道采砂，節(jié)水防沙工程和土壤侵蝕控制?，F(xiàn)有研究主要位于水庫邊緣推移質(zhì)來沙量較大的情況下，出現(xiàn)的卵石河床再造的研究成果。而對三峽庫尾河段卵石推移質(zhì)來量較少的情況，目前的研究較少。

2.3 推移質(zhì)模擬技術(shù)現(xiàn)狀

目前為止，泥沙的理論模型和泥沙的數(shù)學(xué)物理分析等相關(guān)問題，國內(nèi)外的研究進(jìn)展與國外的研究相比較還是不完善。國外的優(yōu)秀模型有如荷蘭van Rijin模型、CCHE2D模型、丹麥MIKE21模型，在國內(nèi)處于優(yōu)勢地位的有陸永軍、周建軍等所建立的水沙數(shù)值模型運(yùn)用于模擬預(yù)測中。

發(fā)展始于1960年代，自1970年代以來逐漸成熟。從1980年代以來，Duan，Mosselan，Olsen，Ruther等國外教授通過二維和三維數(shù)值模型研究河流的歷史演化機(jī)制。由于河流區(qū)域的特殊性，沉積物輸送在總沉積物輸送中的比例很高。對于大規(guī)模，即使在通過數(shù)學(xué)模擬獲得水壓系數(shù)后，也需要通過參考恒定流量變化質(zhì)量方程來計(jì)算泥沙輸送速率，并且可以通過河床變形方程獲得河床變化。陸勇建立了一個(gè)二維數(shù)學(xué)模型來模擬質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮到河流轉(zhuǎn)向引起的動(dòng)量交換。沿河床寬度調(diào)整顆粒相互作用和砂層坡度。該實(shí)驗(yàn)與該模型很好地吻合。假冬冬、周剛等[4]等采用基于土力學(xué)理論的灘岸消長力學(xué)模式，模擬彎曲河道及分汊型河道形成及發(fā)展的過程，并量化分析洲灘演變的影響因素。肖毅[5]考慮到二維水動(dòng)力模型計(jì)算的所有物理量都是沿垂直線，準(zhǔn)確模擬曲線二次流對植被，二次流，粗砂等影響的影響。其提出的二維水沙模型綜合考慮了河流演變過程中的許多關(guān)鍵因素。劉興年、曹叔尤等[6]研究者通過研究寬級配卵石推移運(yùn)動(dòng)特性，構(gòu)建了山區(qū)河流的泥沙模型CRS-1與CRS-2。需要強(qiáng)調(diào)，機(jī)理性方程關(guān)鍵參數(shù)包含運(yùn)動(dòng)機(jī)制控制因素影響強(qiáng)弱，針對不同類型的河流，已有力學(xué)方程的合理性值得斟酌。

3 結(jié)論

對不同條件的水流狀態(tài)下的推移質(zhì)輸移研究是非常有研究意義的，對于不同公式，不同條件，不同理論基礎(chǔ)下用不同手段求解都應(yīng)該有一定的了解。采用推移質(zhì)數(shù)學(xué)模型分析實(shí)例獲得航道卵石輸移強(qiáng)度帶以及沖淤變化過程，對揭示庫尾水沙變化過程對水動(dòng)力、卵石灘槽演變的響應(yīng)機(jī)制有重要作用。

但是在學(xué)科交融發(fā)展興盛的如今，各種各樣的途徑都提供了相應(yīng)的解決問題的思路，并且隨著測量手段的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)也會越來越精確。這一切都為工程多方面的完善創(chuàng)造了更加有利的條件。

參考文獻(xiàn)

[1]DuBoys，P，Le Rhone et les les a lit affouillable，Annales des Ponts et Chaussees， Series5， Vol.18，1879， PP.141-195.

[2]聶銳華.卵石推移質(zhì)輸移脈動(dòng)特性研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2014，（2）：30-31.

[3]黃萬里.論長江三峽大壩修建的前提[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，（5）：35-37.

[4]假冬冬，邵學(xué)軍.考慮河岸變形的三維水沙數(shù)值模擬研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，（3）：35-37.

[5]肖毅.河型轉(zhuǎn)化影響因素及河型判別準(zhǔn)則研究[D].北京：清華大學(xué)，2013.

[6]劉興年，曹叔尤，黃爾等.CRS-1河流泥沙數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證[A].李義天主編.河流模擬理論與實(shí)踐[C].武漢水利水電大學(xué)出版社，1998：91-96.

作者簡介

張浩游（1995-），男，漢族，四川宜賓人，碩士在讀，重慶交通大學(xué)，研究方向：航道整治與河道治理。