河流动力学在河流泥沙研究中的应用分析

河流动力学在河流泥沙研究中的应用分析

【摘要】河流动力与河流内泥沙的变化有着密不可分的关系，本文通过研究揭示了河流动力对河流泥沙的影响，希望通过本文的研究给读者一定的认识。

【关键词】河流动力学河流泥沙研究应用分析

【 abstract 】 river power and the change of river sediment in the inseparable relations, this article through research reveals the dynamic to the influence of river sediment, hope that through this research give readers a certain understanding.

【 key words 】 river river sediment dynamics research application analysis 河流动力学主要研究水流与河床的相互作用规律。内容包括水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布；泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理；河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程；河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法。河流动力学对泥沙的研究是其非常重要的一个部分。

一、河流动力学基础理论

河流动力学基础理论研究包括泥沙运动力学基本理论和河流过程原理及调整规律的研究。早在30年代，Rouse应用扩散理论导出了悬移质泥沙浓度分布公式，即扩散方程，它是进行输沙计算的基本方程。在现代两相流理论中，扩散模型只是宏观连续介质理论的一种简单模型。更一般的模型是双流体模型，两相流中关于固液两相流的基本方程、作用力分析及其应力本构关系的理论，极大地促进了泥沙运动力学理论的发展。但泥沙运动理论与固液两相流理论又有所区别，其内容更丰富，更独具创新性。悬移质、推移质、水流挟沙力、动床阻力等等都是一般两相流理论中没有的概念。这些概念是泥沙运动力学理论体系的基础，使得泥沙运动力学理论比固液两相流理论更生动、更便于在生产实际中应用。悬移质和推移质输沙理论、非平衡输沙理论、水流挟沙力、床面形态和动床阻力等都是泥沙运动力学基础理论研究的重要内容，而且在80年代以前已经发展得比较成熟，之后除了引入固液两相流的双流体模型外，并没有重大的进展，许多理论研究是低水平重复。因此，该领域的理论研究应集中在两个方面：

1） 对现有的理论成果或公式进行认真总结，去伪存真，归纳提高。如钱宁（1980）关于推移质公式比较的研究堪称范例，几家著名的推移质输沙率公式尽管基于不同的理论，但都能转化为统一的结构形式，便于比较各家公式的适用范围及优缺点。倪晋仁（1987）导出了悬移质泥沙浓度分布的统一公式，其它著名的公式都是其特例，并论证了不论从哪一种理论出发，最后的结果都与扩散理论具有相同的形式。各公式在推导过程中都不可避免的要引入一些假设，因而理论上并不完善，适用范围也不尽相同。关于动床阻力、挟沙力等，都已经取得不少的成果，也应该进行类似的归纳总结工作。

2）对不成熟的理论进行深入研究，争取取得理论上的突破。这些方面包括：非均匀沙不平衡输沙理论、高含沙水流运动理论、床面形态的空间结构及动术阻力、管道输送固体物料的减阻机理、水流相干结构对泥沙输移的影响等等。河流过程原理主要是指河流的自动调整原理。“水往低处流”即形象地揭示了河流发源于高山峻岭，奔流到海不复返的自然规律。来水来沙作用于不同的边界条件，形成了丰富多彩的河道演变现象。河床演变学就是研究河道演变过程，它不仅仅停留在对现象的描述，而且更重要的是探讨控制河道演变的规律。如不同河型的形成、演变及转化条件，河流的自动调整原理等。在固壁边界条件下，水流泥沙运动参量可以通过动力学方程求解得出。但对于不断蜿蜒展宽（或缩窄）的松散边界的冲积河流来说，还缺少一个能反映河流（横向）调整规律的动力学方程。

二、河流动力学在河流泥沙研究中的应用分析

1、泥沙运动影响分析

河流是水流与河床长期相互作用的产物，水流作用于河床，使河床发生变形；河床反过来也作用于水流，影响水流结构。两者永远处于发生、发展的变化中。水流与河床的相互作用是通过泥沙运动作纽带来实现的。水流挟沙较小时，将从河床获取泥沙达到饱和含沙量，从而使河床冲刷下降；当水流夹带泥沙过多，将沉淀部分泥沙，使水流达到饱和含沙量。从而使河床淤积抬高。因此，泥沙有时是河床的组成部分，有时又是水流的组成部分，在他们的运动过程中，矛盾的两个方面相互转化，从而进一步推动矛盾的变化和发展。

2、泥沙冲淤变化影响分析

在天然条件下，河流永远处于不断发展变化之中，如冲积平原河流中的弯曲河段，由于河身外形弯曲，迫使水流作曲线运动。表层水体因流速大，受到离心力大，底层水体流速小，受到的离心力小，因此表层含沙量较小的清水流向凹岸，使凹岸发生冲刷；而含沙量较多的底层水流，则流向凸岸，使凸岸淤积。由于水流长期作用，凹岸不断崩塌后退，凸岸不断淤积前进，使河流越来越弯，形成很大的河环，在大洪水期间，水流冲开河环颈部，出现裁弯曲直。弯曲河段暂时变成了微弯河段，如果没有人工控制，它将在新的基础上，重复上述河流由微弯发展到河环直至裁弯曲直，如此而永无休止。又如分叉河段，由两个或多个岔道组成，在多年的河床演变中，一个岔道走向衰退，而另一个岔道则走向发展。走向发展的岔道，经过若干年的演变后，由于河道加长或口门地形发生变化，也可能由发展转向衰退；而另一只岔道则可能由衰退转向发展。

总之，随着时间的推移，在水流的作用下各岔道处于不停的兴衰交替发展变化之中。可以说，上述弯道、岔道的多年演变规律对于我们水文、水利、航运部门建站、选址、修建水工建筑物、选择取水口等都非常重要。例如，有些浅滩经过多年沽水期观测都能保证通航，水深基本上没有什么变化，而实际上，在一个水文年中，该浅滩却在作周期性的冲淤变化，即洪水期发生泥沙淤积，洪水下降期发生冲刷。至枯水期又将洪水期的淤积冲走，从而维持了航深，也有的浅滩到枯水期因不能全部冲走洪水期的淤积而使航道水深不足，影响航行。

3、泥沙冲淤变化受人类活动影响分析

在河流上修建水利枢纽，可以发电、灌溉、防洪、美化水环境，但有时也会带来不利的影响，像修建长江三峡水利枢纽，在大坝上游很长的水库区，使库区回水变动段的下游内的险滩全部被淹没，航深增加，航行条件得到改善。但是，在回水变动区内泥沙会大量淤积，使枯水期航深变浅，妨碍航行，同时，码头、取水口、支流河口等被淤浅甚至被淤塞。在大坝下游，由于水库的调节作用，增加了枯水流量，提高了枯水航深，这是有利的一面。但也存在很多不利的方面，例如上流进入水库的是浑水，当泥沙大量沉积于水库后变成了清水。水库下泄清水将冲刷河床。葛洲坝枢纽建成以来，坝下较长河段都发生冲刷，河床下切，水位下降。而一些大中型水库、水电站多担负调峰任务下泄流量时增时减，使下游水深也时大时小，对水文、水利、航运部门影响较大。

4、冲淤变化对水利工程规划、设计影响分析

水利工程、港口和航道工程在规划设计选址时，首先要把河道、港口、码头、航道布置在河床稳定、水深足够、水流条件较好的地方，以保证工程在设计水文年内能良好的运行。为了合理利用和治理河流，在河流沿岸修建水工建筑物时，必须认识和掌握河流运动的客观规律，并对今后的发展趋势做出定性和定量的预测和考量。

总结

河流泥沙研究仍属发展中学科，许多基础理论仍不成熟，在泥沙基本理论方面开展深入探索将是今后河流泥沙研究的重点内容之一。同时，随着近期江河水资源利用和水能开发力度的加大，江河治理实践中面临着与泥沙输移相关的新现象、新问题，不断推动着河流泥沙研究的发展，今后在继续深入研究泥沙基本理论的同时，应在以下几方面拓展河流泥沙研究的深度和广度：①水沙条件发生较大变化后，河床演变的一般性规律，并借助水沙模拟技术，逐步从定性上升到定量；②从流域或区域整体的角度，扩展研究的时间尺度、空间尺度，分析泥沙输移的规律及其造成的环境影响，探索人工调控水沙输移的理论与技术；③人类活动对河流干扰日益增大，负面效应也逐渐显现，逐步开展泥沙学科与地学、水环境、生态环境等学科的交叉研究，为相关的管理和防护提供理论依据，保持人水和谐。

参考文献

[1] 张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪，等．河流动力学［M］．武汉:武汉大学出版社，2007

[2] 许栋，白玉川，谭艳．正弦派生曲线弯道中水沙运动特性动床试验［J］．天津大学学报，2010（43）

[3] 许栋．蜿蜒河流演变动力过程的研究［D］．天津:天津大学，2008．

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