沖積河流水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

唐鴻琴，李 健

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局攀枝花分局，四川 攀枝花 617000）

我國(guó)河流眾多，許多河流存在大量泥沙，給經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人們的生活帶來(lái)一定的阻礙，比如防洪問題、水庫(kù)淤積問題、灌溉渠系淤積問題、港灣河口淤積問題以及環(huán)境問題。如果這些問題處理不當(dāng)，將會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的失調(diào)與惡化，水土流失或者土壤侵蝕等，影響到人類生態(tài)環(huán)境。基于此，加強(qiáng)對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的研究迫在眉睫。

1 水流泥沙運(yùn)動(dòng)

1.1 水流泥沙運(yùn)動(dòng)

在沖積河流中隨水漂浮前進(jìn)的泥沙一般稱之為懸移質(zhì)，懸移質(zhì)的粒徑較寬，雖然懸浮在水中，但是粗細(xì)顆粒之間的差異較大[1]，粗沙粒的懸移質(zhì)泥沙會(huì)隨水沉落到河床，與床面上的泥沙混合并交換，經(jīng)過交換后的泥沙稱為床沙質(zhì)。在懸移質(zhì)中，有一部分的泥沙從流域表面流出，與河床不會(huì)發(fā)生任何的關(guān)系。懸移質(zhì)中較細(xì)不會(huì)與河床發(fā)生關(guān)系的沙粒稱為沖瀉質(zhì)。床沙質(zhì)的粒徑相同，在河床的表面大量存在。床沙質(zhì)在輸移的過程中會(huì)與床沙發(fā)生交換并直接參與到河流的造床過程中。床沙質(zhì)會(huì)與床沙發(fā)生交換，而沖瀉質(zhì)不會(huì)與床沙發(fā)生交換。在運(yùn)動(dòng)的過程中泥沙是否與床沙發(fā)生交換取決于泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)中的起動(dòng)水流條件與止動(dòng)水流條件。當(dāng)水流的強(qiáng)度大于止動(dòng)的水流條件，則運(yùn)動(dòng)中的泥沙將無(wú)法轉(zhuǎn)換為靜止的床沙。因此，當(dāng)床沙無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的泥沙無(wú)法正常流動(dòng)，則對(duì)應(yīng)的部分稱為沖瀉質(zhì)，反之則為床沙質(zhì)。

1.2 泥沙起動(dòng)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的劃分問題

泥沙起動(dòng)是泥沙運(yùn)動(dòng)中的一種特殊形式，輸沙率與輸沙濃度為最小值。大多數(shù)的泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)大多都是建立在平均流速的基礎(chǔ)上[2]。泥沙起動(dòng)常用兩種方法，一種是根據(jù)泥沙顆粒上的力來(lái)決定，另一種方法是對(duì)給定的輸沙公式，根據(jù)輸沙率對(duì)應(yīng)的水流泥沙條件來(lái)決定，大多數(shù)情況下都會(huì)采用第二種方法進(jìn)行確定。

根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)形式的不同，可以將泥沙分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)。這兩種泥沙運(yùn)動(dòng)方式規(guī)律，對(duì)能量來(lái)源和河床的作用都有所不同，大多數(shù)情況下，如果出現(xiàn)推移質(zhì)和懸移質(zhì)同時(shí)存在的情況，則需要對(duì)輸沙的強(qiáng)度問題繼續(xù)研究，而不用專門區(qū)分推移質(zhì)和懸移質(zhì)。在動(dòng)床條件下，懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)法脫離推移質(zhì)而單獨(dú)運(yùn)行，隨著水流強(qiáng)度的不斷增加，推移質(zhì)和懸移質(zhì)的輸沙強(qiáng)度都會(huì)隨之發(fā)生變化，推移質(zhì)的輸沙強(qiáng)度小于懸移質(zhì)的輸沙強(qiáng)度，懸移質(zhì)在特定的水流范圍內(nèi)一直處于主導(dǎo)的地位。

在泥沙研究中，比較被大眾所接受的一種觀點(diǎn)為，推移質(zhì)輸沙決定了泥沙輸移的沙粒切應(yīng)力；懸移質(zhì)輸沙決定了沙粒切應(yīng)力與沙波切應(yīng)力在內(nèi)的全部切應(yīng)力。但是這種觀點(diǎn)或多或少存在一定的問題，比如不同沙粒切應(yīng)力的計(jì)算方法相同，但是所得到的結(jié)果不同；觀點(diǎn)沒有得到實(shí)測(cè)資料的有效驗(yàn)證，大多數(shù)學(xué)者都是直接對(duì)該觀點(diǎn)進(jìn)行引用，并沒有繼續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，因此無(wú)法排除其他有效切應(yīng)力的存在。不管是哪一種運(yùn)動(dòng)方式，其有效切應(yīng)力都是全部切應(yīng)力與沙粒切應(yīng)力組合得到的結(jié)果。

2 泥沙輸沙強(qiáng)度研究

在實(shí)際的研究中，專家們對(duì)各種水流強(qiáng)度指標(biāo)與泥沙輸沙強(qiáng)度的相關(guān)性分析較少，現(xiàn)有的一些研究都是基于某些數(shù)據(jù)，或者不同的水流強(qiáng)度指標(biāo)所建立的比較。針對(duì)這些資料，對(duì)各種水流強(qiáng)度指標(biāo)與輸沙率之間的關(guān)系進(jìn)行比較，從而確定水流的強(qiáng)度指標(biāo)，為泥沙運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律提供參考[3]。

在僅有推移質(zhì)、懸移質(zhì)或者同時(shí)含有推移質(zhì)和懸移質(zhì)的泥沙運(yùn)動(dòng)，其水流與輸沙的強(qiáng)度基本相同，因此不需要再比較泥沙的運(yùn)動(dòng)形式，根據(jù)相關(guān)的輸沙資料，分別對(duì)不同的水流強(qiáng)度指標(biāo)以及輸沙的強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行分析，得到不同水流強(qiáng)度指標(biāo)的優(yōu)劣性。

3 動(dòng)床阻力研究

3.1 沙粒阻力

沙粒阻力研究需要借助定床阻力的研究成果，泥沙在起動(dòng)時(shí)，會(huì)與床面的形態(tài)形成一體，從泥沙的起動(dòng)阻力角度研究泥沙的沙粒阻力，是一種非常有效的方法，所得到的結(jié)論也比引用定床結(jié)果更加靠譜。

根據(jù)力學(xué)平衡條件得到起動(dòng)切應(yīng)力公式[4]：

式中：τc表示起動(dòng)切應(yīng)力；d 表示粒徑；U 表示流速；v 表示運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；γ 表示泥沙與水的容量；θc表示參數(shù)；Re*表示莎莉雷諾數(shù)。

當(dāng)泥沙起動(dòng)時(shí)床面上的泥沙不會(huì)發(fā)生任何的運(yùn)行，床面基本處于一種平整的階段，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以將泥沙起動(dòng)的阻力方程運(yùn)用在沙粒阻力的計(jì)算中，得到的沙粒阻力公式將會(huì)更加的可靠。與現(xiàn)有的沙粒阻力的計(jì)算公式相比，該公式在計(jì)算沙粒阻力時(shí)可以避免與現(xiàn)有的床面粗糙度發(fā)生沖突，使沙粒阻力的計(jì)算更加方便。

3.2 推移質(zhì)泥沙附加阻力

泥沙運(yùn)動(dòng)所引起的附加阻力主要以動(dòng)平整床面為研究對(duì)象，對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的附加阻力進(jìn)行研究。在挾沙水流中，泥沙在水流的作用下會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)[5]，因?yàn)橛辛四嗌车拇嬖冢砸矔?huì)影響水流，隨著推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不斷消耗，所消耗的能量來(lái)自于水流的平均運(yùn)動(dòng)，而不是其他的運(yùn)動(dòng)功能，因此，推移質(zhì)泥沙的存在會(huì)增加水流的能量流失，針對(duì)能量流失的問題，專家學(xué)者們已經(jīng)有了更加深入的研究。針對(duì)水流阻力問題，重點(diǎn)研究水流的能量平衡，因此，本文將以挾沙水流的能量平衡為基礎(chǔ)，從理論的方面研究泥沙對(duì)水流阻力所帶來(lái)的影響。

挾沙水流的剪切力分為兩個(gè)部分，為：

式中：τ1表示液體剪切力；τ2為顆粒剪切力。

3.3 推移質(zhì)與懸移質(zhì)泥沙附加阻力

懸移質(zhì)無(wú)法單獨(dú)存在，必須要依靠推移質(zhì)，針對(duì)這種情況，不需要考慮懸移質(zhì)泥沙。推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)通過碰撞和摩擦而產(chǎn)生一部分的能量，這部分的能量主要取決于水流的能量，與其他的功能無(wú)關(guān)，因此推移質(zhì)泥沙的存在將會(huì)加快水流的能量流失，在推移質(zhì)泥沙的水流能量損失中，需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)的處理[6]。以懸移質(zhì)泥沙對(duì)水流能量損失所帶來(lái)的影響為切入點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資料，從理論上進(jìn)行分析，得到的結(jié)果為：泥沙會(huì)會(huì)隨著含沙量的水流阻力系數(shù)而逐漸減少，懸移質(zhì)對(duì)水流能量所帶來(lái)的損失影響并不大，不同的研究方法都會(huì)統(tǒng)一得到相同的結(jié)果，河流會(huì)隨著含沙量的增加而逐漸減少水流阻力系數(shù)。因此，分析水流輸移懸移質(zhì)所帶來(lái)的能量是重點(diǎn)問題。

當(dāng)水流挾沙后能量的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的變化，見圖1。

圖1 挾沙水流能量結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 為挾沙水流中的平衡結(jié)構(gòu)示意圖，除了最底層之外，泥沙顆粒在相鄰的兩層不會(huì)對(duì)能量平衡造成影響，因此能量不會(huì)被水流所消耗，水流的能量基本趨于平衡。但是底層的泥沙穿過地面后所消耗的能量必須需要通過泥沙顆粒進(jìn)行維持。因此，為了更好地維持泥沙懸浮所帶來(lái)的能量，會(huì)對(duì)底層泥沙中的能量進(jìn)行維護(hù)，以保證水流的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

水流泥沙運(yùn)動(dòng)具有一定的復(fù)雜性，不管是推移質(zhì)還是懸移質(zhì)，其輸沙規(guī)律沒有較大的變化，但是會(huì)對(duì)水流的能量造成一定的損失，區(qū)別推移質(zhì)還是懸移質(zhì)十分重要。泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)挾沙水流阻力會(huì)帶來(lái)一定的影響，通過分析阻力影響問題可以得到附加阻力的計(jì)算公式，解決挾沙水流與定床清水出現(xiàn)的各種問題。