冲积河流混合活动层内床沙级配变化动力学基本方程.pdfVIP

水 利 学 报 2004 年9 月 SHUILI XUEBAO 第9 期 文章编号: 0559-9350(2004)09-0024-07 冲积河流混合活动层内床沙级配变化的动力学基本方程 钟德钰，张红武，王光谦 (清华大学 河流海洋研究所，北京 100084) 摘要：本文将冲积河流混合活动层内床沙的交换、掺混概括为表层床沙与水中运动泥沙在床面附近湍流作用下的 掺混交换和混合活动层中泥沙在沙波运动作用下的掺混交换过程，建立了冲积河流混合活动层内床沙级配变化的 基本方程。该方程定量地反映了水流强度、床面沙波运动及河床冲淤变化与床沙级配变化的关系，描述了河床冲 淤过程中床沙级配时空变化的动力学特性。文中还应用该方程，分析了河床冲刷粗化现象。 关键词：混合活动层；床沙级配；沙波运动；交换；混合 中图分类号：TV143 文献标识码：A 所谓冲积河流的混合活动层，或称混合交换层，是指在床面以下一定范围内，与水流中的运动泥沙不 断发生物质交换，处于活动状态的河床层。混合活动层泥沙级配对床面阻力、水流挟沙力有重要影响，是 研究冲积河流洪水问题及河床冲淤变化的关键问题之一。目前关于混合活动层的研究大多是为数学模型中 模拟床沙级配变化而开展的[1～3] ，一般基于混合活动层内床沙的质量守恒关系来反映床沙级配的平均变化。 这些方法具有这样的特点：空间上说，混合活动层内床沙级配沿垂直方向的变化被忽略了，代之以混合活 动层的平均级配；时间上说，由于是为数学模型计算中模拟床沙级配随河床冲淤变化而建立的计算方法， 因此，时间上是离散的，得到的是冲淤计算时间步长内床沙级配的平均变化。但王士强研究表明[4]，与混 合活动层内床沙级配在河床冲淤时的调整，混合活动层内床沙掺混速度、尺度等因素密切相关，而现有多 数计算方法中不反映混合活动层自身的动力学因素对床沙级配变化的影响，从而对悬移质不平衡输沙计算 带来较大影响。为反映混合活动层动力学特性对床沙级配变化的影响，刘金梅、王士强等[5]引入了与沙波 运动特征有关的“床沙交换速度”这一概念并建立了相应的计算模式。这一概念的引入深化了对混合活动 层机理的认识。但在计算模式中，对沙波运动所引起的床沙掺混现象的定量描述仍不够深入。Armanini[6] 建立的混合活动层方程中考虑了沙波周期性起伏所导致的垂向掺混，但仅反映了发生在床面表层的冲淤而 未考虑沙波自身纵向不平衡输沙的影响，因而存在一定局限性。鉴于上述问题的存在，本文的主要目的就 是根据室内外的观测事实，建立冲积河流混合活动层床沙级配变化的动力学方程。 1 混合层内床沙的掺混机理 混合活动层内的床沙与水中运动泥沙的交换及床沙的自身掺混是由两个机理不同、尺度不同的过程共 同构成的。Gyr[8] [7] 、刘金梅等 通过数字图像技术对床面泥沙运动的观测发现，一方面床面猝发过程中的喷 射流体不断将床面泥沙带入水中，另一方面重力作用及“清扫”运动又将水中运动泥沙带入床面表层，并 与床沙相掺混，其深度尺度与床沙粒径相当[7，8] 。这一实验事实表明由壁面附近发生的湍流猝发及重力沉 积作用完成了水中运动的泥沙与床沙表层的交换和掺混。 收稿日期: 2003-06-20 基金项目: 国家自然科学基金项目50221903) 作者简介: 钟德钰(1970-),男,甘肃金昌人,副研究员,博士,主要从事泥沙运动力学研究. 1 水 利 学 报 2004 年9 月 SHUILI XUEBAO 第9 期 与此同时，冲积河流河床表面随水流强度、 床沙组成的不同，存在静平床、沙纹、沙波、沙 垄、动平床及逆行沙波等河床表面形态。在常见 水流、床面泥沙组成下，天然冲积河流床面形态 以沙波为主[9]。沙波运动表现为迎水面冲刷、背