弱動力條件下的河流粘性泥沙運動分析

□姜 坤（吉林省水利水電勘測設計研究院）

弱動力條件下的河流粘性泥沙運動分析

□姜 坤（吉林省水利水電勘測設計研究院）

在河流中，動力條件驅使下的粘性泥沙往往會出現完全懸浮現象，使其中細顆粒泥沙處于不飽和常態，這種狀態在某些動力較弱的水流段表現為粘性泥沙的大量淤積，其輸移規律也會發生較大變化。文章就以粘性泥沙分層運動玻璃水槽試驗驗證的方式探討在弱動力條件下河流粘性泥沙的分層運動形式及影響分層運動的相關因素。

河流粘性泥沙運動；弱動力條件；試驗；分層運動；影響因素

0 引言

在弱動力條件下，河流粘性泥沙難免會受到水流條件等物理環境的相互影響，其水質條件與泥沙濃度等化學因素也會發生改變，影響它的運動規律，且十分明顯。諸多因素的綜合影響就讓粘性泥沙形成浮泥和異重流分層特征，換言之就是明顯的清渾水分層。所以為了驗證粘性泥沙在河流弱動力條件下的分層運動規律，有必要利用試驗方法來加以驗證。

1 水槽試驗

1.1 玻璃水槽的試驗系統介紹

用于粘性泥沙分層運動的水槽試驗系統包括了20 cm（寬）、25 cm（高）、3.50 m（長）的玻璃水槽裝置。玻璃水槽的底坡是可變的，它的最大可供流量超過8 m3/h，變化范圍在0～1%左右。在水槽中部采用了紊動流速實測斷面裝置，其中的測點調節定位完全由人工操作完成，而水流的流速與紊動狀態則采用了多普勒ADV流速測試儀實施測量操作。

水槽試驗中會利用虹吸管采樣器來對泥沙進行采樣，然后借助烘干法測量粘性泥沙含沙量。對虹吸管的合理利用尤其是在取樣方面要注意管口與測點保持相同水平高度，謹慎控制渾水的緩慢溢出，這樣也能確保所取樣的沙樣符合測點要求，如圖1。

1.2 多普勒ADV流速儀

在玻璃水槽試驗系統中，聲學多普勒流速儀（MicroADV）是重要測量設備之一，它能夠測量水流的流速與紊動性，可以對所測量取樣點進行非接觸干擾。

多普勒流速儀主要由信號調理、信號處理與測量探頭3部分組成，它的測量探頭探頭能夠向上、向下、側向測量，可以測量從1～2.50 mm/s的河流流速。它的流動參數與信號全由計算機系統自動完成，并最后由Excel對所測量獲取的數據文本文件采取處理措施。

圖1 玻璃水槽試驗系統示意圖

在水槽試驗過程中，頻移現象主要由水中粒子運動所產生，由它們觸發的頻率變化也被稱為多普勒頻移。所以多普勒測速儀就應用了這一原理，在測量過程中依靠水中粒子運動頻儀來固定聲源、接收探頭。考慮到探頭所接收到的運動粒子的散射與反射會根據聲音頻率的變化而變化，所以給出了頻移與水中粒子運動的關系式為：

式中∶Fd就是多普勒頻移，fS代表了發射頻率，v代表運動粒子相對于探頭測試頻率下的實際速度，而c為聲速。考慮到水中粒子速度與聲速的比值非常小，所以可知多普勒頻移也是相當小的，所以它不能用來直接測量。而采用多普勒流速儀的脈沖相干處理能力，在發射探頭測量時借助兩個時間滯后分離脈沖測量其脈沖相位，就可以明確脈沖相位差正比于水中粒子的相對速度，最終實現對水流速度的計算。

1.3 試驗過程

水槽試驗方法可以獲得更多粘性泥沙與水流之間的相互作用的數據信息，明確粘性泥沙的運動規律取決于其重力沉降與水流擴散的相互作用。首先，在水槽中加入一定量的細顆粒泥沙，再進行流量、水深調節，確保其成為均勻流，在其中取樣水樣做水質檢測備用。其次，在確保水槽中粘性泥沙運動足夠長的循環時間以后，利用多普勒流速儀對粘性泥沙所處水流的流速、紊動強度實施精確測量，配合虹吸管取樣，利用烘干稱重法來測量水樣中的泥沙濃度。再次，在改變水流條件與泥沙濃度以后，再次重復上述步驟。最后，在試驗結束后，清洗水槽與循環系統。

在試驗中可以得知，河流水體中的陽離子會對粘性泥沙產生一定的沉降影響，因此弱動力條件下水質條件的變化是有可能影響其運動規律的[1]。

2 弱動力條件下河流粘性泥沙的分層運動

2.1 水槽試驗中粘性泥沙的分層運動

粘性泥沙在弱動力條件下存在特殊的分層運動形式，也被叫做分層流動。分層流動中不同層次之間的泥沙濃度也有很大差別，但同一層泥沙中的濃度幾乎相近。不同層次之間的泥沙濃度是具有較為清晰的分界面的，所以它的泥沙濃度分布是沒有連續性的，但存在突變點，可見粘性泥沙在河流弱動力條件下與一般泥沙濃度分布規律是存在本質差別的。

一旦粘性泥沙的分層運動現象發生，泥沙濃度就會呈現沿垂線分布的3層斷面，其中上層靠近表面泥沙的粘性泥沙濃度最低（0.50～0.70 g/L），中間層的粘性泥沙濃度相對較高（3.20～3.50 g/L），靠近水底的最下層粘性泥沙濃度最高（＞24 g/L）。雖然3層粘性泥沙的濃度相差很大，但是每一層中泥沙的濃度分布是相當均勻的，這也是粘性泥沙在垂線分布基礎上所體現出的異重流特征。

如果沿垂線分布變化來分析粘性泥沙在河流弱動力條件下的流速，就必須考慮在分層運動形成以后，其流速在達到最大值時粘性泥沙在水中的位置。利用多普勒流速儀探頭在水下進行探測，并在水面放置紙片觀察其動向，發現分層運動狀況粘性泥沙所形成的表面流速可以忽略不計。

2.2 對粘性泥沙分層運動形成的分析

由于粘性泥沙的分層運動讓其劃分為3層，當分層運動最初形成時，上層與中層界面的粘性泥沙會受到剪切力作用與自身浮力作用，讓兩層界面之間產生內波，當內波破碎后，泥沙垂向就會發生嚴重混合，此時中間層的粘性泥沙會呈絮狀與上層泥沙互換，成為上層水體絮狀粘性泥沙。但由于勢能不同，所以它們還是會在低等濃度狀態作用下沉降回原來的中層位置。在弱動力的水流條件與泥沙濃度條件共同影響下，分層運動中上層的粘性泥沙濃度依然會保持相對穩定，并存在絮網結構，從而降低泥沙的沉降速度。而中層泥沙沉降速度也會相對降低，確保其在中層與上層中的濃度分布趨于均勻。反觀濃度最大的下層粘性泥沙，它由于泥沙本身粘性最強、浮力最大，所以在下層中粘性泥沙的紊動特性會逐漸消失，基于該原因中層與下層粘性泥沙之間是難以產生垂直互換的。但如果河流流速加強，弱動力條件有所改善，最下層的粘性泥沙懸浮能力就會被強化，導致河流中上下水體被充分交換，此時粘性泥沙的分層運動也會相應消失[2]。

3 粘性泥沙分層運動的影響因素

粘性泥沙在弱動力條件下的影響因素有很多，例如：泥沙濃度、水流條件等等，其中各個因素之間的相互影響也相當復雜。文章重點分析一下水流條件對粘性泥沙分層運動的具體影響。

以上文的水槽試驗為例，由于設定了水槽進口的泥沙濃度為3.50 g，所以當水槽流量降低時，關于流量的試驗結果分別為3.72、2.14、1.44（m3/h）。

當水槽流量為3.72 m3/h時，粘性泥沙斷面的濃度是隨垂線均勻分布的，測點上的泥沙濃度值沒有太大差別，保持在3.50 g/L，而水槽水流表面的泥沙濃度在3.00 g/L。相比而言，水槽底部兩測點的粘性泥沙濃度值最小，這就說明水槽底部的粘性泥沙應該處于懸浮狀態，此時并沒有形成泥沙分層運動。

當水槽流量下降到2.14 m3/h時，粘性泥沙濃度會沿垂線分布發生變化，以水槽表面泥沙濃度為例，它會迅速下降到2 g/L以內，而水槽水深中間測點的泥沙濃度依然會保持在3.50 g/L。相比于3.72 m3/h流量階段，此流量下水槽底部測點的粘性泥沙濃度發生了變化，出現了底部最大泥沙濃度，這就說明當水槽流量在下降以后，粘性泥沙在水槽底部出現了淤積趨向，此時的泥沙輸移呈現即將飽和狀態，粘性泥沙的分層輸移現象初步形成。

當水槽流速下降到1.44 m3/h時，水槽中粘性泥沙的分層輸移已經相當明顯，主要分為3層。

由上述分析可以見得，隨著水槽流量的降低，弱動力條件的逐漸形成，粘性泥沙的分層運動會越來越明顯，水流結構也會發生巨大改變，這就充分說明了水流流速分布所帶來的粘性泥沙異重流特征。所以，粘性泥沙的分層運動是受到水流條件極大影響的，當水流在一定的流量范圍內發生變化，粘性泥沙的分層流動形式就會形成，同時它也會影響水流的結構與流速的分布，二者相輔相成[3]。

4 總結

文章利用水槽試驗對弱動力條件下的粘性泥沙進行了分析，證明了它在水流條件與泥沙濃度影響下輸移規律與分層運動的變化趨勢。同時也明確了在一定濃度條件下粘性泥沙分層運動的形成過程以及其在形成過程中所需要的水流條件范圍。參考文獻

[1]王家生.河流泥沙運動物理化學過程初步研究[D].武漢大學,2013：97-105.

[2]王家生,陳立,劉林等.粘性泥沙分層運動特征的試驗研究[J].水科學進展,2014,19(1):13-18.

[3]許文盛,陳立,劉林等.粘性泥沙分層運動中流速垂線分布特征試驗[J].武漢大學學報（工學版）,2015,43(3):315-319.

（責任編輯：劉 青）

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2016-07-07