河流推移質輸移帶特性研究

摘 要：河流推移質運輸帶規律不僅基于泥沙輸移、河床底部侵蝕和沉積基礎研究，而且還基于河床的形狀演變，水力輸送沉積物等基礎研究，在物理模型和數值模擬計算中對實驗結果也起到不可忽視的影響，河流推移質的輸移帶規律研究在國內外河流研究領域備受關注。本文在總結山區河流和水庫泥沙淤積中推移質的運動規律上，結合現代推移質模擬技術，對現階段河流推移質輸移帶研究進行概述。

關鍵詞：推移質;輸移帶;綜述

1 引言

卵石推移質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。河段底部構成除局部有淤沙外，還是由卵石和基層巖石構。淺水河岸成和淺灘岸邊大多是鵝卵石。本文對山區河流推移質輸移帶文獻的總結研究，對其間卵石灘群段卵石運動規律進行系統性研究，確定河段卵石推移質礙航的位置﹑時刻以及輸沙強度與水動力條件量化關系。

2 國內外發展動態及研究現狀

2.1 山區河道推移質運動機理研究

在中國南部，無論是各個支流上，還是幾大江系長江，瀾滄江等的主要河流中，由于山區河流陡峭，洪水強烈，水位高，水流和泥沙的變化能力急劇變化。大多數床砂是礫石，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部分沿床表面滑動并在床表面附近滾動或跳躍以形成地板載荷，是一種異質沉積物，轉移具有與一般砂負荷不同的運輸特性。

1879年DuBoys[1]最初提出了沉積床沉積物運移速率的公式，應該開始沉積物運移動力學的當代意義。作為獨立學科的泥沙運輸機制的研究始于20世紀初。吉爾伯特于1914年開創的水槽試驗展示了現代沉積物動力學的開始。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，通過分析測量數據中的顆粒床和卵石床負荷運動的等值線函數之間的關系可以更好地反映平均輸沙率與水和沉積因子之間的關系。聶瑞華等[2]對卵石載荷輸送脈動試驗的位置的測量數據進行了統計分析。實測數據表明，卵石沉積物運移過程具有明顯的隨機性。表征卵石荷載傳遞的脈動特征的特征值與采樣周期密切相關。隨著采樣周期的增加，單位寬度脈動標準偏差，變異系數，無量綱脈動強度和卵石床每個差值的傳質速度都是無量綱的。采用推移質數學模型分析實例獲得航道卵石輸移強度帶以及沖淤變化過程，揭示庫尾水沙變化過程對水動力、卵石灘槽演變的響應機制。

2.2 水庫泥沙淤積研究

根據以前泥沙處理問題的研究，在上個世紀的60年代左右，當時中國的水庫淤積計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烈，形成了初步沖刷段、平衡段、強烈沖刷段和淤積段等4段，新塑造的地形極度不穩定，在河槽寬闊段，斷面寬淺、深槽擺動、河勢散亂。黃萬里[3]認為三峽庫尾由于水動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產安全。劉德春分析了上個世紀末在昆坦站測量的卵石裝載質量數據。因此，隨著粒徑的減小，粒徑減小，起始流量增加，水沙關系發生顯著變化。三峽水庫泥沙輸移特征變化的主要原因是河道采砂，節水防沙工程和土壤侵蝕控制。現有研究主要位于水庫邊緣推移質來沙量較大的情況下，出現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來量較少的情況，目前的研究較少。

2.3 推移質模擬技術現狀

目前為止，泥沙的理論模型和泥沙的數學物理分析等相關問題，國內外的研究進展與國外的研究相比較還是不完善。國外的優秀模型有如荷蘭van Rijin模型、CCHE2D模型、丹麥MIKE21模型，在國內處于優勢地位的有陸永軍、周建軍等所建立的水沙數值模型運用于模擬預測中。

發展始于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值模型研究河流的歷史演化機制。由于河流區域的特殊性，沉積物輸送在總沉積物輸送中的比例很高。對于大規模，即使在通過數學模擬獲得水壓系數后，也需要通過參考恒定流量變化質量方程來計算泥沙輸送速率，并且可以通過河床變形方程獲得河床變化。陸勇建立了一個二維數學模型來模擬質量的運動，同時考慮到河流轉向引起的動量交換。沿河床寬度調整顆粒相互作用和砂層坡度。該實驗與該模型很好地吻合。假冬冬、周剛等[4]等采用基于土力學理論的灘岸消長力學模式，模擬彎曲河道及分汊型河道形成及發展的過程，并量化分析洲灘演變的影響因素。肖毅[5]考慮到二維水動力模型計算的所有物理量都是沿垂直線，準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動特性，構建了山區河流的泥沙模型CRS-1與CRS-2。需要強調，機理性方程關鍵參數包含運動機制控制因素影響強弱，針對不同類型的河流，已有力學方程的合理性值得斟酌。

3 結論

對不同條件的水流狀態下的推移質輸移研究是非常有研究意義的，對于不同公式，不同條件，不同理論基礎下用不同手段求解都應該有一定的了解。采用推移質數學模型分析實例獲得航道卵石輸移強度帶以及沖淤變化過程，對揭示庫尾水沙變化過程對水動力、卵石灘槽演變的響應機制有重要作用。

但是在學科交融發展興盛的如今，各種各樣的途徑都提供了相應的解決問題的思路，并且隨著測量手段的進步，實驗也會越來越精確。這一切都為工程多方面的完善創造了更加有利的條件。

參考文獻

[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.卵石推移質輸移脈動特性研究[J].四川大學學報（工程科學版），2014，（2）：30-31.

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

[4]假冬冬，邵學軍.考慮河岸變形的三維水沙數值模擬研究[J].水科學進展，2009，（3）：35-37.

[5]肖毅.河型轉化影響因素及河型判別準則研究[D].北京：清華大學，2013.

[6]劉興年，曹叔尤，黃爾等.CRS-1河流泥沙數學模型設計及其驗證[A].李義天主編.河流模擬理論與實踐[C].武漢水利水電大學出版社，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，研究方向：航道整治與河道治理。