泥沙運動力學讀書報告

長沙理工大學水利工程學院《泥沙運動力學》讀書報告《泥沙運動力學》讀書報告摘要：泥沙運動力學是一門綜合性基礎技術科學，主要研究泥沙在重力、流水、波浪和風力等作用下的沖刷、搬運和沉積過程以及這些運動過程所造成的宏觀地貌演變。微觀上，泥沙顆粒在流體作用下起動、跳躍懸浮和沉降這些過程依賴于顆粒的物理性質、礦物成分和流體的力學特性和邊界條件。宏觀上，泥沙運動導致地貌發(fā)育和環(huán)境演變從更為長期的眼光看，泥沙運動是固體物質從山區(qū)搬向平原和海洋、造成沖積平原和三角洲、在海洋沉積形成巖石的循環(huán)中的重要一環(huán)。泥沙運動引起的環(huán)境變化對于生態(tài)學具有重要意義。關鍵詞：泥沙運動力學；非恒定流；河床演變；高含沙水流1泥沙的形成及性質泥沙是指在流體中運動或受水流、風力、波浪、冰川及重力作用移動后沉積下來的固體顆粒碎屑。巖石風化是產(chǎn)生泥沙最主要的來源。除此之外，生物的骨骼和介殼，火山爆發(fā)時噴出的火山灰、火山渣、飛石，海底或溫泉外流的巖漿，隕石通過大氣層時的分解物都可能成為泥沙顆粒。1.1泥沙的顆粒性質組成泥沙的個別顆粒，其性質直接或間接的反應了泥沙過去的歷史。例如泥沙的大小和移動介質及流動速度有關，泥沙的形狀和圓度則涉及移動介質、移動距離及移動強度，礦質組成指出泥沙可能的來源和搬運距離，方位決定于水流運動的方向和泥沙沉淀時的受力情況，表面組織則反應泥沙受磨蝕的歷史以及因溶解而起的變化。根據(jù)這些性質，泥沙的來源以及如何受力沖刷、移動和沉積的經(jīng)過都可以得到一個概括的輪廓。對于卵石以上的泥沙，一般常直接量測在三個成正交方向的直徑，求出它們的平均值。由卵石以至細砂，篩析法是最簡捷的決定顆粒大小的方法，由此所得到的結果只能指出泥沙大小介于上下兩篩孔之間，亦即只能知道大小的范圍，而不知其絕對值，在這一范圍內的平均尺寸，可以采用代數(shù)平均D1+D22，也可以采用幾何平均D1D2，也有采用13D1+D[]錢寧,萬兆惠.泥沙運動力學[M].科學出版社,2003年8月,85-112.球體的沉速可以下式?jīng)Q定：ω2=43CDρs-ρρgDCD=fRe=f(ωDν式中，ω為球體沉速，Cd為阻力系數(shù)，ρs及ρ分別為球體及液體的密度；g為重力加速度；D為球徑；Re為雷諾數(shù)；v為液體的運動1.2顆粒的群體性質通常所謂泥沙，并不是指單獨的泥沙顆粒，而是指無數(shù)不同大小、不同形狀及不同礦質的泥沙顆粒的混合體。泥沙順粒雖然并不膠結成一個整體，但是許多有關泥沙的性質卻正因沙粒的集體存在而表現(xiàn)出來。1.2.1粒徑分布泥沙粒徑的分配情況和均勻度不但直接反映母巖的性質和泥沙所受到的水流分選作用的強弱，而且和泥沙搬運量的大小也有密切關系。表示顆粒級配的方法很多，主要有三種慣用的方法：梯級頻率圖、累計頻率曲線和微分頻率曲線。1.2.2巖組分析正像組成泥沙的各種顆粒大小并不一致那樣，它們的方位也各有不同。泥沙顆粒方位分布的研究稱為巖組分析。前面說過，泥沙顆粒的方位可以用長軸（或其他軸）的方位角及傾角來表示。如果我們設想把泥沙顆粒按照它的天然方位放在一個空心圓球的中心，把長軸延伸出去和南北半球殼各交在一個點，然后畫出南半球的極坐標地圖，這時長軸穿透球殼的點在極坐標地圖上的位置就同時代表了泥沙顆粒的方位角及傾角。這樣所得到的圖稱為巖組圖，圖上每一個點代表某一顆泥沙的長軸位置。如果這些點子群集在一起，正是說明泥抄在運動或沉積過程中取得了某種特殊的方位。為了更好地說明點群集中的程度，可以繪出單位面積內點子數(shù)目的等值線圖，而且一般常用相對的數(shù)字來表示這些等值線。1.2.3孔隙率泥沙中孔隙的容積占總容積的百分比稱為孔隙率。泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、堆積的情況以及堆積后受力大小及歷時久暫而有不同。從理論上來說，泥沙的顆粒大小應該和孔隙率并無關系。但是實際上，細顆粒泥沙往往比粗顆粒泥沙含有更多的孔隙，這是由于細顆粒的表面面積相對較大，使得顆粒間的摩擦，吸附及搭成格架的作用增大的緣故。例如粗砂的孔隙率一般為39～41%，中砂為41～48%，細砂則為44～49%。如果砂土中夾雜有少量粘土，孔隙率可以增加到50～54%。粒徑均勻的泥沙的孔隙率也最大。這是因為，對于組成不均勻的泥沙來說，粗顆粒間的孔隙可以由細顆粒來填塞。根據(jù)試驗結果，大小不一的圓球混合體的孔隙率有小到15%的。天然泥沙的孔隙率一般都在25～50%之間；小于0.005毫米的泥沙在沉淀時如成絮凝結構，孔隙率有高至90%的，這是上游來沙量以外影響水庫淤廢速率的重要因素。1.3渾水的性質渾水中泥沙顆粒的存在使渾水的粘滯系數(shù)增大，甚至不再成為牛頓體。其原因如下：（1）流線在固體顆粒附近的變形。對于非球形顆粒，特別是對于片狀或棍狀的顆粒，在流體受剪切后，將重新安排它們之間的位置，使長軸平行于剪切的方向。（2）細顆粒之間因絮凝作用而形成絮團、集合體和網(wǎng)架結構。這種絮團和結構往往很脆弱，對剪切作用很敏感。一方面，它們在剪切作用下很容易被破壞，另一方面又很容易恢復和重新形成。（3）顆粒（特別是棍狀的顆粒）及其吸附水膜，以及因絮凝作用形成的鏈或框架具有一定的彈性。當剪切速率增大或減小時，顆粒的排列、絮團和結構的破壞以及再形成的情況也將隨之而發(fā)生變化，而且這樣的調整一般需要一定的時間。所以，對于含非球形的特別是含細顆粒泥沙的渾水來說，剪應力與切變速率之間的關系往往是隨其受剪時間和過去的歷史而變的，即渾水是與時間有關的非牛頓體，而并非與時間無關的純粘性非牛頓流體。由于顆粒吸附水膜及絮凝形成的鏈或框架具有一定的彈性，含細顆粒的渾水還可能是粘彈性體。對這兩類物體進行數(shù)學處理是十分復雜的。所幸的是，在穩(wěn)定、均勻的流動中問題可以簡化。一是在這種條件下彈性力并不表現(xiàn)出來，它不參與力或動量的平衡。正像一根彈簧作等速運動而不受瞬時變化的力的作用時，其長短不會變化，同一根鐵棍沒有什么差別再者，在這種條件下顆粒的排列將達到一定的水平，絮團、結構的破壞和形成也將維持一定的平衡。由于以上兩個原因，完全可以把它作為純粘性的非牛頓體來處理。當然，在遇到急速變化的不穩(wěn)定流動和斷面有突然收縮、擴大的流動時，這樣的簡化很可能與實際有較大的偏離。2泥沙的沉速泥沙在靜止的清水中等速下沉時的速度，稱為泥沙的沉降速度，它是標志泥沙運動特征的一個重要物理量。在各種沉淀池的設計計算和生產(chǎn)運用中，在河流、渠道的各種泥沙問題中，泥沙的沉降速度都是一個最重要的，也是一個最基本的參數(shù)。因此，研究泥沙問題，無論通過物理模擬，還是通過數(shù)值模擬，均應提供可靠的泥沙沉降速度指標。盡管泥沙沉速有這樣重要的意義，但是關于泥沙沉速的研究工作仍然進行得不夠充分。2.1單顆粒泥沙沉速泥沙顆粒在靜水中下沉時，它的運動狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)Re=ω0d/v有關，此處v為清水的運動粘度，d及ω0分別為單顆粒泥沙的粒徑與沉速。當沙粒雷諾數(shù)Re>0.5時，泥沙顆?；旧涎劂U垂線下沉，附近的水幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象，這時的運動屬于層流狀態(tài)，渾液而沉速符合均勻沉降的特點。當沙粒雷諾數(shù)Re>1000時，泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動狀態(tài)下沉，附近的水產(chǎn)生強烈的繞動和渦動，這時的運動屬于紊流狀態(tài)，渾液而沉速符合壓縮沉降的特點。當沙粒雷諾數(shù)0表達單顆粒泥沙沉降速度的公式是張瑞瑾從過渡區(qū)的動力平衡方程式出發(fā)而導出的：ω0=c1式中為γs泥沙容重，γ為清水容重，c1及c2是按實測資料確定的無因次系數(shù)。參照各家資料，用c1=13.95，ω0=13.95vd2+1.09γs-γ經(jīng)實測資料的驗證表明，式（4）可以同時滿足層流區(qū)、紊流區(qū)及過渡區(qū)的要求。也就是說，式（4）是表達泥沙沉降速度的通用公式。這是因為：由層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的過渡不是突然完成，而是逐漸完成的。如溫度不變，當粒徑增大時，屬于滯性阻力作用的影響會逐漸減小，并當粒徑d趨于臨界值后，滯性因素的作用可以忽略不計，這時只有紊動阻力的因素起著決定作用。當粒徑d減小時，兩種阻力的作用關系與上述情況正好相反。2.2泥沙群體沉速高濃度下粘性泥沙的沉降屬于群體沉降的性質。關于群體沉降的沉速公式的研究，從機理上大致可以分為兩類。一種是以Micliaels和Bolger[[]PeirceTJ,WilliamsPJ.Experimentsoncertainaspectsofsedimentationofestuarymuds.PmcICE,1966,34:391-400]為代表，采用修訂過的Richardson[]PeirceTJ,WilliamsPJ.Experimentsoncertainaspectsofsedimentationofestuarymuds.PmcICE,1966,34:391-400ωω0=1-Sv式中ω表示體積含沙濃度為Sv時的群體泥沙沉速；m為指數(shù)[[]費詳俊，泥沙的群體沉降，泥沙研究1992,(3):13-16.]，Richardson等人的試驗研究，在層流區(qū)，m取值為4.65；郭慕孫等人則認為m為4.91；而錢寧等人在試驗中發(fā)現(xiàn)m并非常數(shù)，而與雷諾數(shù)有關，且隨著雷諾數(shù)的提高而減少，最小時為2.25；王兆印[[]王兆印，宋振琪，非恒定非均勻流中泥沙運動初探，水利學報1997,(6):1-9.]等人的試驗表明，m為7.0～[]費詳俊，泥沙的群體沉降，泥沙研究1992,(3):13-16.[]王兆印，宋振琪，非恒定非均勻流中泥沙運動初探，水利學報1997,(6):1-9.2.3泥沙沉速影響因素的分析影響泥沙沉速的因素很多，如含沙量大到一定程度之后，沉速計算公式必須考慮含沙量的影響。這種影響與泥沙粒徑的粗細關系甚大；而對于d<0.01mm的細顆粒泥沙而言，水質對泥沙沉速的影響是不容忽視的。在此范圍內，含沙量對沉速的影響，是和水質對沉速的影響結合在一起而通過絮凝起作用的。由此可見，絮凝作用也是影響泥沙沉速的重要因素。對于處在分散狀態(tài)的粗顆粒泥沙，由于不存在絮凝現(xiàn)象，當含沙量從零開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始，逐漸減小。而對于可能發(fā)生絮凝現(xiàn)象的細顆粒泥沙則不然，當含沙量從零開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始逐漸增大，當沉速達到一個峰值之后，則將隨含沙量的增大而逐漸減小，一直到小于清水單顆粒沉速之后，還繼續(xù)減小。沉速大于清水單顆粒沉速的階段，屬于絮凝起主導作用的階段；而沉速小于清水單顆粒沉速的階段，屬于其它幾種因素起主導作用的階段。含沙量的進一步增加，絮凝結構將充分發(fā)展和迅速擴大，最后形成一個整體絮凝體的下沉。此外，異重流對泥沙沉速的影響也是不可忽略的因素，目前，在這方而的研究工作不夠完善，特別是在各種水處理沉淀池中出現(xiàn)的由于進水與池內水的溫差或是濃度差所引起的異重流現(xiàn)象還有待進一步研究。3水流的紊動泥沙運動與水流的紊動現(xiàn)象有密切關系。懸移質所以能抗拒重力作用，在垂線上保待定分布，完全是水流紊動引起上下水團交換的結果。泥沙的起動和推移質運動也與水流紊動引起的床面附近流速、壓力的脈動密切相關。3.1紊流的基本特性紊流運動呈隨機性，即速度、壓強等均隨時間、空間作不規(guī)則的脈動；耗能性即除了粘性耗能外，還有更主要的由于紊動產(chǎn)生附加切應力引起的耗能；擴散性即除分子擴散外，還有質點紊動引起的傳質、傳熱和傳遞動量等擴散性能。自然界和實際工程中的流體運動，絕大多數(shù)都是紊流。紊流運動對于流場中的速度、壓力、溫度和物質濃度的分布，起著決定性的影響作用。由于紊流現(xiàn)象的復雜性，紊流運動以及與之相聯(lián)系的質量、動量和能量輸運現(xiàn)象都極難描述，而且也幾乎不可能進行解析預測。紊流按其流動特點可分為：（1）各向同性均勻紊流，是一種假想的紊流模型，其紊動特征在各空間點是一樣的，在各方向也是一樣的。在這種紊流中沒有流速梯度，因而沒有剪切應力。局部各向同性紊流是只考慮小尺度渦旋為各向同性的一種紊流模型。（2）剪切紊流，是指有時均流速梯度，因而有剪切應力的紊流，它又可分為自由紊流和壁面紊流。3.2紊流理論的研究進展由于紊動的復雜性，目前還沒有一套完整的理論可以全面地說明紊動現(xiàn)象的各個環(huán)節(jié)。已有的工作都是借助于一些半經(jīng)驗性的假定，來樹立交換運動所產(chǎn)生的紊動應力與時均流速間的關系[[][]南勛,紊流的研究與應用[J],泥沙研究.3卷4期,1958,73-100.普朗特與1925年首先模擬氣體分子運動中動量交換的機理，并用來解釋流水中由于紊動作用所產(chǎn)生的摻混現(xiàn)象，創(chuàng)立了紊流的摻混長度理論。替代單顆?？諝夥肿舆\動的，是一個成為“漩渦”的水團的運動；替代空氣分析平均自由行程的，則是所謂紊流的摻混長度?？ㄩT假定：（1）除了在周界附近以外，紊流現(xiàn)象與水流的黏性無關；（2）在水流中各點紊動的基本格局彼此相似，所不同的只是時間和長度的尺度。在紊動現(xiàn)象中，最具代表性的長度是摻混長度[[][]王興奎.明渠水流的紊動特性[J].水力發(fā)電學報,1993,04:12-21.由普朗特及卡門所創(chuàng)建的紊動摻混長度理論，在推導紊動剪切流的流速分布時取得了一定的成功，但這樣一個理論所反映的紊動交換現(xiàn)象的物理圖畫卻是間歇性的，即是通過運動——摻混——再運動——再摻混的過程來完成紊動擴散。3.3泥沙粒徑對水流紊動的影響泥沙顆粒的粒徑不同，對水流穩(wěn)定性和干擾源的影響是不同的，對水流紊動影響有著很大的差異[[][]劉青泉,陳立.泥沙對水流紊動影響的進一步分析[J].水利學報,1997,09:78-83.（1）顆粒粒徑越小，與水流的相對運動越小，含能渦也越難脫離顆粒，不會產(chǎn)生額外的紊動渦；顆粒粒徑越大，則與水流的相對運動越大，越容易造成水流與沙粒的分離，在造成更大的干擾源的同時，會產(chǎn)生額外的紊動渦。（2）顆粒越細，對邊壁的掩蔽作用越強，使壁面更加光滑；而顆粒越粗，不會對壁面起到掩蔽作用，相反會增大壁面的凹凸度，使壁面更加粗糙。也就是說，從對壁面作用來看，細顆粒有減小干擾的作用，必然導致紊動減弱；而粗顆粒則大大增強了壁面的干擾，必然導致紊動增強。（3）含沙水流中，必然存在著顆粒與壁面的碰撞和床面上的推移質運動。對于細顆粒來講，這種作用強度是非常弱的，而粗顆粒與壁面的碰撞、顆粒的滾動、躍移都是比較強烈的，勢必大大增強對水流的干擾。4沙波運動沙波運動是沖積河流泥沙運動的重要形式，也是沖積河床阻力的重要組成部分，掌握了床面形態(tài)幾何特征與水流泥沙條件的關系，就能對沖積河床阻力、推移質輸沙率等一系列重大問題作出較合理的解答，因此，研究沙波運動規(guī)律就顯得至關重要。4.1沙波運動與推移質輸沙率的關系沙波運動是推移質集體輸移的表現(xiàn)形式。沙波是在水流作用下形成的，與水流強度息息相關。室內試驗表明：隨著水流強度的不斷增大，沙波尺度的變化過程大體是由靜平床床面沙粒聚集所形成的波高較小的沙紋，到波長、波高逐步增大的沙壟；在沙壟達到最大最高后，隨著水流強度的進一步增大，沙壟逐漸趨于衰亡，并形成所謂的動平床。在這一過程中，波高隨水流強度的變化呈先增后減的基本規(guī)律，但是推移質輸沙率與水流強度卻并不是線性相關的變化規(guī)律?，F(xiàn)有的多數(shù)研究成果僅能描述沙波隨水流強度增大而增加的變化，很少能全面反映其先增后減的全部變化過程。詹義正[[]詹義正.沙波波高隨水流強度變化規(guī)律的探討[J].武漢大學學報(工學版[]詹義正.沙波波高隨水流強度變化規(guī)律的探討[J].武漢大學學報(工學版)，2006,39(6):10-13.4.2波、流作用下的沙紋在海濱區(qū)，由于波浪和水流的作用，會產(chǎn)生多種的沙紋形態(tài)，這些不同形式的沙紋有著各種各樣的平衡斷面形式和尺度，在一些區(qū)域內它們互相轉化，但仍可歸納為兩種典型沙紋形式，滾動沙紋和渦動沙紋[[][]蔣建華、張立人，“沙波湍流場數(shù)值模擬及沙波運動趨勢探討”，海洋通報，1995年01期.波流共同作用下的脈動強度沿水深分布主要有兩種典型斷面，一種是脈動強度在近底處達到最大值，然后沿水深急劇減小到一定數(shù)值后，再沿水深緩慢減小，上部分的分布比較均勻，主要出現(xiàn)在波峰處；另一種是脈動強度從底部開始沿水深增加，達到最大值后沿水深逐漸減小，這種斷面會出現(xiàn)兩個或多個峰值，出現(xiàn)在兩個沙紋的沙紋波峰之間出現(xiàn)，它對應著存在分離渦的情形。5沖積河流的阻力水流的阻力常常通過周界的阻力系數(shù)來反映，阻力系數(shù)可以有不同的表達方式，其中包括謝才系數(shù)C，曼寧系數(shù)n及達西-韋斯巴赫阻力系數(shù)f，它們之間可以相互轉化：Cg=h16ng=這些阻力系數(shù)的一定表達形式就等于水流平均流速v和摩阻流速u的比值，而后者又可以通過流速分布積分得來，如由Kuelegan對數(shù)流速分布公式可得到VU*=5.75log12.27式中x為流態(tài)校正系數(shù)。因而水流的阻力也可通過床面粗糙度ks式（7）也可近似地用Manning-Strickler公式表示：VU*=7.68hks沖積河流的阻力計算方法可分為兩大類，一類是按不同的阻力單元，如沙粒阻力、沙波阻力等，分別計算其阻力，然后再疊加組合，該途徑在機理上比較明確，各種因素的變化可以分別考慮；另一類是直接計算總阻力，雖然未考慮阻力形成的機理，但由于該途徑計算簡單，實際工程設計和研究中也有應用。5.1沙粒阻力沙粒阻力即為床面的表面阻力，一般均采用清水定床時的水流阻力計算公式。有兩種形式的公式，一是對數(shù)公式，即式（7）；二是指數(shù)公式，即式（8）。值得注意的是，式（7）可適用于紊流各區(qū)，而式（8）僅適用于粗糙區(qū)紊流，且水流屬粗糙區(qū)紊流時，式（7）和（8）在2<hks<1500的范圍以內區(qū)別不大，但式（8）不需試算，而式（7）需試算。沙粒阻力計算的關鍵在于上述各式中，沙粒粗糙度ks'的選取。目前在的選取上，還有不同的認識，結果也相差很大，但一般都可用ks'=mdr來表示，式中dr表示某一床沙代表粒徑。如Einstein取m=1，r=65；Engelund取m=2.5，r=60；Ackers-White取m=1.25，r=35；Karnphuis取[]DiplasPanayiotis,DanceyClintL,CelikAhmetO,ValyrakisManousos,GreerKrista,AkarTanju.Theroleofimpulseontheinitiationofparticlemovementunderturbulentflowconditions[J].Science,2008,3225902:.5.2沙波阻力隨著水流強度的變化，動床床面會出現(xiàn)沙紋、沙壟、動平整、沙浪等沙波形態(tài)。床面形態(tài)的不同，河床水流阻力也會隨之而變化，這主要是由于沙波阻力的變化造成的。因沙波阻力大小直接與沙波的幾何形態(tài)尺寸相關，因此Vanoni-Hwang，Chang、郭俊克和惠遇甲[[]郭俊克，惠遇甲.沙壟阻力的理論分析與試驗研究[J].水動力學研究與進展，1990,6(1):1-12.]等根據(jù)實測資料建立了沙波阻力系數(shù)與沙波幾何尺寸[]郭俊克，惠遇甲.沙壟阻力的理論分析與試驗研究[J].水動力學研究與進展，1990,6(1):1-12.5.3新方法、新理論在泥沙研究中的應用河床阻力問題是泥沙運動力學基礎理論研究的重要內容，其理論框架在50年代已基本形成，而且在70年代以前已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，在最近的20年內，除一些零星的重大成果外，并無突破性進展[[]黃才安[]黃才安,嚴愷.動床阻力的研究進展及發(fā)展趨勢[J].泥沙研究,2002,04:75-81.國內外學者提出的沖積河流阻力計算方法，各家理論及公式各有所長。目前泥沙研究已經(jīng)發(fā)展到從百家爭鳴向成熟轉變的階段。利用大量的野外和實驗資料對各家理論和計算公式進行檢驗和對比，篩選和推薦適用范圍大，精度高，且結構合理的理論和公式，將推動泥沙理論在工程上的應用。如錢寧對推移質公式的比較，雖然其比較僅限于無沙波的平整床面情況，但其比較結果還是大大加深了對推移質理論的認識。同樣對于沖積河流阻力問題，也應通過分析評價各家理論，開發(fā)專用計算機軟件對各家公式進行驗證和對比，將使泥沙運動理論獲得質的提高。自80年代以來，人們注意到研究領域里的兩個值得注意的趨向和特點。一是許多學科前沿難題的突破，大多得益于學科(包括有關的邊緣學科)間的交叉滲透，如泥沙運動力學與環(huán)境學交叉產(chǎn)生的環(huán)境泥沙學；另一個則是一些新理論、新方法日益活躍地滲入或被引入各類工程技術難題的研究。在這方面四川大學水電學院作了一些探索，他們將模糊數(shù)學理論、分形理論等引入泥沙研究中。泥沙運動理論，目前的研究大多借助于公式表示出來。就目前泥沙運動理論的發(fā)展水平，人們已充分認識到?jīng)_積河流阻力問題，是一個復雜的非線性系統(tǒng)，光靠簡單的公式有時是很難得到較高的預測精度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)理論則模仿人腦的思維，作出判斷和預測，它可以借助有限的實測資料獲取經(jīng)驗，揭示輸入資料潛在的效應和變化趨勢，無須用戶建立函數(shù)關系，并能自行確定“經(jīng)驗”的使用范圍，對復雜的非線性系統(tǒng)尤為有效。近百年來，全球范圍內已積累了大量的實驗室和天然河道的輸沙資料，為充分發(fā)揮這些數(shù)據(jù)庫的作用，因此將ANN理論運用到泥沙研究中來應該受到足夠的重視。6泥沙的起動河口海岸區(qū)多為沙、粉沙和淤泥所覆蓋，在波浪作用下極易起動。波浪作用下的泥沙起動問題，是河口海岸動力學中的一個基礎問題，也是開發(fā)河口海岸資源時首先需要明確的問題，又是泥沙研究中的前沿課題。多年來國內外學者對此問題進行了大量試驗研究，然而由于缺少對泥沙顆粒受力情況的全面考慮，使所得公式不具備普遍性，制約了學科的發(fā)展和工程上的應用。作者曾通過對水流作用下床面泥沙顆粒受力情況的全面分析，導出了水流作用下粗細顆粒泥沙的起動公式。該水流作用下的起動摩阻流速公式為[[]竇國仁[]竇國仁,竇希萍,李禔來.波浪作用下泥沙的起動規(guī)律[J].中國科學E輯:技術科學,2001,06:566-573.u*c=kΔΔ*1式中Δ為底部糙率高度，Δ*=10mm，ρs和ρ分別為顆粒和水的密度，g為重力加速度，d為泥沙粒徑(即中值粒徑)，β為泥沙密實系數(shù)，?0為黏結力參數(shù)，6.1泥沙起動的判別從理論上講，與起動臨界條件相應的輸沙率應為零，但這樣的標準實用意義不大。因為，即使在水力指標遠較Shields所規(guī)定的泥沙起動指標為小的前提下仍有泥沙運動，只不過運動強度較小而已。因此，所謂的起動臨界條件，實際上總是反映一定的顆粒運動強度，或其處于運動狀態(tài)的概率。在清水沖刷條件下，泥沙的起動就是床面粗化的開始，起動過程又是河床組成不斷變化的過程。因為，在水力因素不變的情況下，隨床面粗化程度的加大，輸沙率越來越小，對同一粒徑級的泥沙顆粒來說，起動概率越來越小。在有泥沙補給的條件下，情況更為復雜，從而使得起動的判別標準更難確定。故將起動標準定為一個常量，在理論上還需進一步探討。一般影響泥沙起動的因素主要有兩個方面，即水流條件和泥沙條件。對水流條件原來僅考慮平均流速，現(xiàn)在考慮了脈動及其所對應的概率，從理論角度上看，是比較合理的。但還有一個重要的因素，即泥沙條件，考慮得不是很完善。如對均勻沙，當某個顆粒完全暴露于床面上時與其完全隱蔽時，或位于某個位置時，即使水流條件相同，其起動條件也不同。這說明對于一定粒徑的泥沙顆粒，在一定的起動標準下，其起動條件并非為一個常量，而是隨泥沙顆粒在床面的相對暴露度而變。對非均勻沙，不但與泥沙顆粒在床面的相對暴露度有關，且與級配有關。7推移質運動水流與河床的交互作用表現(xiàn)為推移質輸移運動，因此推移質運動對河床沖淤演變有重要影響。河床演變的根本原因是輸沙的不平衡，更深層的原因是動床水沙兩相流的內在矛盾和非恒定流外部條件，即進口水沙、出口侵蝕基準與河床周界。在淤積和沖刷的發(fā)展過程中，河床和水流通過改變河寬、水深、比降及床沙組成，使本河段的水流挾沙能力與上游的來沙條件趨于相互適應，從而使淤積和沖刷向著停止的方向發(fā)展達到平衡狀態(tài)。由于輸沙的平衡狀態(tài)是相對的、暫時的，非平衡狀態(tài)的調整過程是永恒的，而床沙質輸沙率是動床水沙兩相流運動中的基本屬性特征量，所以很多學者都對確定推移質輸沙率有強烈[[]劉春晶[]劉春晶,曲兆松,李丹勛,王興奎.明渠非恒定流推移質輸沙試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2006,02:31-37.7.1推移質的運動特點推移質泥沙顆粒的主要運動形式有滑動、滾、躍動，其中跳躍運動是推移質運動的基本形。推移質運動屬剪切運動，以重力沿著水流運動方向的分力為推進力，向上的支持它的重量來自剪切過程中的粒間離散力，同時會對河床面產(chǎn)生大小為其浮重的作用力[[]劉明瀟[]劉明瀟,張曉華,田世民,孫東坡.推移質泥沙輸移研究回顧與展望[J].水運工程,2013,05:26-34.推移質的運動具有間歇性，推移質在不同的水動力條件下會分別以推移質及床沙的面貌出現(xiàn)，當它轉化為床沙時，從運動的角度來看，就出現(xiàn)了間歇。推移質與懸移質之間也存在交換，一顆泥沙在一個時候可以以推移的形式運動，另一個時候又可以以懸移的形式運動。但推移運動與懸移運動不只是泥沙運動位置的不同，在物理本質上存在差異。7.2推移質輸沙研究進展20世紀前中期，國內外眾多學者為推求推移質輸沙公式做了大量的研究，由于研究角度不同，推移質輸沙率公式形式千差萬別；但其理論基礎及研究方法還大多是在早期學者的研究基礎上開展的。有以下五方面的成果較為突出：（1）Mavis和Williams分別用近底流速ub、水面流速us表示推移質輸沙率，但由于ub、us在量測上的困難及定義上的不準確性，這兩個指標未能得到廣泛應用。（2）Perneeker-Volimers等[[]Ji.Chunning.NumericalSimulationofBed-loadTransportinTurbulentChannelFlow[J].ScienceChina[]Ji.Chunning.NumericalSimulationofBed-loadTransportinTurbulentChannelFlow[J].ScienceChinaTevhnologicalSciences.SCTS-2013-0169.（3）Bagnold等以水流功率為基礎推導出推移質輸沙率公式。Yang等認為在各類與輸沙率的相關關系中，單位水流功率與輸沙率的相關性最好。Acke-White、Engelung-Hansen、竇國仁等根據(jù)Bagnold水流功率理論也建立了推移質輸沙率計算公式。這些公式是在基本假設及力學分析基礎上得到，物理概念清晰，均采用無量綱的參數(shù)，對不同的水流條件有較好的適應性，在實際應用中可靠性較高。（4）Yang和Sayre根據(jù)Einstein引入步長和停留時間描述單顆粒泥沙做推移運動的概念，結合對床面形態(tài)的分析確定推移質輸沙率，建立了通用的一維隨機模型，模擬單顆粒泥沙沿沖積河床的運動，探索使用隨機法推求推移質輸沙率計算公式，主要是利用隨機模型確定推移質運動平均速度，然后利用沙波連續(xù)方程積分得到的公式計算推移質輸沙率。通過示蹤試驗或床面形態(tài)分析確定相關參數(shù)，計算推移質移動的平均速度。（5）Parke等提出了等可移動性的假設以推導推移質或砂礫輸移公式。假定礫石河床河道里的推移質運動是通過暴露在床面上的沙粒的移動來實現(xiàn)的，只有在局部或大范圍內的沖刷使底層的沙粒暴露于床面時，底層沙粒才可能參與推移質運動。將推移質泥沙的粒徑分布近似為底層中提供的且同一粒徑的大部分能夠被水流移動的砂礫的全體。8懸移質運動懸移質是依靠水體紊動擴散作用維持懸浮運動的泥沙。黃河千支流及室內試驗中得的資料表明，高含沙水流的懸移質含量可達數(shù)百至上千公斤立方米。而適用于低含沙水流中的某些概念，不能解釋這種高含沙水流[[]王兆印.[]王兆印.懸移質運動規(guī)律的分析[J].水利學報,1986,07:11-20.含沙量達幾百甚至上千公斤每立方米的高含沙水流，可以主要是懸移質運動，或中性懸浮質運動，或推移（層移質）運動，視泥沙來源中粘性細顆粒的含量及流動的能量供應而有別。但是管道輸沙和黃河干支流中的高含沙水流，主要運動形式仍然是懸移質運動，這是因為懸移質運動消耗能量最少的緣故。這里，不討論某些高含沙水流的特征，如屈服應力、及其產(chǎn)生的后果，因為它主要與中性懸浮質運動有關[[]WUYongsheng,WANGZhaoyin[]WUYongsheng,WANGZhaoyin,LIANJijian,ZHANGQinghe.Theeffectofsuspensiononmeanvelocityprofile[J].ScienceinChina(SeriesB),2001,S1:99-106當發(fā)生高含沙洪水時，由于紊動強烈，含沙量很大，還可能有一些粘性細顆粒，較粗的泥沙也可能成為沖瀉質。有時，如同推移質或床沙那樣的顆粒，在當?shù)氐哪嗌碀舛认鲁了贅O小，而紊動擴散強烈，Z值很小，一旦懸浮，很容易帶走，成為沖瀉質。當推移質被帶走后，床面失去了推移質運動產(chǎn)生的離散壓力的保護，直接遭受強烈紊動的高含沙洪水的連續(xù)沖刷。如果床面上有少量粘土把床沙粘結成團，并且水流紊動和沖刷力很強，河床就會被一片一片地掀起帶走，直到河床粗化到表面上有了一層顆粒比懸沙粗得多的、新的推移質保護層，或者達到某一抗沖刷力很強的土層，沖刷才會停止。這種現(xiàn)象就是“揭河底”。由此可以推論，高含沙水流發(fā)生“揭河底”的條件是沖刷前床沙在相應水流條件和來沙條件下，Zb值小于0.06，床沙一旦懸浮，可以成為沖瀉質。9水流挾沙力在一定的水流及邊界條件下，能夠通過河段下泄的沙量稱為水流的挾沙力。水流挾沙力應該包括推移質及懸移質在內的全部沙量。水流挾沙力是泥沙研究領域里的一個非常重要的課題。水流挾沙力是平衡條件下水流挾帶泥沙的濃度，也就是水體具有挾帶造床懸浮泥沙的能力。從不同角度出發(fā)，水流挾沙力計算公式有幾十種之多，但由于各種理論、經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式所考慮的因素不同，使得挾沙力表達形式受時空限制而導致針對性較強，至今尚未得到滿意的具有普遍性的研究結果。一般計算水流挾沙力時，對不同水域，同一水域不同位置或同一位置不同時間段，高、中、低含沙水流等不同情況分別采用不同形式或不同指數(shù)的挾沙力關系式，以求得一個更符合當?shù)貙崪y資料的表達形式[[][]李瑞杰,羅鋒,周華民.水流挾沙力分析與探討[J].海洋湖沼通報,2009,01:88-94.9.1挾沙水流的兩種模式明渠挾沙水流是由液相水體和固相顆粒在重力和邊界條件約束下，相互影響、相互制約而形成的運動體系。由于明渠邊界條件（形狀、坡度、粗糙度等）多種多樣，水流紊動結構復雜，顆粒特性（密度、粒徑大小及級配分布、形狀等）也千差萬別，因此顆粒和水流之間的相互作用非常復雜。根據(jù)不同的實踐要求，可以對紛繁復雜的挾沙水流采用不同的研究模式，即渾水模式和兩相流模式。當懸移質顆粒粒徑非常細小、垂向濃度分布比較均勻時，挾沙水流在一定程度上呈現(xiàn)出偽一相流的特點。如果直接將固相顆粒和液相水流的混合體當作一種新的流體來看待，能在一定程度上滿足工程實際的要求，同時會給研究帶來很大的簡化，對挾沙水流的這種研究方法稱為“渾水模式”。最直觀的做法是把混合流體的密度定義為水和顆粒的質量加權平均值，這樣在流體力學中對單相流運動建立的一些方程及求解方法就可以直接運用于混合流體，從而得到混合流體的運動特性。過去大多試驗手段所能測量到的結果也往往是混合物的運動特征值。采用渾水模式研究挾沙水流，問題得到了很大的簡化，卻不能從機理上反映兩相共存時的相互影響，也就無法得到水和沙兩相各自的運動特征。隨著兩相流理論的不斷發(fā)展，泥沙工作者開始應用兩相流模式來研究挾沙水流。所謂的挾沙水流研究的兩相流模式，是把固相顆粒和液相水體分離開來分別建立基本方程，并通過兩相之間的相互作用力將兩組方程加以聯(lián)系。求解兩相分立的方程就可得到顆粒和水流各自的運動特征量?，F(xiàn)代量測儀器已經(jīng)能在不擾動流場的情況下，同時得到兩相各自的運動信息[[]LEEHongyuan,YUWei.VelocityProfileofSediment-LadenOpenChannelFlow[J].InternationalJournalofSedimentReasearchVolume6,No.1,march1991.[]LEEHongyuan,YUWei.VelocityProfileofSediment-LadenOpenChannelFlow[J].InternationalJournalofSedimentReasearchVolume6,No.1,march1991.雖然由于固液兩相之間的相互作用、相互制約關系非常復雜，目前基于兩相流概念對挾沙水流的研究，無論是理論分析還是試驗研究，都還處于發(fā)展階段，甚至在許多基本問題上都還沒有取得一致的認識。但是相對于渾水模式，兩相流模式在概念上更加清楚，在描述上更加嚴密，有助于人們深入理解挾沙水流運動的內在機理。9.2高含沙水流挾沙能力所謂高含沙水流是指在挾帶一定粘性細顆粒、具有高濃度固體顆粒的一種復雜挾沙水流，也是一種典型而特殊的固液兩相流動。而水流挾沙能力是指在一定的水流泥沙條件下單位水體所能挾帶和輸送的全部泥沙數(shù)量，是涉及水流、泥沙及河床邊界條件為一體的綜合性參數(shù)。與一般挾沙水流相比，高含沙水流挾沙能力要復雜得多。一方面，受水流紊動的擴散作用，使得泥沙得以懸浮和輸移，高含沙水流挾沙能力的形成正是來自于這種水流的動力因素[[]舒安平,費祥俊.[]舒安平,費祥俊.高含沙水流挾沙能力[J].中國科學(G輯:物理學力學天文學),2008,06:653-667.10泥沙的存在對水流的影響挾沙水流流速沿垂線的分布是挾沙水流理論研究中的重要問題之一。Prandt了、Coleman[[]CaoZhi-xian,XiHe-Zhong,ZhangXiao-xian.VelocityDistributionsofSuspendedSediment-LadenFlowsInOpenChannels[J].JournalofHydrodynamics,Ser,B,4(1997),37-45]、Zagustin、張紅武等通過不同的混合摻長得到較多的半經(jīng)驗半理論的研究成果，除常見的對數(shù)流速分布公式外，還有雙曲正切函數(shù)、拋物線、指數(shù)分布等形式。20世紀20年代，[]CaoZhi-xian,XiHe-Zhong,ZhangXiao-xian.VelocityDistributionsofSuspendedSediment-LadenFlowsInOpenChan