冲积河流悬移质泥沙与床沙交换机理及计算方法研究论文

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1、冲积河流悬移质泥沙与床沙交换机理及计算方法研究论文摘要：本文在分析前人研究成果的基础上，从非恒定挟沙水流沙量平衡入手，建立了冲积河流悬移质泥沙与床沙交换关系表达式，并引入平衡冲淤物粒径的概念，对冲淤物粒径的计算方法进行了系统分析，提出了一整套计算非恒定挟沙水流悬移质泥沙与床沙交换的模式与方法，同时将该方法引用到数学模型中，采用黄河下游典型洪水进行了验证。关键词：悬移质泥沙床沙交换机理平衡冲淤物粒径1引言悬移质泥沙与床沙交换机理及计算方法.freel为粒径分组数；σv为垂向紊动强度，原作者取σv=u*。在已知床

2、沙级配的条件下，根据式(1)计算出悬沙中床沙质级配后，再由全沙挟沙力乘以挟沙力级配Pi即可得出分组挟沙力，进一步采用非饱和输沙模型计算河段内的冲淤，尔后根据冲淤结果调整床沙级配作为下一时段的计算依据。钱意颖、曲少军、张启卫、韦直林4提出的分组挟沙力计算方法在数学模型计算中也颇有应用价值。但应该承认，水沙运行过程中，各粒径组泥沙是相互影响的，人为地分组后分别计算显然与实际出入较大。特别象黄河这样的多沙细沙河流，细颗粒泥沙对水流流变特性及挟沙特性影响尤为显著。此外，现有通过计算分组挟沙力来确定泥沙级配的方法多应用

3、于恒定流模型，而天然河流一般为非恒定流，泥沙级配不仅沿程变化，而且还随时间变化，故此进一步研究悬沙与床沙交换机理有重要意义。2冲积河流床沙与悬沙交换模式及计算方法初步研究2.1悬沙与床沙交换过程中悬沙粒径变化规律研究如图1所示，取1-2之间的δx微段，Q为流量；S为含沙量；A为过水面积；Ψ(d)为悬移质泥沙粒径分布函数；δt为时间微段；ρ′为冲淤物干容重；A0为横断面淤积面积；Ψc(d)为冲淤物粒径分布函数；qL、SL、ΨL(d)分别为侧向入流单宽流量、含沙量、入流悬沙粒径分布函数。则δt时段内，δx河段上d

4、i的净流入量P1为(3)微段δx的水体沙量增加中粒径为di的泥沙所占的量P2为(4)侧向入流与冲淤使di的增加量P3为(5)由质量守恒原理，则P1+P3=P2，将式(3)～(5)代入，两边除以δxδt，并忽略微小量，整理得(6)?式(6)两边乘以di，并对d积分后化简，同时将悬沙平均粒径、冲淤物平均粒径、侧向入流泥沙平均粒径代入可得?(7)根据多元函数求导法则将上式展开，并代入泥沙连续方程，进一步化简得(8)采用式(7)或式(8)即可计算任一时刻任一断面的悬沙平均粒径大小。对式(6)两边乘以/$d2i/$,积

5、分后并取悬沙粒径二阶圆心距；冲淤物粒径二阶圆心距；侧向入流泥沙粒径二阶圆心距，则化简可得?(9)或(10)求得进口ξd过程后,即可依据式(9)或(10)计算出任一时刻任一段面的悬沙粒径二阶圆心距。2.2床沙与悬沙交换过程中床沙粒径变化规律研究取单位宽度的断面，设δt时段床沙交换层厚度为Hc；河床高程为Z；床沙粒径分布函数为Ψ(Di)；床沙平均粒径为Dcp。则对于Di的泥沙含量,瞬初x1=HcΨ(Di);瞬末；冲淤部分。由质量守恒知x2-x1=x3,同时等号两边同除以δt，可化简为?(11)式两边乘以Di并对D

6、积分得上(12)根据多元函数求导法则把式(12)展开，并将代入，可得(13)?采用式(13)即可计算出床沙粒径变化过程。同时，对式(11)两边乘以，并对D积分可导得?(14)式中ξD为床沙粒径二阶圆心距。采用式(14)即可计算出床沙粒径二阶圆心距的变化过程。2.3冲淤物粒径dc的确定天然冲积性河流的悬移质泥沙与床沙交换的过程中，当河床冲刷时，悬沙中较粗颗粒仍会落淤下来，而河道淤积时，床面上也有部分细颗粒由床面被水流冲起，当冲淤平衡时，也存在部分悬沙与床沙不停地进行着交换，只是落淤的悬沙与冲起的床沙的质量与粒径

7、大小相等。由式(8)、(13)可知，推求悬沙与床沙的变化规律集中反映在冲淤物平均粒径dc的确定上。天然河流的悬沙一般较床沙为细，dc应介于Dcp与dcp之间。当冲淤平衡时，冲淤物平均粒径可定义为平衡冲淤物粒径，采用dph表示。2.3.1淤积时dc的计算方法进一步分析可知，河床发生淤积时，dc应介于dcp与dph之间。当淤积强度较小时，dc接近于dph，当淤积强度较大时，dc接近于dcp，于是可初步确定dc的如下关系式dc=mdcp+(1-m)dph(15)式中m为介于0～1之间的权重系数，其取值大小应与相对淤

8、积强度有关。若令初始单位面积柱体中水体的含沙量为S，水深为h，则水体中含有的泥沙总量为hS；河床淤积后，落淤在河床上泥沙的厚度为Δz，则淤积泥沙质量为Δzρ′。于是可将m表示为如下关系式m=(Δzρ′/hS)k(16)式中k为指数。进一步可求出淤积后水体中剩余部分泥沙的平均粒径为d′=(hSdcp-Δzρ′dc)/(hS-Δzρ′)(17)在含沙量不太高的情况下，悬沙淤积时分选作用较明显，当Δzρ′