非均匀推移质瞬时输沙率试验研究

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1、水利学报2016年2月SHUILIXUEBAO第47卷第2期文章编号：0559-9350（2016）02-0236-09非均匀推移质瞬时输沙率试验研究许琳娟1，2，3，刘春晶1，2，3，曹文洪1，2，3（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100048；2.水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京100048；3.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100048）摘要：推移质输沙率是泥沙运动力学的重要内容。目前，推移质输沙率的研究大多集中于时均输沙率，对瞬时输沙率的研究则相对较少。首先，介绍了Ballio提出的均匀沙瞬时

2、输沙率的计算方法，对其进行推导得到非均匀沙瞬时输沙率计算公式；其次，通过非均匀沙水槽试验中得到不同颗粒泥沙的瞬时运动速度，代入改进的Ballio输沙率公式中，计算得到瞬时输沙率；然后，采用定义方法计算瞬时推移质输沙率，并与Ballio方法进行比较，结果表明两种方法得到的推移质瞬时输沙率较为接近，说明采用改进的Ballio方法计算非均匀推移质瞬时输沙率是可行的。同时，通过大量试验，揭示了非均匀推移质瞬时输沙率在时间上不稳定性、在空间上不均匀性以及运动过程中间歇性等特性。关键词：瞬时输沙率；非均匀推移质；输移特性；水槽试验；Ballio方法中图分类号：TV14

3、9文献标识码：Adoi：10.13243/j.cnki.slxb.201508381研究背景［1］推移质输沙率问题一直是河流动力学中的一个重要课题，是研究河流泥沙和河床冲淤规律的基础。天然河道中水流具有紊动性，河流中推移质颗粒以滚动、滑动和跳跃等形式随水流运动，其运动具有较大的随机性。在天然河流中由于边界条件的复杂性、水流条件的不可控性、以及测量方法的局限性，很难通过现场测量获得准确的推移质输沙率，很多学者转从室内水槽试验研究推移质颗［2］粒的输移特性。早期对输沙率的研究大多是针对平均输沙率来进行的［3-9］；随后一些学者对推移质颗粒的运动参数进行理论

4、分析，从推移质运动参数的随机性来研究推移质颗粒的输沙率特性。近些年来，许多研究人员通过室内水槽试验对推移质运动进行研究，模拟输沙过程，并对实测［10］资料进行统计分析，建立推移质输沙率公式，进行推移质输移过程的研究：段志科等通过水槽试验模拟了天然河道中卵石的输移过程，根据Einstein公式，建立输沙强度和水流强度参数的关系，给［11］出非均匀卵石推移质分组输沙率公式及计算过程。胡海明等讨论了非均匀沙的运动机理，建立了包含推移质和悬移质的全沙推移质输沙率公式，计算了分组输沙率，并用实测资料验证，结果合［12］理。王协康等在理论上分析了推移质输移的随

5、机性，通过水槽实验及实测资料研究了推移质输沙［13］率的脉动性，得出其遵循负幂律分布。刘兴年等引进粗化细化程度概念，结合床沙位置的特征参［14］数，研究非均匀沙粗化细化程度对推移质输沙率的影响。乐培九等［15］通过试验将推移质输沙率变化分为两个阶段，分别建立这两个阶段的输沙率公式。Abrahames等［16］提出基于Bagnold能量理论的推［17］移质公式，Bhattacharya等基于实测数据的人工神经网络训练得到的推移质公式等。程小兵等根收稿日期：2015-07-31基金项目：国家科技支撑计划课题（2013BAB12B01，2012BAB04

6、B01）；中国水科院科研专项（泥基本科研1540）；国家自然科学基金项目（11472310）；国家国际科技合作专项（2015DFR70980）作者简介：许琳娟（1984-），女，河南巩义人，博士生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：282957173@qq.com通讯作者：曹文洪（1963-），男，黑龙江黑河人，教授级高级工程师，主要从事江河治理与水土保持研究。E-mail：erosion@iwhr.com［18］据水槽试验研究了清水冲刷过程中的推移质输沙规律。徐海涛等通过水槽试验，研究了不连续宽［19］级配床沙的推移质输沙率，分析了不同水流

7、强度及不同床沙组成对水流输沙的影响。张红武等总结了推移质输沙率公式，在此基础上，结合能量平衡和能耗图，考虑影响推移质运动的因素，建立［20］了推移质输沙率公式。Ballio等认为以往在研究推移质输移规律时，常用到各种形式的质量守恒方程，但方程中计算输沙率的一些变量没有被具体确定。Ballio提出了输沙率公式的具体替代形式，给出瞬时输沙率的计算公式和时均输沙率的计算公式，通过水槽试验得到一些数据来计算输沙率，并与其它公式进行比较，说明Ballio提出的计算输沙率公式的准确性。综上，目前对推移质输沙率的研究大多集中于时均输沙率，对瞬时输沙率的研究则相对较少。

8、本文通过大量的非均匀推移质输沙率水槽试验，量测不同泥沙颗粒的运动轨