河流演变的哲学原理-武汉大学

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1、河流演变的哲学原理黄河清中国科学院地理科学与资源研究所武汉大学，2017年11月10日报告提纲一、河流哲学的数学原理–最大输沙效率二、最小作用（量）原理三、一个基于河流哲学原理的推移质挟沙力四、极值假说百年之争与河型的多样性自然哲学走出了抽象、模糊概念牛顿的自然哲学的数学原理（1687）物质运动三大定律流体运动的数学原理伯努利方程通用方程（1726）明渠水流运动22VVpghchc22g明渠水流运动的数学原理无闭合解问题能量与质量守恒方程2V比能E、水深h、Eh2g流速VqVh明渠水流运动的数学原理比能最小理论比能-水深曲线(P.Boss,1919)（临界水深理论

2、）EE;minDDcVF1rgDc河流演化的数学原理是什么？基本运动方程需求解的变量水流连续性方程河宽、水深、水流阻力方程流速、河床比降泥沙运动方程长期以来无法解决的无闭合解问题张海燕(1979)的能坡最小假说与计算机数值分析方法基本方程QVA;1.34614VDRJ;Naqcbdooc张海燕(1979)的能量最小假说与计算机数值分析带来的困惑JJminBB为何直接m不能从三个简单的J~B方程中得到解析解B？0.011000m河宽BHuangandNanson(2000)的变分解析方法：利用不确定性和模糊原理特征化复杂河流过水断面形态变化具体思路：h宽深

3、比复杂形体=水深B/h模糊规则形体+--+++边界随机小扰动河宽B复杂形体的模糊B形态参数：h宽深比变分解析求解张海燕的计算机数值分析方法(HuangandNanson,2000)QsmaxmJminQVA;输沙曲线Q~s1.34614BVhRS;Nha能坡曲线qcbdoocJ~0.011000m宽深比理论推导与实际观测得到的河道过水断面形态的比较全球实际观测到的河道形态关系式水流最大输沙效率存在的通用性(HuangandNanson,2002,2004)水流输沙效率最大水流运动变化范围QQ;ssmaxQVA;JJminxyVcRJ

4、;fijqbcdooc;ee;maxoRSQseQJ所有的推移质输沙率公式都能产生合理的河道平衡形态吗?QsQsmax物理通用水动力关系式:JJ条件minQxyVcRJfAb0.5BaQj=?Qsjqcf0.33bdochcQBm0.17VkQ经验相关关系输沙量最大Q的水动力学条件smaxdQs0:docjcc1xj21j1xj0oji.e.j1xc21j线性特征冲积河流的线性特征A.河流达到输沙效率最B.H无量纲数大时泥沙运动与阻力相关联ocj1

5、xHBhxy0.3023VcRJ;低流态水流fH0.3077高流态水流jqbcdoc0.3125平床水流不同类型明渠水流运动的无量纲数无泥沙运动、无阻力的明渠水流qVhE–比能最小–临界水深EhV222gFr=1min无泥沙运动的明渠水流B/h=2J–能耗最小–最优水力断面minQVA8gVRJ冲积河流f（阻力+泥沙运动）jqcJmin–能耗最小–最优输沙断面bbocH=0.3我们的变分分析方法与极值假说方法的区别近百年来无法解决的著名无闭合解问题水流连续性方程河宽、水深、水流阻力方程流速与河床比降泥沙运动方程以往的理论分

6、析方法：“增加第四个方程”1.基于熵论、功与能耗的极值假说2.基于牛顿力学的微观力平衡分析极值假说与我们的变分分析方法的区别我们的变分分析方法极值假说方法（引入河道形态变分变量）（提出第四个方程）水流连续性方程极值假说方法JJmin水流阻力方程or泥沙运动方程QQ变分分析方法ssmax报告提纲一、河流哲学的数学原理–最大输沙效率二、最小作用（量）原理三、一个基于河流哲学原理的推移质挟沙力四、极值假说百年之争与河型的多样性如何从物理上解释水流输沙效率最大？书店里捡来的理论最小作用（量）原理最小作用（量）原理及其应用最小作用原理最小作用原理在量子力最小作用原理在学中的应用(Richa

7、rd(Pierre-Louis语言学中的应用Feynman,1942博士论Maupertuis,1746，(Zipf,1949提文,获得1965年诺贝尔柏林科学院院长)物理学奖)出最小努力原理)最小作用（量）原理在河流演变中的应用最小作用量原理–非牛顿力学牛顿力学(1687)(Pierre-LouisMaupertuis,1746)力+动量势能+动能Hamilton最小作用量原理的通用式:B原理Al,tEEdlaminimumkpA在地貌学