河流大气系统两种湍流运动耦合探讨

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1、----------《水资源研究》第24卷第4期(总第89期)2003年12月--------------河流—大气系统两种湍流运动耦合的探讨邓联木（长江水资源保护科学研究所，湖北武汉430051）摘要：在天然河流大尺度紊动结构研究的基础上，同时应用水文气象和近地层大气湍流结构的有关研究成果，以大型水利工程对生态环境的影响为背景，以河流—大气为整体体系，探讨两种湍流运动的各自特征及两者的耦合，并根据动量传递理论提出了稳态情况下一种简单的耦合模式方程与解法。可为大型水利工程对当地水文气候和水资源的影响评价提供一个方面的理论依据，帮助流域生态环境的保护与改善，增强水利与水

2、资源可持续性发展能力。关键词：河流；大气；系统；湍流；耦合；反馈机制；动量传递1研究目的与方法自20世纪70年代以来，国内外科技界在高坝大库对河流生态环境的影响问题上产生了不同意见的激烈争论。一种意见认为，修建大坝、特别是在大江大河干流上修建高坝大库会破坏河流生态环境系统的平衡，对气候产生不良影响，引起库区上游降水量减少等问题。另一种意见认为兴建水库造福人类，不会对河流生态环境系统产生大的影响，气候的变化是受大气环流控制的，与水库的兴建无关，降水量的减少是大范围气候变化所致，而不是水库本身或人类活动等影响。孰是孰非？至今双方都还没有理论依据。笔者统计分析了大量巳建水库资

3、料发现，河流拦蓄后，普遍引起了库区上游降水量和径流量的显著减少，而且减少的程度与河流被拦蓄的规模有关，拦蓄规模越大(即水库总库容与年径流量的比值越大），减少的程度也越大。但全流域的径流量并没有减少，只是流域降水量与径流量的时空分布发生了显著变化，表现在水库上游减少，而不受拦截影响的下游却不但没有减少甚至还有所增加。其中，也有个别相反的例子，即水库上游降水量与径流量显著增加。所以，笔者认为，水库引起库区上游降水量与径流量显著变化的主要原因，可能不是大范围气候变化所致，用“水库湖泊效应”等原因也难以解释通；有可能是水文气候因子，即河流的环境气候系统中物质与能量的湍流输送机制和反

4、馈机制发生了改变的原因。在国外，例如美国科技界，不但研究大坝对流域局地气候、降水量、径流量与生态系的影响，还进一步研究大坝对大尺度水文影响及地区性河川径流情态与水文气候有关的理论问题，如海洋振动（即厄尔尼诺与拉尼拉现象）与局地气候、降水量及河川径流量的关系，大尺度大气环流模式与流域局部干旱及河川枯水径流的关系，局部反馈机制与大尺度气象条件之间的相互作用，全球尺度和中尺度气候现象与流域局部天气、河川径流及生态过程的耦合现象，等等。因此，2002年国际水力学会新加坡学术会议提出，21世纪水科学中需要重点研究的6大重点课题之一是，将水与气作为一个系统来研究，通过界面切应力作用产

5、生大尺度涡而形成湍流输送机制，借以产生新的理论和技术，帮助改善全球的生态环境和增强可持续性发展能力。以上问题的研究，大部分还只处于现象的观察、数据统计分析和经验关系式的推求阶段，有待于从理论上深入研究，如反馈机制的原理与过程，需要从理论上进行研究。因此，笔者提出了河流—大气系统，即河流与河谷近地层大气（或大气边界层）系统。这一系统与主要取决于大气环流运动的大尺度天气系统（500～5000km）和主要取决于下垫面特征的微尺度(小于1.0km）或小尺度(1～50km)大气系统既有联系又有区别，是介于两者之间的中尺度环境气候系统（50～500km）。这一系统中，水汽的输送虽然以

6、大气环流条件为背景，但要形成降水还必须有输入系统的响应，使水汽的输送在系统内形成辐合、即水汽输送的散度为负值。也就是说，河流—大气系统是以大气环流为背景条件的水汽输入响应系统，输送的能量除大气所接受到的太阳辐射能外还有天然河流的水能，输送的最主要形式是湍流运动，是靠湍流扩散作用完成的。因此，研究河流和大气两种不同流体湍流运动的结构特征及其耦合过程显得尤为重要。2天然河流大尺度紊动结构特征根据笔者采用多谱勒三维流速仪在长江干流三峡河道所作的大尺度紊动结构观测资料的分析，天然河流湍流运动具有如下的主要特征：(1)流速脉动过程和周期。实测流速脉动过程线反映出天然河流大尺度紊

7、动具有大小不同的准周期，可以看成为许多大小不同涡旋，具有不同周期或频率的谐波的叠加。脉动流速的周期函数近似表达式为：（1）或(2)瞬时流速的近似表达式为：(3)(4)展开为傅氏级数形式为：(5)写成指数形式为：(6)以上各式中，与为流速分量的脉动值与时均值；U′为以T为周期的脉动流速的振幅；ω为圆频率；φ为初相角；t为时间，以s计；ωn=nω；a0、an、bn分别为傅氏级数的积分常数。（2）概率密度函数。天然河流流速脉动的概率密度函数在一般自由紊流区可以用正态分布函数来描述，即：(