拟序结构对泥沙运动的影响分析

观察表明，在沙波顶部产生的边界层分离在局部形成明显的压强梯度，这是该区域下游产生悬移质输运的主要原因。床面泥沙颗粒被上扬，有的还被外层分离水流捕获后远距离输运。包括沙波下游一次和二次分离流动在内的床面附近涡流起决定性作用，关键是短暂的拟序运动。由此可知，基于拟序结构制约作用的泥沙起动和悬浮运动的研究应是泥沙运动力学的一个重要方向。

Gyr和Schmid（1997）根据试验结果指出，泥沙输运与水流之间有回馈机制，这取决于床面剪切应力超过某个界限值的作用时间。各种拟序流动对泥沙输运有显著影响。Rashidi等（1990）应用流场可视化技术研究了颗粒和紊流的相互作用。河床上泥沙颗粒运动的发生与雷诺应力的峰值相对应，这取决于形成“清扫”冲击的决定性水流。很多研究记录了“清扫”与“条纹”之间密切的空间联系。

Gyr和Schmid指出，当Rouse数（=w/κu*，又称悬浮指标，其中w为颗粒沉速）大于1时猝发运动可输运比较大的泥沙颗粒。他根据对拟序结构的理解提出了多种泥沙输运方式（推移质、悬移质和冲泻质）的准则。试验发现聚苯乙烯颗粒加强了水流的紊动强度和雷诺应力。增加颗粒数量会加强上述影响。颗粒输运主要被“喷射”控制，而喷射来自壁面低速条纹的上举和解体。这些涡体沿着水流方向被拉长，上举时“腿部”与水平面的夹角约20°。如图2-23所示，位于低速条纹区域内的示踪颗粒会被倾斜上扬的涡圈举起并射入主流。

图2-23　拟序结构对泥沙运动的影响过程示意图

当颗粒回落边壁时，有的恰好碰上壁面“喷射”，又被上举。喷射反复进行，形成颗粒沿水流方向的悬浮输运。“清扫”冲击床面时，涡核负压很大，像泵一样抽吸泥沙悬浮。有的床面形态照片可见纵向条纹，有的像桔子皮，还有的呈箭头形状。

Nezu和Nakagawa（1997）从悬移质试验得出的结论是，如果Rouse数低于5，则猝发运动对床面附近的悬移质输运起决定性作用，频繁出现的喷射阻碍了泥沙沉降。大尺度涡动、特别是喷射过程对泥沙颗粒悬移机理的作用，值得进一步深入研究。明渠流动中的大尺度涡使梯度型扩散假设不再适用，特别是有时猝发可触及水流表面，直接影响悬移质泥沙的浓度分布。低Rouse数的情况下泥沙的移动会出现连续跳跃。在非恒定水流上升阶段，泥沙输运与下降阶段相比要强得多。(www.xing528.com)

在泥沙呈周期性的高输运率的情况下进行的测试表明“清扫”频率在整个水深中为常数，“清扫”现象随着壁面剪切应力的增加变得更加均匀。显然，含沙水流的紊流结构的特点需要更透彻的研究分析。据估计，壁面剪切流速的变化中有30%的部分是因为受到泥沙输运的影响而产生的。

即使是粘土含量很低也对流速分布有重大影响，会导致近底部流速梯度降低以致拖曳力降低。试验结果证明，在流体和悬浮的泥沙颗粒之间有速度差，泥沙的流向分速度比水体的流向分速度约小4%，含沙浓度高时速度差还会加大（Clifford et al 1993）。

在沙垅下游水流混合层中水流、泥沙输运和床面形态之间形成了反馈，这对沙垅的发展至关重要。有研究者试图将这些流动过程按其拟序结构的形态进行分类，采取流动显示描述涡体结构。Nezu&Nakagawa在床面为沙波形态的情况下，采用LDA系统和安装在壁面上的压力传感器，量测了流速—流速和流速—压力的空间及时间相关，对此种床面形态下的大尺度旋涡体（图2-24）进行了研究。

图2-24　床面沙波形态上的大尺度旋涡体示意图

试验室水槽中的大量流动可视化研究（如Sumer和Ogüz，1978）将紊动结构和猝发特征与床面附近的泥沙运动联系起来，获得了一些有意义的结论，即当紊动猝发自床面附近上升时，也夹带了那里的泥沙，如果泥沙的沉速较大，则在抬升过程中会很快回到河床床面，这样的泥沙就属于推移质。若泥沙沉速较小，则进入悬浮状态，在悬移质和床面泥沙或推移质之间存在着不断的交换。Heathershaw和Thorne（1985）、Lapointe（1992）曾通过安置在河流和海洋环境中近底床含砾砂的流速仪观测到了“象猝发那样的信号”。程和琴等（2000）利用声学悬浮泥沙浓度测定系统和高分辨率流速仪、旁侧声纳、热敏式双频测深仪等手段，对长江口南支-南港之间粗粉砂至极细砂在涨落潮流作用下的运动进行探测，获得了河口区连续时间序列的可视“紊流猝发”。探测结果表明，大、小尺度紊流的猝发特征（时间间隔和历时、频率和强度）与粗粉砂和极细砂的起扬运动、各种尺度沙波的形成直接相关。