传统基础理论的优化与演进

(1)泥沙运动力学基本理论。挟沙水流属于固液两相流的范畴,因而固液两相流理论是研究泥沙运动的基础。在现代两相流理论建立之前,泥沙运动力学独立地发展着。两相流中关于固液两相流的基本方程、作用力分析及其应力本构关系的理论成果,极大地促进了泥沙运动力学理论的发展。将两相流理论的基本观点和研究方法,引入到泥沙运动力学的研究中,将会给泥沙运动力学的研究提供新的视角、并有助于其体系的严密与完善。

泥沙运动理论与实践结合紧密的特点,使得泥沙运动理论有别于固液两相流理论,它的内容更丰富,更独具创新性。悬移质、推移质、水流挟沙力、动床阻力等等都是一般两相流理论中没有的概念。这些概念是泥沙运动力学理论体系的基础,使得泥沙运动力学理论比固液两相流理论更生动,更便于在生产中应用。悬移质输沙理论、推移质输沙理论、水流挟沙力、非平衡输沙理论、动床阻力等是泥沙运动力学基础理论研究的重要内容,而且在20世纪80年代以前已经开始发展。该领域的理论研究应集中在两个方面。

1)对现有的理论成果或公式进行认真总结,“去伪存真”,“归纳提高”。国内外学者提出了各种泥沙运动理论和计算公式,如冲积河流的阻力,泥沙起动条件,推移质、悬移质和全沙挟沙力公式,河床稳定性,高含沙水流和管道输沙等。各家理论公式各有所长,各有其应用范围。因此,利用大量的资料或进一步的理论分析对这些公式进行归纳、总结,将推动泥沙理论在工程上的应用。例如,钱宁先生关于推移质公式比较的研究堪称范例,几家著名的推移质输沙率公式尽管基于不同的理论,但是都能转化为统一的结构形式,便于比较各家公式的适用范围及优缺点。关于动床阻力、水流挟沙力等,都已经取得不少成果,也应该进行类似的归纳总结工作。

2)对不成熟的理论应该进行深入研究,争取取得理论上的突破,例如非均匀沙的群体沉速、起动规律、非均匀推移质输沙率、床面附近泥沙(特别是非均匀沙)交换通量、二维水流挟沙力等。泥沙运动力学的主要理论和公式都是在水流恒定均匀的条件下建立的。而在自然条件下,泥沙都是在非恒定、非均匀流中输送的。这需要人们对非恒定流中的挟沙力、沙波运动和河床阻力、河床演变规律等深入认识。而且非均匀沙不平衡输沙理论、高含沙水流的运动理论、粘性颗粒泥沙的起动等还不成熟,也需要将来深入研究。(www.xing528.com)

(2)河流过程原理及调整规律研究。河流过程原理主要指冲积河流的自动调整原理。“水往低处流”形象地揭示了河流发源于高山峻岭,奔流到海不复返的自然规律。来水来沙作用于不同的边界条件形成了丰富多彩的河道演变现象。河床演变学就是研究河道演变过程,不仅仅停留在对现象的描述,而且更重要的是寻求控制河道演变规律的方法。

微观上的泥沙冲刷淤积、运动泥沙与床沙的交换,以及水流的非恒定性导致了河床的宏观形态和类型。如游荡型河流的发育是高强度输沙和输沙率大幅度变化的结果,弯曲型河流的发育是水流和输沙率关系较为稳定的反映,顺直型河流则代表了较强的边界约束。泥沙运动的变化必然引起河床形态的变化。因此,建立宏观上河流类型及河床演变规律与微观上泥沙颗粒的起动、输运和沉积特性之间的关系将为深入探求河床演变机理铺平道路。对处于不断蜿蜒展宽(或缩窄)的松散边界冲积河流来说,已有学者补充了一个能反映河流(横向)调整规律的动力学方程。20世纪80年代以来,以杨志达为代表的一批学者提出“能量耗散率极值”条件,建立补充方程来封闭动力学方程组,取得了明显的进展,为河流过程原理研究的重要方向。类似工作还有最小能量假设(Chang,1979),最大输沙效率假设(Kirkby,1977),最大挟沙力假设(White et al.,1982),最大摩擦因子假设(Davies and Sutherland,1983)以及最小作用原理(Huang and Nanson,2000)等。此外,自90年代以来,黄河频繁断流,河道断流引起河道萎缩,加重了黄河下游洪水灾害的危险。小水条件下黄河下游河道演变规律是一个全新课题,是值得高度重视的研究方向。