泥沙动力学方法及其对河控三角洲成因研究的启示

关键词：沉积动力学；泥沙动力学；数值模拟；模型试验；现场观测；

河口是湖泊最为活跃的沉积中心，受河流、潮汐、波浪等因素影响，水动力状况复杂。泥沙动力学主要研究泥沙在重力、河流、波浪作用下的侵蚀、搬运和沉积规律，其理论分析思路和研究方法可为深入理解河控三角洲“湖岸线控砂”机理、“动力-沉积-地貌”过程及生长模式提供借鉴。

湍流是包括河流在内地表水体运动的主要形式，由近乎无穷多尺度漩涡构成，具有三维非定常随机不规则有旋流动的特点，其动量、能量和质量的传递速率远高于层流，表现出极强的摩擦阻力和能量损耗。沉积作用是多变量的函数，其数学表述是沉积学重要的探索方向。适当的简化是降低水沙运动规律研究难度的前提和必要条件，从泥沙动力学统计规律出发，河流流速正比于坡降的1/2次方和水力半径的2/3次方，反比于河道表面的糙率（曼宁公式），坡降和水力半径自调整并成反比。反映河流搬运能力的单宽输沙率正比于流速的4次方，或可搬运的最大推移质泥沙粒径正比于流速的2次方（艾里定律）。河流流速取决于坡降、水力半径和糙率，流速控制了泥沙的冲刷、搬运和卸载。分析河口沉积动力过程中，可将其分解为事件沉积(河流惯性挟沙及卸载)和背景沉积(波浪、潮汐等水动力对泥沙再搬运及卸载)。讨论事件沉积时，可将微观上复杂的河流湍动射流入湖过程简化为宏观上具一定宽度（B0）、深度（H0）、初始流速（ν0）、动力黏滞系数（μ）的一维非恒定流水平射入湖泊。河口水体空间任意点的流速ν（x，y，z）将取决于河流的深度（H0）和初始流速（ν0）而非宽度（B0），是f（H0，ν0）的函数，进而可拟合出ν（x，y，z）与f（H0，ν0）的关系，相对复杂的沉积动力学问题将简化为水动力学问题。

数值模拟是通过简化流体物理性质的方法建立反映问题本质的力学模型，在连续性、动量和能量等方程的控制下，通过计算机数值计算和图像显示技术对流体运动进行模拟，得到复杂问题基本物理量（如流速、浓度等）空间分布及随时间变化，分析包含流体运动等相关物理现象的方法。在研究河口沉积动力过程中，该方法能够模拟河流、湖泊及受河流、潮汐、波浪等因素影响的河口水动力及泥沙输移等特征。

     现场观测是利用仪器设备对自然界固有流动现象系统的全尺度观测，测量诸如河道水流的流速、水深、含沙量及河道长时段冲淤变化等流动参数，精确的测量可为泥沙运动的理论分析和数学模型提供验证资料，是深入研究水流内部结构和运动机理的前提，能够用来分析河口水沙运动规律。考虑到沉积作用主要发生在洪水期，利用地形图套绘计算沉积体分布规律的思路，在多沙河流河口布设一定网度的规则测网，实测每一节点洪水期流速及洪水前、后沉积物表面高程，确定某洪水期速度场及沉积体形态规律，有助于直观理解河口沉积动力过程及三角洲生长模式。

     河工模型试验是在分析河流原型基础上，根据水沙动力学相似原理，模拟与原型相似的动力学条件，在实验室进行水沙动力学机制及沉积过程模拟，用来研究预测水库或河道的水流结构、泥沙运动规律、排沙特性、冲淤形态等，是研究河床演变、河道整治及洪水预测预演和水库运用方式等边界条件复杂问题，解决重大工程泥沙问题的主要手段。在河控三角洲沉积动力过程及沉积机理研究中，开展河工模型试验，设置不同的边界条件，在实验室还原自然界沉积物的沉积动力过程，给出流动现象并定性描述，显示运动特点及主要趋势；有助于理解不同类型砂体的形成过程、形成机理、展布特征及演化规律；河工模型试验难以给出半定量-定量描述，不合理的解释会导致对砂体成因及规模的误判。