床面粗化过程中推移质输沙率脉动特性试验研究

Bed load transport rate is of central importance for river dynamics, and the study aims to reveal its fluctuating characteristics based on experimental work. The experiments necessitates new development of a high-accuracy, high-resolution system that achieves measurement of bed load rate through two comparable methods, i.e., electronic weight scale and image processing, and simultaneous monitoring of flow structure and bed form evolution through multi-channel camera deployment. The experiments involve sediment transport at both equilibrium and non-equilibrium conditions. Important parameters are to be obtained characterizing flow velocity, bed load rate, grain size, and bed forms. Based on these data, the influence of flow intensity and bed materials on bed load transport fluctuations is quantified and the relationship among bed load transport rate fluctuation, flow fluctuation, and bed form is proposed. The results help to clarify the inherent mechanism for armor breakup and reformation, and shed light to interpret the problematic underestimate of river scour in the downstream section of the Yangtze River.

推移质输沙率是河流动力学研究的核心内容之一，深入认识其脉动特性具有重要的理论与工程意义。本项目首先研发高精度、高频率的水沙同步测量系统，通过电子天平和高速摄像（图像处理）两种方式实现推移质输沙率的同步对比测量，通过配置多台摄像机实现水流-推移质-床面形态的同步耦合测量。在此基础上，试验研究平衡输沙和非平衡输沙条件下推移质输沙率的脉动特性。重点针对清水冲刷条件下床面的粗化过程，定量观测水流流速、推移质输沙率、床沙级配及床面形态等物理参量，深入分析水流强度与床沙组成对输沙率脉动特性的影响，揭示水流脉动、推移质输沙率脉动及床面形态之间的耦合关系，阐明床面粗化的形成与破坏机理。在试验研究的基础上，从一个侧面分析三峡大坝下游河道冲刷超出预期的原因。

床面粗化过程是江河治理中考虑的重点现象之一，其中的推移质输移脉动特性是河流动力学界非常关注的研究内容。深入探究和认识相关规律和机理，具有重要的理论价值和工程意义。天然河流床面粗化过程中的推移质输移脉动特征，与湍流相干结构、物理图景变化和水位流量关系等方面密切相关。基于深入的设备研发和多组次的系统性试验与分析，本项目取得了若干重要的研究进展与创新认识。（1）在顺直全透明可调坡的水槽中，设计建造了新型的无接触式水沙耦合试验观测系统；通过输沙实时监测和高频高精度图像采集及处理技术，实现了细化水流结构、推移质输移过程、三维床面形态图景的同步耦合观测。（2）深入了对水流结构的细化理解，作为较晚才被发现的湍流相干结构，超大尺度运动的流向波长大于3倍并通常可达10倍以上的流动单元，其对湍动能及应力的贡献很大，特别是在外区占据主导，在水沙耦合输运的过程中非常重要。（3）通过对比平衡与非平衡的输沙条件，揭示了推移质输沙率的脉动特征；若以较长的时间尺度观测，输沙率表现出三阶段性；若以较短的时间尺度观测，输沙率的脉动规律趋于复杂，其频率与幅值主要与水流强度、床面级配和二次破坏等因素密切相关。（4）在粗化层的二次破坏过程中，输沙率发生突变，床面级配中的粗颗粒比例也增大；随着流量级别的增加，粗化程度加剧。（5）量化了床面粗化对长江中游水位流量关系的影响，基于动量方程建立了综合阻力系数模型，与野外数据验证较好，从一个侧面分析了河道冲刷超出预期的原因。