作者姓名：楊克君
　　論文題目：復(fù)式河槽水流阻力及泥沙輸移特性研究
　　作者簡(jiǎn)介：楊克君，男，1973年7月出生，2003年9月師從于四川大學(xué)曹叔尤教授，于2006年6月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　由沖積河流主槽和河漫灘組成的復(fù)式河槽在調(diào)節(jié)洪水、削減洪峰、貯存泥沙等方面不同于單一河槽。復(fù)式河槽隨著流量增大、水位抬高，當(dāng)水位超過(guò)灘地高程時(shí)洪水漫灘，產(chǎn)生水流結(jié)構(gòu)、水流阻力、泥沙輸移和河床演變的一系列復(fù)雜變化。研究復(fù)式河槽水流泥沙的復(fù)雜行為可以豐富和完善水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河床演變學(xué)的研究?jī)?nèi)容，有重要的學(xué)術(shù)意義。其成果對(duì)防洪工程、航道整治、城市生態(tài)水利建設(shè)及河灘地合理開(kāi)發(fā)利用等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要問(wèn)題，有著廣闊的應(yīng)用情景。本文系統(tǒng)地研究與探討了復(fù)式河槽水流阻力、動(dòng)量交換機(jī)理、過(guò)流能力、植被作用下的復(fù)式河槽水流特性以及全動(dòng)床復(fù)式河槽水流阻力及泥沙輸移特性。其主要研究?jī)?nèi)容為：
　　1．復(fù)式河槽水流阻力研究
　　(1)?復(fù)式河槽阻力系數(shù)研究。分析與討論了曼寧系數(shù)和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)。通過(guò)分析英國(guó)科學(xué)工程研究協(xié)會(huì)洪水水槽設(shè)施?(SERC-FCF)?的大量的試驗(yàn)資料，建立了綜合阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)和斷面形態(tài)、床面粗糙度之間的關(guān)系，并指出單一河槽法與斷面分割法不能準(zhǔn)確估算復(fù)式河槽過(guò)流能力，其原因在于前者沒(méi)有考慮阻力系數(shù)隨水深的變化特性，而后者忽略了因?yàn)┎蹌?dòng)量交換而產(chǎn)生的附加阻力。分析表明，復(fù)式河槽阻力系數(shù)是雷諾數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，但這種函數(shù)關(guān)系與單一河槽是不同的。
　　(2)?復(fù)式河槽綜合糙率計(jì)算方法比較與分析。系統(tǒng)地總結(jié)了推求復(fù)式河槽綜合糙率的各種典型方法。根據(jù)是否考慮動(dòng)量交換及所需的斷面幾何參數(shù)，綜合糙率計(jì)算方法可以簡(jiǎn)單地分為若干類。運(yùn)用大量的復(fù)式河槽水槽試驗(yàn)資料和野外實(shí)測(cè)資料，驗(yàn)證了上述各類方法的有效性，并討論了斷面分割類型對(duì)綜合糙率計(jì)算的影響。推求復(fù)式河槽綜合糙率時(shí)，每類方法都將帶來(lái)一定的誤差。在各類方法中，Lotter方法類與斷面分割類型密切相關(guān)，而　Einstein-Banks方法類與斷面分割類型無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)各類方法比較和分析，發(fā)現(xiàn)這些方法估算復(fù)式河槽綜合糙率誤差大，并對(duì)這些方法產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。
　　2．復(fù)式河槽動(dòng)量交換機(jī)理研究
　　(1)?復(fù)式河槽動(dòng)能損失強(qiáng)度分析。為了反映動(dòng)能損失的強(qiáng)度，針對(duì)恒定、均勻、紊動(dòng)水流，提出了橫向動(dòng)能校正系數(shù)和動(dòng)能損失率的概念。通過(guò)分析復(fù)式河槽動(dòng)能損失的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，復(fù)式河槽橫向動(dòng)能校正系數(shù)大于1和動(dòng)能損失率大于0。通過(guò)分析英國(guó)SERC-FCF系列試驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)，橫向動(dòng)能校正系數(shù)和動(dòng)能損失率與復(fù)式斷面形態(tài)有關(guān)。動(dòng)能損失強(qiáng)度隨著主槽邊坡系數(shù)的增大而減弱，隨著灘槽寬度比的增大而增強(qiáng)。對(duì)稱復(fù)式河槽的動(dòng)能損失強(qiáng)度大于非對(duì)稱的復(fù)式河槽。對(duì)于所有斷面形態(tài)，動(dòng)能損失強(qiáng)度先隨相對(duì)水深的增加而增強(qiáng)，后又隨著的相對(duì)水深的增加而減弱，最終表現(xiàn)出單一河槽的特性。
　　(2)?復(fù)式河槽動(dòng)量輸運(yùn)系數(shù)研究。從Boussinesq假定出發(fā)，并結(jié)合灘槽交互區(qū)流速分布特點(diǎn)，導(dǎo)出復(fù)式河槽動(dòng)量輸運(yùn)系數(shù)的表達(dá)式；接著根據(jù)力的平衡，導(dǎo)出垂向表觀剪切應(yīng)力的表達(dá)式；運(yùn)用SERC-FCF大量的水槽實(shí)驗(yàn)成果，分析了動(dòng)量輸運(yùn)系數(shù)隨相對(duì)水深及灘槽寬度比的變化關(guān)系；最后根據(jù)獲得的動(dòng)量輸運(yùn)系數(shù)關(guān)系，利用劉沛清方法計(jì)算復(fù)式河槽過(guò)流能力。計(jì)算結(jié)果表明：本文中的動(dòng)量輸送系數(shù)隨相對(duì)水深及灘槽寬度比的變化關(guān)系是可行的。
　　3．復(fù)式河槽過(guò)流能力研究
　　(1)?復(fù)式河槽過(guò)流能力計(jì)算方法比較與分析。系統(tǒng)地總結(jié)了復(fù)式河槽流量計(jì)算的各種方法，運(yùn)用這些方法分別計(jì)算整個(gè)復(fù)式斷面的流量和灘槽流量分配，并利用SERC-FCF水槽實(shí)驗(yàn)成果加以比較。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：計(jì)算流量時(shí)，斷面垂直分割法、單一河槽法和等速剖分法誤差都很大；而其它方法精度都比較高，精度由高到低依次為COHM方法、SKM方法、斷面傾斜分割法類型?1?(IDMT1)、動(dòng)量傳遞法?(MTM)、謝漢祥法?(XHXM)、斷面疊加法?(SCSM)、童漢毅法?(THYM)。同時(shí)，運(yùn)用流量計(jì)算精度比較高的方法計(jì)算流量分配。具體對(duì)某一斷面形態(tài)而言，很難準(zhǔn)確說(shuō)哪種方法的精度最高，但綜合所有系列總體而言，SKM方法最佳，其次是IDMT1和THYM，再次是COHM、MTM、XHXM，最后是SCSM。本文還分析了二次流對(duì)過(guò)流能力、流量分配及水流阻力的影響。二次流對(duì)過(guò)流能力的影響不大，但它對(duì)流量分配、垂線平均流速及床面剪切應(yīng)力的橫向分布、灘槽斷面平均流速、灘槽床面平均剪切應(yīng)力的影響卻十分明顯。通過(guò)對(duì)各種方法優(yōu)劣地詳細(xì)分析，建議：在計(jì)算天然復(fù)式河槽過(guò)流能力時(shí)，COHM方法是一種值得推薦的好方法。
　　(2)?復(fù)式河槽過(guò)流能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究。通過(guò)分析SERC-FCF水槽實(shí)驗(yàn)成果，發(fā)現(xiàn)灘槽?Darcy-Weisbach阻力系數(shù)比值隨著相對(duì)水深的增加而減小。主槽阻力系數(shù)隨著相對(duì)水深的變化而變化，呈拋物線分布。根據(jù)獲得的阻力系數(shù)關(guān)系，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立了洪水漫灘后，復(fù)式河槽過(guò)流能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明：該模型能確定水位流量關(guān)系，其模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。
　　4．植被作用下的復(fù)式河槽水流特性研究
　　通過(guò)水槽試驗(yàn)，探討了不同灘地植物?(喬木、灌木和野草)?對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響。試驗(yàn)時(shí)，選塑料吸管、鴨毛和塑料大草分別模擬喬木、灌木和野草。同時(shí)，考慮了流量、床面底坡對(duì)流速分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，灘地未種樹(shù)的復(fù)式河槽在大的相對(duì)水深時(shí)，流速滿足對(duì)數(shù)分布；灘地種樹(shù)后，主槽流速增大，流速分布復(fù)雜，灘地流速減小，呈?S?形分布，不同植物的S?形分布是有差別的。這種S?型分布將水流劃分為三區(qū)的復(fù)雜行為，每區(qū)的范圍與水深、垂線位置和植物類型有關(guān)。床面坡度對(duì)流速分布的影響非常明顯?？v向、橫向和垂向三個(gè)方向的脈動(dòng)流速基本上滿足正態(tài)分布；時(shí)均流速與采樣時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)；橫向動(dòng)量交換比垂向動(dòng)量交換強(qiáng)，橫向動(dòng)量基本上是主槽向?yàn)┑貍鬟f；不同的灘地植物對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的影響是不同的。灘地種植植物后，水流的紊動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，縱向和垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)，都服從S型分布。灘地種植植物前后雷諾應(yīng)力的空間分布差異很大，不同的灘地植物對(duì)雷諾應(yīng)力的空間分布十分明顯。在主槽邊坡區(qū)，雷諾應(yīng)力變化復(fù)雜。由于受植物的影響，tyx?與tzx?基本上都為負(fù)，明顯不同于灘地未種植植物的情況。
　　5．全動(dòng)床復(fù)式河槽水流阻力及泥沙輸移特性研究
　　通過(guò)全動(dòng)床復(fù)式河槽水槽試驗(yàn)，探討了河道完全粗化后能量損失、阻力系數(shù)的沿程變化，推移質(zhì)輸沙率的變化特性，床沙中值粒徑的橫向變化與沿程變化等，并探討了運(yùn)用仙農(nóng)熵的概念對(duì)泥沙相關(guān)特性的模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于沖積河流，如果以水面坡度代替能坡，是會(huì)產(chǎn)生誤差的。阻力系數(shù)與能坡的沿程變化趨勢(shì)是相似的，而這種沿程變化趨勢(shì)又與床沙代表粒徑變化趨勢(shì)總體相一致。河道急劇展寬發(fā)生在清水作用初期，而且作用時(shí)間很短。在特定的試驗(yàn)條件下，全動(dòng)床復(fù)式河槽灘岸侵蝕速率在空間上變化趨勢(shì)為，越往下游，同流量下的灘岸侵蝕速度越小。與初始河道相比，主槽床面沿程始終處于淤積狀態(tài)，而主槽兩側(cè)均處于沖刷狀態(tài)。沖刷或淤積面積均有沿程減小的趨勢(shì)，這與流速總體沿程減小相一致。盡管初始斷面是對(duì)稱的，床沙初始級(jí)配是相同的，但主槽兩側(cè)斷面沖刷面積并不相等。運(yùn)用仙農(nóng)熵的概念與理論，推導(dǎo)了清水作用下粗化過(guò)程中推移質(zhì)輸沙率公式。無(wú)論是輸沙率單調(diào)遞增段還是單調(diào)遞減段，推移質(zhì)輸沙率公式都具有相同的表達(dá)形式。據(jù)此，導(dǎo)出了隨機(jī)變量X表達(dá)式的一般形式，并從理論上分析了參數(shù)ki的取值與曲線?凹凸的關(guān)系。若曲線上凹，ki取負(fù)值；反之，若曲線上凸，ki取正值。無(wú)論是歸槽水流還是漫灘水流，推移質(zhì)中值粒徑均有先隨時(shí)間大幅度增大的趨勢(shì)，后隨著時(shí)間的增加中值粒徑增加的幅度減小，最終將趨于某一恒定的值。這種變化特性可用X一般形式的表達(dá)式進(jìn)行預(yù)測(cè)。全動(dòng)床復(fù)式河槽推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)不僅存在縱向的沿程分選，還存在橫向的沿?cái)嗝娣诌x。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)式河槽；水流阻力；動(dòng)量交換；過(guò)流能力；植被；泥沙輸移