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2016-05-17 07:06 |
泥沙动力学研究对沉积动力学研究的启示及展望
摘要：分析水沙运动规律是沉积动力学与泥沙动力学所面对的共同课题。泥沙动力学研究为解决江河治理和水利工程建设中泥沙问题提供了重要思路和手段。介绍了泥沙动力学的研究方法、试验技术和理论成果。从沉积动力学角度借鉴泥沙动力学领域的研究方法、试验技术和理论成果，从动态观点研究沉积动力过程中各种变量与边界条件之间的定量关系进而研究沉积物搬运和沉积的动力学机制，建立和完善受水动力学约束的沉积环境标志，必将拓展沉积动力学的研究思路，提高沉积环境研究精度，推动沉积模式的建立和学科概念的形成，丰富沉积动力学的内涵。
关键词：沉积动力学；泥沙动力学；水动力学；模型试验；数值模拟
0 引言
由于缺乏精细的现代监测和沉积动力过程模拟手段，国内沉积学领域在沉积动力过程和沉积机理等方面的研究较为薄弱，沉积环境标志的确定表现出极大的复杂性和多解性,沉积环境的解释具有很大的主观随意性和不确定性[1]，在沉积模式的建立、学科概念的形成等方面依然处于跟踪、借鉴阶段[1-3]。沉积动力学主要从动态观点研究沉积动力过程中各种变量与边界条件之间的定量关系，进而研究沉积物搬运和沉积的动力学机制，是当前国际沉积学研究热点[1-3]。泥沙动力学主要研究泥沙及各种固体颗粒在重力、流水、波浪和风力等动力作用下的侵蚀、搬运和沉积规律[4-5]，进而解决水利工程中的泥沙问题。分析水沙运动规律是沉积动力学与泥沙动力学所面对的共同课题。国内与水力学及河流动力学，港口、海岸及近海工程等水利工程学科领域相关的科研院所在水沙运动规律的研究方法、试验技术和理论成果等方面优势突出，为解决江河治理和水利工程建设中泥沙问题提供了重要的思路和手段[6-11]。本文简要介绍泥沙动力学研究的方法、成果，以期拓展沉积动力学的研究思路、方法和手段，丰富沉积动力学的内涵。
1 泥沙动力学研究方法
泥沙动力学研究主要方法有现场观测和模拟，模拟包括数值模拟和河工模型试验[8-10]。
1.1 现场观测
现场观测是利用仪器设备对自然界固有的流动现象或工程的全尺度流动现象进行系统观测[12-13]，从而总结出水沙运动的规律。精确的测量可为泥沙运动的理论分析和泥沙数学模型的建立提供基础的验证资料，是深入研究水流内部结构和运动机理的前提。目前，用于泥沙动力学研究的主要测量设备，除常规的用于水力学、工程流体力学、河流动力学等设备外，在水工方面比较先进的测量设备有用于测量水位波动的压力传感器，测量流速的粒子图像测速仪（PIV）和声学多普勒流速仪（ADCP），测量悬浮沉积物浓度的声学多普勒剖面仪（PCADP）[12-13]，以及遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、高精度 GPS 定位系统。上述测量仪器组合应用，可快速准确地测量诸如河道水流的流速、水深、含沙量及河道长时段的冲淤变化等各种流动参数。
1.2 河工模型试验
河工模型试验主要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、河势变化、河床变形等，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[14-18]。河工模型试验的原理是运用河流动力学知识，在分析河流原型的基础上，根据水沙动力学相似原理，模拟与原型相似的边界条件和动力学条件，在实验室进行水沙动力学机制及过程分析，通过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[14-18]，其原理与沉积动力过程研究中的水槽试验[19]具有相似性。在河口动力过程及沉积机理的研究中，开展河工模型试验，通过设置不同的边界条件，在实验室还原河口沉积物的沉积动力过程，能给出流动现象并定性描述，能显示运动特点及其主要趋势；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；有助于形成概念，检验理论的正确性。河工模型试验可给出定性描述，难以给出半定量-定量描述，如果要实现半定量-定量描述，原型与模型要按照相似准则在几何、重力、阻力、流速、泥沙起动、泥沙输送能力、总加沙量等方面保持相似，如果无法完全满足所有要素相似，流速、流量、泥沙粒径、总加沙量等关键要素必须保持相似[14]。实践中，上述条件难以同时满足。如模型设计时仅仅考虑几何相似，模型沙的粒径不按照相似准则选择，与其对应的流速也将无法按照相似准则选择。若依然按几何相似的原理去解释，可能会导致对沉积动力过程、砂体成因及规模的误判。
1.3 数值模拟
沉积作用是一个多变量的函数，沉积现象的数学表述，是理论沉积学的重要探索方向之一[1,7]。从泥沙动力学的统计规律出发，反映河流搬运能力的单宽输沙率与流速的四次方近似成正比[4]，或可搬运的最大泥沙粒径与流速的平方近似成正比（艾里定律），流速是泥沙搬运的前提和必要条件，在半定量-定性分析泥沙搬运和沉积行为的前提下，泥沙动力学问题可转为水动力学问题，相对复杂的沉积动力过程数值模拟可以简化为水动力场的数值模拟。
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，在连续性方程、动量方程和能量方程等流体运动基本方程的控制下，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、压力、温度、浓度等）在流场内空间分布以及这些物理量随时间的变化情况，进而分析包括流体运动等相关物理现象的方法[20-27]。与模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析处理等方面具有明显的优越性,对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示，随时调整优化参数；能给出诸如流速矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图等详细和完整的资料。
数值模拟能够为深入研究流体的运动性质、分析泥沙的搬运和沉积以及沉积体空间展布特征提供依据，是研究水沙运动规律、预测河流演变过程等泥沙动力学问题的重要手段[7-10]，在解决河口、海岸、港口、航道等工程中的水流和泥沙问题的科研及工程实践上得到广泛应用[14-18]。
目前，以水流、泥沙等为模拟对象的成熟商业软件有 TK-2D/2DC、Delft3D、MIKE21 等[28]。其中，TK-2D/2DC 是交通部天津水运工程科学研究所推出的海岸、河口、内河河流水沙模拟系统，Delft3D 是由荷兰水力研究院（Delft Hydraulics）开发设计的三维或二维可视水动力-水质联合模拟系统，MIKE21 是丹麦水力学研究所（DHI）研制的二维仿真模拟系统。上述几种模拟系统可全面或部分仿真模拟海岸、河流、湖泊与河口的水动力、波浪、泥沙输移等，在环境工程、水利工程、海洋工程等诸多领域得到了广泛运用[28]。数值模拟系统可对多种沉积环境的水动力场进行精确的模拟，为半定量-定性分析泥沙的搬运、沉积和合理解释沉积体空间展布特征提供依据，为沉积动力学研究提供了思路和方法。
2 泥沙动力学研究成果
近几十年来，泥沙动力学发展迅速，在理论和工程实践中取得了很大进展，如水流特性及水流结构[20-27，29-30]、反映起动特性、泥沙沉降特性、悬移质运动规律、推移质运动规律的泥沙输运机制[26-27，29]、床面底形与水流阻力（层理-底形-流速-粒度）的相互关系[1]、河床演变规律及其机理[25]、水库泥沙淤积[31]、异重流运动[11]，河口“动力-沉积-地貌”过程[23，27，32]、海岸地貌与动力沉积过程[20，27] 、江湖相互作用机理[7,33]、海岸动力环境[34]等研究成果，为解决江河治理和水利工程建设中泥沙问题提供了重要手段。从沉积动力学的角度挖掘、解读、提炼泥沙动力学研究成果所反映的信息，将为沉积动力过程、沉积机理和砂体空间展布特征提供依据。
3 结论及展望
分析水沙运动规律是沉积动力学与泥沙动力学共同面对的课题，水利工程领域在水沙运动规律的研究方法、试验技术和理论成果优势突出。根据地质学领域普遍运用的“将今论古”的现实主义原则和比较岩石学方法，现代沉积环境中复杂的营力作用可以直接观察和记录，其作用的结果在沉积物的特征上能得到如实响应和反映，运用现代沉积环境与产物的关系能够推断古代沉积物的形成环境，现代沉积环境的研究是推断古代沉积环境的依据。借鉴上述原则和方法，从沉积动力学角度借鉴泥沙动力学领域的研究方法、试验技术和理论成果，从动态观点研究沉积动力过程中各种变量与边界条件之间的定量关系进而研究沉积物搬运和沉积的动力学机制，挖掘、解读、借鉴泥沙动力学在诸如床面底形判别准则方面的成果，建立不同沉积环境与水动力场、床面底形、沉积构造的关系，建立和完善受水动力学约束的沉积环境标志，必将拓展沉积动力学的研究思路，提高沉积环境研究精度，推动沉积模式的建立和学科概念的形成，丰富沉积动力学的内涵。
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泥沙动力学研究对沉积动力学研究的启示及展望
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