河床下渗对明渠水流运动特性影响研究

多孔介质河床的下渗,对明渠水流的运动特性可以有很大影响，但传统理论与实践一般视河床表面为不可渗的刚体，不考虑河床的这种下渗作用。本项目拟通过水槽改造，设计可以模拟河床下渗作用、并可量测渗流平均流速的水槽；以二维激光流速仪进行水流特性测量的试验研究，对河床下渗影响下的明渠水流运动特性进行精细量测；并通过应用边界层、界面紊动交换等理论的分析，在初步揭示河床渗流总体规律的基础上，重点研究河床下渗影响下明渠水流的垂向流速分布、紊动特性，探讨垂向流速分布的特点、理论模式及其参数随河床等条件变化的规律，分析床面切应力的变化规律及其计算方法，从而比较全面地揭示多孔介质河床下渗对明渠水流运动特性的影响；并为进一步研究明渠输沙、地表地下水的耦合模拟及河流生态环境等河流界面问题，提供新的理论及应用基础。该研究对于丰富明渠水力学基础理论，拓展其应用范围，具有重要意义。

冲积河流河床一般为泥沙组成，当泥沙颗粒较粗，尤其是砾石河床时，一是表现为床面粗糙对明渠水流的影响；二是河床渗透作用较大，透水层渗流与明渠水流的相互作用，导致明渠水流运动特性的变化。因此，本研究界定粗颗粒泥沙组成的河床为研究对象，以垂线流速分布为研究重点，分析河床透水与否对明渠水流运动特性的影响。主要内容包括粗糙不透水床面明渠水流单宽流量公式和粗糙透水床面明渠水流垂线流速分布的理论推导，以及样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合影响和粗糙床面明渠水流垂线流速分布测量等试验研究。理论与试验研究的主要结果表明，一、在合理界定粗糙不透水床面垂线流速分布理论基面的基础上，基于粗糙不透水床面垂线流速分布的对数公式，推导的单宽流量公式新结果，对于深化粗糙不透水床面流动特性的研究，具有一定的指导意义。二、运用垂线流速分布测量成果进行对数公式拟合，所得的摩阻流速、积分常数及其统计变量相关系数和变差系数，其结果与测量点的多少，即样本容量的大小密切相关，当样本容量逐渐变大时，渐渐趋于稳定；合理反映垂线流速分布变化的试验，其测点需要一定的样本容量，在间距比较均匀分布的条件下，0.2倍水深内需要50左右的样本容量。该结果对于判别明渠流速垂线分布测量成果的可信与否，进一步规范今后的相关研究具有重要的意义。三、提出的粗糙不透水床面含有摩阻流速、表层流速和原点位移等3个参数的垂线流速分布模式，并运用水平床面二维紊动边界层方程推导的流速分布修正对数公式，具有较强的物理基础，且与实测数据符合很好。四、相同水流条件下，透水床面的摩阻流速要大于不透水床面，各自的阻力系数保持基本不变；通过积分流速分布修正对数公式的方法，可以反映床面切应力的变化。五、表层流速是0.3~0.5倍左右的主流平均流速，且表层相对流速随着雷诺数的增大而略有减小。六、测量了一系列的紊动强度、雷诺应力等紊动特性数据，所代表的粗糙床面透水与否对紊动特性的影响规律有待今后继续分析。. 总体而言，本研究的垂线流速分布成果，具有较强的物理基础，测量精度较高；并初步揭示了床面切应力和表层流速的变化规律。作为国内外同类研究的最新成果，对于进一步深化河床下渗对明渠水流运动特性影响的认识，乃至对与土壤侵蚀密切相关的薄层流特性的认识，都有重要的意义。