山区河流阶梯-深潭系统消能机理研究

中国西南山区河流下切造成滑坡崩塌泥石流灾害和泥沙问题。阶梯-深潭系统的发育高效率消减水流能量,因而能控制河床下切,减少滑坡泥石流灾害。人工阶梯-深潭系统已经成功地用于山区河流灾害治理和生态修复。但是，国内外学术界都还没有对阶梯-深潭系统的消能机理进行过研究。本课题拟在云南小江流域吊嘎河、大桥河、蒋家沟、深沟、大小白泥沟进行野外调查测量，采用浑水脉动流速仪测量阶梯-深潭结构各个部位的脉动流场，采用埋设在河床上的玻璃水槽和水下高速摄影技术进行观测和试验，研究发育阶梯-深潭系统的山区河流的水流动能分布和转化规律、阶梯-深潭结构中湍流场的脉动能谱，分析其消能机理，发现阶梯-深潭系统消能率与阶梯-深潭形状的关系。通过破坏阶梯-深潭结构前后对比观测研究泥沙运动，揭示阶梯-深潭系统对泥沙运动和河床演变的影响，分析其在山区河流治理中的意义,为山区河流的管理和治理提供必要的科学支撑。

阶梯-深潭系统是山区河流常见的河床结构，具有稳定河床、消能减灾的作用。本研究以阶梯-深潭系统为研究对象，对阶梯-深潭系统的结构形态、水力特性、消能率和稳定性展开研究，阐述了阶梯-深潭系统水流能量转化过程与消能机理，研究了推移质运动对阶梯-深潭系统消能的影响，揭示了阶梯-深潭失稳破坏的物理机制。主要成果包括：.（1）通过野外考察，将阶梯-深潭系统按结构形态分为3类：三维阶梯-深潭、二维阶梯-深潭和二维三维之间阶梯-深潭。三维阶梯-深潭具有更高消能率，且在高流量时仍能维持较高消能率。自然阶梯-深潭系统流场具有强三维性。阶梯与深潭水力特性相差大，阶梯上沿流向流速占主导，紊动较弱，紊动流速仅为平均流速的0.1倍；深潭中时均流速低，紊动强度高，可达时均流速的8倍，且雷诺应力是阶梯上约50倍。推导得到的阶梯-深潭消能率计算公式计算值与实测值符合较好。.（2）水流能量经过阶梯-深潭系统时的转化分为3个过程：从阶梯跌落势能转化为时均动能；进入深潭时均动能转化为紊动能；紊动能耗散。相比没有河床结构发育河段，阶梯-深潭系统更剧烈的将时均动能转化为紊动能，且具有更高耗散率。低流量时，阶梯消能占主导，随着流量增加深潭消能作用逐渐增强，使阶梯-深潭始终保持高消能率，这是阶梯-深潭系统不同于其他河床结构之处。推移质运动也是山区河流能量消耗的主要方式。加沙试验显示，推移质运动的增强改变水流能量分配，使阶梯上紊动与耗散略为增强，深潭中紊动与耗散大为减弱，从而使阶梯-深潭系统消能率降低。.（3）以单个阶梯-深潭关键石块为研究对象，综合考虑上游来水来沙、下游冲刷和泥沙环境，建立单个阶梯稳定性的理论模型。河道比降、关键石块粒径、来流流量、来沙大颗粒粒径、下游冲刷和互锁作用是弱输沙条件下影响单个阶梯-深潭稳定性的关键因素。阶梯失稳临界流量随冲刷增强而减小，因此水流破坏作用表现为阶梯下游坡脚冲刷降低失稳临界流量，同时来流增加超过临界流量导致破坏。洪水过程中的巨石碰撞可以大幅降低阶梯失稳临界流量，从而降低阶梯-深潭稳定性。模型在有阶梯-深潭分布的中法山区河流均得到验证。.总之，研究项目完成任务。发表期刊论文14篇，其中SCI论文4篇、EI论文6篇、中文核心论文3篇，英文专著1部。项目组成员1人聘为清华大学助理教授，培养博士生1名，出站博士后3人。