非均匀沙床面结构自组织模式及其对泥沙运动影响研究

在天然河流中，非均匀床沙普遍存在自组织现象，即自动由无序随机分布转变为有序分布，从而形成一定床面结构。正因为如此，床面的不均匀性不仅体现在泥沙颗粒之间，同时也体现在床面的不同位置之间。现有泥沙起动、输移等理论往往对此进行简化，只考虑颗粒粒径大小意义上的不均匀性，其理论模型与真实床面有较大差异。本项研究拟在理论基础层面就考虑床面结构的自组织现象及其所造成的水沙空间变异，通过公式推导与分析、明渠水槽试验和原型资料统计相结合的方法，剖析以床面结构为中心的非均匀床沙自组织过程，建立起有结构床面不同位置的推移质起动、输移的新理论模型。由于模型更为近似真实床面，在此基础上可以进一步深入探讨完善非均匀沙运动理论，还能为工程实践提供广泛的技术支撑，因而在理论和实践两方面都具有重要意义。

在天然河流中，非均匀床沙普遍存在自组织现象，即自动由无序随机分布转变为有序分布，从而形成一定床面结构。正因为如此，床面的不均匀性不仅体现在泥沙颗粒之间，同时也体现在床面的不同位置之间。本研究通过原型资料统计、理论分析与试验相结合的方法，得出了以下结论：（1）床面结构自组织特征值的判定与量测。引入无量纲数评价床面结构纵断面形态的发育程度并分析了测量工具的使用精度等；（2）床面结构自组织分形特征分析。联合采用傅里叶分析与小波分析的方法，通过计算将“趋势项”与“结构项”从数值上成功分解，从而得到了反映床面结构分布特征的曲线形式；（3）床面结构自组织分布及成因。通过资料调研与实验工作发现在典型河段上从下游到上游床面结构呈现出逐渐增强的分布特点，统计得出了床面结构强度与水流能量的二维拟合曲线；（4）床面结构对水沙运动及宏观地貌的影响。总结出了“侵蚀下切－崩塌滑坡－河床结构发育－抑制侵蚀下切－平衡”这一系列完整的负反馈机制，并解释了部分特殊河流纵剖面的成因。（5）通过实验分析了有床面结构河段推移质运动与输沙率的变化规律。