沙波统计动力学特征与沙波阻力的关系

Flow resistance of sand waves, a fundamental issue in the area of river dynamics and sediment transport mechanism, is an important parameter in engineering applications. While the interaction process between the sand waves bed and flow is multi-scale and nonlinear, the physical mechanism of the movement of sand waves and resistance remain need to be investigated thoroughly. This research aims at investigating the flow resistance of sand waves based on the energy dissipation flow, and revealing the relationship between the statistical dynamics of sand waves and energy dissipation of flow to understand the physical mechanism of the resistance component. This research will deploy the flume experiment and the field investigation to collect and analyze the topographic field of sand waves, time-spatial serials of elevational change at individual positions, turbulent data and sediment transport data. Characteristics of sand waves and flow will be depicted in details, such as the equilibrium and non-equilibrium spatial characteristics of sand waves, statistical dynamic characteristics and dissipation.of flow energy. Based on these characteristics of sand waves and flow, the relationship between the statistics dynamic characteristics of sand waves and flow energy dissipation will be investigated, and finally a formula for calculating the flow resistance will be presented. This research is expected to contribute a better understanding of the dynamics of riverbeds of alluvial rivers, the dissipation characteristics of flow and the flow resistance of sand waves.

沙波阻力是河流动力学和泥沙运动力学等领域的重要基础科学问题,也是工程实践中需要考虑的关键参数。沙质床面与水流相互作用过程是一个多尺度、非线性的物理过程,迄今为止对于沙波阻力的物理机制及相关基础理论研究尚不充分。本研究目的在于从水流能量耗散角度来深入探索沙波阻力的物理机制,通过揭示沙波形态特征与水流能量耗散之间的关系来理解和认识沙波阻力。本研究主要基于水槽实验和野外观测手段,通过分析沙波床面三维高程、床面点高程时间空间序列、水流紊动数据以及泥沙输移时间序列,揭示平衡态与非平衡态沙波床面三维空间形态特征、沙波统计动力学特征以及水流能量耗散特征,在此基础上深入探索沙波统计动力学特征与水流能量耗散之间的关系,最后建立基于沙波统计动力学特征的沙波阻力关系。研究成果将深化对沙波床面运动规律、水流能量耗散过程以及沙波阻力的认识。

本项目的研究工作集中在两个方面：一个是沙波床面的三维结构特征描述；一个是平衡态与非平衡态沙波床面的形态特征区别。前一个问题着手于分析野外实测河流河床形态特征，因为野外河流的河床比水槽实验更能反应真实的沙波动态特征。后一个研究则需要建立严格的平衡态与非平衡态对比，因此选择水槽实验数据进行了分析。目前沙波的“-3”幂律经常用来揭示沙波床面的统计特性。然而用于该幂律验证数据大多是在实验室测量得到，这样就很容易达到平衡条件。而另一方面，真实的河流很少以稳定形态出现。这意味着真正的平衡条件是特殊情况而非普适情形。因此我们可以预期在真实的河流“-3”幂律是不常见的。本研究通过分析一条野外大型河流河床表面的能谱行为来定量揭示该问题。该研究的重点放在小波长沙波的能谱行为上。结果表明，小尺度波长的能谱行为显著偏离“-3”幂律。随后针对小波长沙波的能谱特性与流量之间的关系揭示，分析结果支持了这样的假设，即次生沙波的发展会影响小尺度波长的能谱行为。对于第二个问题，我们分析了水槽试验中, 砂砾表面平衡状态的三个假设：输沙、坡度和床面特征三个平衡准则。当这些一维参数变得稳定时，我们一期望达水槽达到平衡。然而, 这种平衡状态是建立在一维模型Exner 方程的基础上的, 考虑到水流和泥沙运动过程的空间异质性，Exner 方程可能无法真正反映系统的平衡状态。基于大规模循环水槽实验，本研究揭示了砂砾床面的演化过程。对三种平衡准则的的客观评价的基础上，对床面形态的演化进行了进一步研究。主要研究结果包括：泥沙输移率、水面和床面坡度、一维形态特征大致同时达到平衡；二维床面形态在这些特征达到平衡后依然演变，这一点由泥沙输移过程所证实；数值模拟的结果表明，达到平衡状态需要比我们预期的更长的时间。我们的研究结果表明，研究卵砾石表面的平衡形态特征需要足够的实验时间，这远远超过一维平衡准则所反映的平衡时间。