非恒定流条件下非均匀推移质输移规律试验研究

The transport of bed load in natural rivers generally related to unsteady flows with graded sediments which have been thought to differ markedly from steady flow and uniform sediment conditions. But until now there is a lack of direct comparison between these kinds of sediments to reveal the mechanism. In this study, laboratory flume experiments were conducted to investigate the transport of bed load sediment in uniform and graded compositions under a range of steady and unsteady flows. Detailed measurements of flow, bed elevation, fractional transport rates and bed surface composition have been collected for each run. Direct measurements comparison between different runs with different flow and sediment condition are made to illustrate the mutual impact between the unsteadiness of flow and the non-uniformity of sediment in bed load sediment transport. The findings of this work should facilitate the physically enhanced development in bed load sediment transport research.

天然河流中推移质运动与输移过程受到泥沙非均匀性、水流非恒定性的双重影响。而已有的推移质输移规律试验研究基本上是基于均匀沙或恒定流条件，缺少直接的观测数据来揭示非均匀推移质在非恒定流条件下的输移特点。本项目拟设计一系列的推移质概化模型试验，对试验过程中的水流、河床、输沙以及级配等变量的变化进行完整的观测，通过不同试验组次观测数据的直接定量比较分析，研究泥沙非均匀性与水流非恒定性对推移质输移的耦合作用，初步揭示非恒定流条件下非均匀推移质输移规律。研究成果有助于增进对天然河流中推移质运动物理机制的理解，具有重要的科学意义和明确的工程实际应用前景。

水流非恒定性与泥沙非均匀性将对推移质输移产生怎样的相互耦合作用，以及这种耦合作用如何定量表征，这是推移质输移研究过程中的重点和难点问题。本项目通过设计16组推移质输移试验，实现了其它试验条件一致的情况下对恒定流与非恒定流，均匀沙与非均匀沙试验结果的直接定量比较，阐明了水流非恒定性对推移质输移的增强效应，床沙非均匀性对推移质输移促进和抑制作用，并提出了作用因子定量表征其影响。初步揭示了水流非恒定性与泥沙非均匀性对推移质输移的耦合作用：水流非恒定性对粗沙/细沙输移的增强效应随着细沙/粗沙含量的增加而减小/增大，水流非恒定性对粗沙和细沙的增强效应都随着流量的增大而减小，床沙非均匀性对推移质输移过程中的促进及抑制作用都受来流非恒定性影响而减小。通过项目实施，出版专著1部，发表学术论7篇，其中EI/SCI检索文章4篇，授权发明专利2项，获软件著作权2项。项目先后获得第十六届湖北省自然科学优秀学术论文二等奖、长江水利委员会青年科技进步奖一等奖。研究成果有助于促进推移质输移机制的进一步理解和认识，为实际工程推移质泥沙运动的模拟及预测提供理论依据。