水庫異重流

1885年F.-A.福雷爾在法國科學(xué)院院報(bào)撰文，介紹了羅訥河河水進(jìn)入日內(nèi)瓦湖底產(chǎn)生分層流的現(xiàn)象和萊茵河流入康斯坦茨湖時(shí)，在入口處河水潛入湖底的現(xiàn)象，指出這些現(xiàn)象是由于河水溫度較湖水溫度低和含有泥沙所造成的。20世紀(jì)20年代，開始用鹽水代替密度較大的冷水進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)和用粘土渾水做水庫異重流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出通過底孔有可能把冷水及渾水排出庫外。1935年在美國米德湖蓄水時(shí),觀察到水壩底孔排出渾水，說明異重流可在水庫底部持續(xù)運(yùn)動(dòng)達(dá)百余公里。40年代美國和法國進(jìn)行若干異重流實(shí)驗(yàn)。50年代和60年代，中國先后進(jìn)行了異重流的觀測、分析和實(shí)驗(yàn)。70年代中國在水庫和河道中觀測到高濃度(含沙量大于200～300千克/米)異重流現(xiàn)象。

常用研究方法包括理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和原型觀測等。

水庫異重流理論分析

應(yīng)用流體力學(xué)的原理和方法探討異重流形成、運(yùn)動(dòng)等問題的力學(xué)機(jī)理和計(jì)算方法,最新研究著眼于建立異重流的各種數(shù)學(xué)模型。

水庫異重流實(shí)驗(yàn)研究

通過水槽試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，不僅可為理論分析提供定量數(shù)據(jù)，也是解決工程中異重流課題的重要手段，模型律問題是進(jìn)行異重流實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題。

水庫異重流原型觀測

實(shí)地觀測不僅可驗(yàn)證理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論，還可為異重流研究不斷提出新的課題。三種方法的結(jié)合使下列問題的研究已取得了一定的進(jìn)展：射流在有密度梯度的介質(zhì)中的機(jī)理、影響交界面阻力的因子、異重流的不恒定運(yùn)動(dòng)、河口含鹽渾水在潮汐水流中形成異重流的條件、界面液體交換問題等。

兩種或者兩種以上比重相差不大、可以相混的流體，因比重的差異而發(fā)生的相對運(yùn)動(dòng)。即：如果一種流體沿著交界面的方向流動(dòng)，在流動(dòng)過程中不與其它流體發(fā)生全局性摻混現(xiàn)象的流動(dòng)。由于水流挾帶泥沙而形成的異重流稱渾水異重流。流進(jìn)水庫的渾濁河水成舌狀水流潛入庫底，在水庫清水之下沿庫底向前運(yùn)動(dòng)，形成水庫異重流；兩河交匯，當(dāng)各自水流含沙量不同時(shí)，可在匯合處產(chǎn)生分層運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，形成河道異重流。由于水流溫度不同而引起的異重流稱為溫差異重流。進(jìn)入湖泊（或水庫）的冷河水，潛入湖底，形成下層異重流向前運(yùn)動(dòng)；火電廠的冷卻水經(jīng)冷凝器受熱排入河流后，在較冷的河水上層沿程流動(dòng)，形成上層異重流。由于水流含有鹽分而形成的異重流稱為鹽水異重流。在河口處,河水密度小于海水,河水在隨潮流進(jìn)入河口區(qū)的鹽水的上層運(yùn)動(dòng)并以扇狀向海面散布，保持相當(dāng)長的距離形成淡水舌，而海水則侵入河底沿河道上溯，形成成層程度不同的異重流，明顯分層時(shí)即為鹽水楔運(yùn)動(dòng) (見河口水流)。水在空氣介質(zhì)中的流動(dòng),因水與空氣的密度相差很大，一般不屬于異重流。異重流又稱密度流、分層流、濁流、底流、重力流等。中文異重流一詞最初出現(xiàn)在1947年出版的《水利》雜志中的《異重流及水庫減淤》一文。

對水流而言，引起密度差異的主要因素有:含沙量、水溫、溶解質(zhì)含量。

在水庫中，挾有大量細(xì)泥沙的洪水進(jìn)入水庫壅水區(qū)后，渾水中的粗泥沙不能繼續(xù)為水流所挾帶，淤積在水庫的進(jìn)口部位，含有細(xì)顆粒泥沙的渾水，則與庫內(nèi)清水形成一定的密度差，由此產(chǎn)生壓力的差別，開始潛入水庫底部，形成底部異重流。潛入點(diǎn)標(biāo)志著異重流已經(jīng)開始形成。

利用異重流特性，在水庫減淤，給水排水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)用等方面可獲得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水庫和水電站時(shí)，設(shè)置底孔，合理運(yùn)用在庫底運(yùn)動(dòng)的渾水異重流可把泥沙排走,減少水庫淤積,是水庫減淤的主要措施；在給水工程中，根據(jù)異重流特性設(shè)計(jì)沉淀池，有利泥沙落淤，可獲得較好的水質(zhì)；修建火電廠可利用溫差異重流特性，設(shè)置較深的取水孔引取冷水，而設(shè)置較高的排水孔排放熱水。

但在某些情況下，異重流可帶來很大危害。在河口形成的鹽水楔往往阻礙上游來沙的下泄，并把海域泥沙帶入河口，形成含沙量高的滯流區(qū)和攔門沙；在與河道交叉的引水渠或引航道處，渾濁河水可潛入引水渠或引航道，并向渠首內(nèi)溯，而渠內(nèi)清水自表層向大河回流，造成嚴(yán)重淤積等。

《異重流與泥沙工程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)》是作者五十年來的泥沙異重流和泥沙工程科研成果，包括三部分：一為異重流水力學(xué)；二為泥沙工程中水庫淤積、沉沙池和挖槽回淤等有關(guān)泥沙設(shè)計(jì)問題，其中不少處涉及異重流淤積問題；三為泥沙沉淀和飽和含沙量水槽實(shí)驗(yàn)的研究成果。

《異重流與泥沙工程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)》對異重流的基本流動(dòng)特性進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，對水利工程異重流問題進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，分析運(yùn)動(dòng)的有關(guān)參數(shù)值如阻力系數(shù)、摻混系數(shù)、潛入點(diǎn)判別數(shù)等，在緩流和急流時(shí)的流態(tài)及其不同摻混性質(zhì)，不同坡度下的前鋒速度以及引航道進(jìn)口異重流前鋒速度。書中在異重流基本理論方面的部分成果屬于首創(chuàng)，如潛入點(diǎn)判別數(shù)的定量估計(jì)，渾水摻混系數(shù)在緩流時(shí)為負(fù)值，船閘引航道異重流初速公式：其次，在工程應(yīng)用方面提供設(shè)計(jì)方法，如水庫異重流出庫沙量的估算方法（已為設(shè)計(jì)院使用），電廠沉灰池和渾水沉沙池的異重流沉淀時(shí)異重流層中分離出清水的設(shè)計(jì)方法（已用于工程中）；在潮流區(qū)引潮溝或取水溝內(nèi)的淤積量，利用試驗(yàn)和類似工程的實(shí)測數(shù)據(jù)類比的方法，作出估計(jì)。《異重流與泥沙工程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)》關(guān)于泥沙工程的實(shí)例分析，多為解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)而進(jìn)行的。國內(nèi)外已出版的異重流專著，似尚未有專門討論渾水異重流工程泥沙的。

《異重流與泥沙工程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)》可供有關(guān)泥沙工程設(shè)計(jì)的不同領(lǐng)域的技術(shù)工作人員、泥沙工程研究工作入員、大學(xué)水利工程學(xué)院、流體力學(xué)專業(yè)的教師和學(xué)生及其掌管水利工程決策人員的參考和借鑒。

異重流系環(huán)境與工業(yè)流動(dòng)中最基本的流動(dòng)形態(tài)之一，而開閘式異重流的初邊條件最簡單，能集中體現(xiàn)過渡性時(shí)空局部化湍流等異重流的基本物理特征，長期以來一直是相關(guān)研究的焦點(diǎn)。本項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)觀測、數(shù)值計(jì)算和理論分析，對開閘式異重流的整體推移和挾帶稀釋規(guī)律以及流場結(jié)構(gòu)演化機(jī)理進(jìn)行全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，確定相應(yīng)湍流模式和基本數(shù)值計(jì)算格式，進(jìn)而開發(fā)適于一般實(shí)際需要的數(shù)值模擬軟件。 2100433B