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华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 摘要 悬沙的垂向扩散系数研究，涉及到泥沙的淤积和再悬浮，絮凝和泥沙底边界 层运动，是河口海岸泥沙运动的重要基础数据和研究的难点，同时也是海洋学家、 港口航道与海岸工程师和环境流体力学乃至生物地球化学研究人员共同感兴趣的 研究课题，其中影响悬沙垂向分布的悬沙垂向扩散特性尤为重要，对港口选址、 航道治理、河口综合开发和整治都具有极为重要的应用价值。本文以长江口原型 沙为研究对象，利用河口海岸国家重点实验室的波一流一变坡一泥沙水槽，研究悬沙 在水流、波浪作用下的垂向结构特征和泥沙交换过程具有重要的理论意义和应用 价值。 通过实验及分析获得如下结论： 1 二维均匀流平衡输沙时，悬沙浓度垂向分布符合r o u s e 公式； 2 悬沙垂向扩散系数巳正比例于动量扩散系数，即占，= a 笞。，同时确定 比例系数a = a 矿矿a ，b 为常数，在本文实验条件下，a = o 8 4 ，b = o 0 5 6 ； 3 在本文实验条件下，悬沙垂向扩散系数的垂向分布可以用抛物线 占= e 。一4 e 一o 驴来描述，其中系数s 。可表示为占一= c 竺罟+ d ，c 、h一。h d 为常数，在本文实验条件下，c = 3 1 ，d ：2 ； 4 在波浪作用下平衡输沙时，悬沙浓度的垂向分布趋向于对数分布，可用式 要= a - l n 詈来表达，波浪作用下平衡输沙时悬沙垂向扩散系数的垂向分 上 布，可以用占，= 马p 舭来描述，其中a 、a - 、b 1 为待定常数。 菇健匀：悬沙浓度垂向分布；悬沙垂向扩散系数；实验研究 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 s t u d i e so fv e r f i c a ls e d i m e n tm i x i n gc o e 伍e i e n tf v s m c ) r e l a t i o nw e l lw i t hf i l lu p a n dr e s u s p e n s i o no fs e d i m e n t ，f l o c c u l a t i o no fs e d i m e n t , m o v e m e n to fs e d i m e n ti nt h e b o t t o mb o u n d a r yi sa ni m p o r t a n ta n dd i m c u l ta s p e c tf o rt h er e s e a r c ho ne s t u a r i n ea n d c o a s t a ls e d i m e n tt r a n s p o r t , w h i c hi sa l s ot h ev e r yz o n eo fg r e a ti m p o r t a n tt ob i o l o g y , c h e m i s t r y , g e o l o g ya n dp h y s i c si nt h eo c e a n s ，s e a s ，l a k e se v e rr i v e r s t h e yi n t e r e s tt h e o c e a n o g r a p h e r , p o r te n g i n e e r s ，e n v i r o n m e n t a lh y d r o d y n a m i c sa n db i o g e o c h e m i s t r y r e s e a r c h e r s v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fv s m ci st h em o s ti m p o r t a n to n e ，w h i c h d e t e r m i n e dt h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e ds e d i m e mc o n c e n t r a t i o n ( s s c ) 。f o r r e s e a r c ha i mt ob o 血d i s t r i b u t i o na n dt r a n s p o r to fs e d i m e n t e x p e r i r n e n t so l ls e d i m e n t t r a n s p o r tb yt w o d i m e n s i o n a lu n i f o r mc u r r e n t sa n dw a v e sw e r ec a r r i e do u tu s i n go f w a v e f l o w - s e d i m e n tf l u m e f r o me x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。t h e s ec o n c l u s i o ni sf o u n d ： 1 mv e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs s ci nt w o d i m e n s i o n a lu n i f o r mc u r r e n t s a g r e e sw e l lw i t hr o u s e se q u a t i o n ； 2 t h ev e r t i c a ls e d i m e n tm i x i n gc o e f f i c i e n t 占yi sp r o p o r t i o nt ov e r t i c a l f l u i dm i x i n gc o e f f i c i e n t 8 m ：8v = o c 8 m ，i ti s a s c e r t a i n e dt h a t 口= 0 8 4 矿0 5 6 “2i no u re x p e r i m e n t s 3 t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f 0 c a n b c d e s c r i b e d b y p a r a b o l a 占= 气n 【_ 4 占；l 毒一0 驴，i nw h i c h 占m 雠c a nb ec o m p u t e db y 厅 s 缸= c ! ；兰+ d ，i ti sa s c e r t a i n e dt h a tc = 3 1 ，d = 2 ，i no u r 以 e x p e r i m e n t s 4 t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs s cu n d e rw a v e st e n dt ol o g a r i t h m , b e d e s e r i b e d 蚵瓦s a - l n 考t h e 删c a ld i 砸。f 勺c a n b e 上 4 1 k e yw o r d s ：v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs s c ；v e r t i c a ls e d i m e n tm i x i n gc o e f f i c i e n t ； e x p e r i m e n t a ls t u d y 华东师范大学硕士学位论文朱传芳 悬沙垂向扩散系数的实验研究 图标题 目1 - 1 的四种形式5 图1 - 2 悬沙浓度垂向分布6 图2 - 1 实验水槽7 图2 - 2 水槽中水位分布示意图8 图2 - 3 最大流速位置与宽深比关系9 图2 - 4 悬沙从入口到实验段变化趋势1 0 图2 - 5数据平滑处理1 2 图3 - 1 悬沙浓度垂向分布1 4 图3 - 2 悬沙颗粒d 和d g o 的垂向分布1 6 图3 - 3 悬沙浓度垂向分布和r o u s e 公式比较1 7 图4 - 1 悬沙垂向扩散系数的垂向分布2 0 图4 - 2 悬沙垂向扩散系数与动量扩散系数比较2 2 图4 _ 3u 与u z 的关系2 3 图4 - 4 悬沙垂向扩散系数的垂向分布2 4 图4 5f 与生! 关系2 6 1 h 图5 - l 波浪作用下平衡输沙悬沙浓度垂向分布2 9 图5 - 2 波浪作用下平衡输沙悬沙垂向扩散系数的垂向分布3 0 v 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 表标题 表2 - 1 二维均匀流平衡输沙实验参数1 1 表3 - 1 悬浮指标比较。1 9 表4 - 1 口值2 2 表4 - 2 实验参数和f 一值比较2 5 表5 - 1 波浪作用下平衡输沙实验参数2 9 l i s to ft a b l ec a p t i o n s t a b l e 2 - 1p a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t s 1 1 t a b l e j - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nz 1a n dz 1 9 t a b l e 4 1t h ev a l u eo f 口t a b l e ： ： t a b l e 4 - 2t h ev a l u eo f mt a b l e1 - 1 2 5 t a b l e 5 - 1e x p e r i m e n tp a r a m e t e r su n d e rw a v e s 2 9 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：鏖丝堑日期：星翌2 璺圜f 己目 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定 学位论文作者签名：群铭 日期：丝! 堑! 星j ? 目 华东师范大学硕士学位论文 朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 1 1 研究意义 第一章绪论 1 1 研究意义 1 2 研究现状 1 3 本文研究内容 河口海岸是陆海相互作用和人类活动强烈地区，河流所挟带泥沙是陆海相互 作用的主要介质，水流、波浪则是主要动力。河口海岸的泥沙在水流、波浪作用 下悬浮、运移、沉积、再悬浮。水动力、细颗粒泥沙输运过程是淤泥质河口海岸 变化的重要物理过程，研究河口海岸水动力、细颗粒泥沙输运过程对航道整治、 港口建设、土地资源、水产、滩涂利用等有着不言而喻的重要意义。 泥沙在水动力作用下如何扩散、分布、输运是研究泥沙输运过程的核心问题。 然而，泥沙运动与众多因素相关，非常复杂，至今还难以从理论上进行严格描述， 人们常采用半经验半理论的方法，将泥沙运动参数化。例如用临界应力、沉降速 度、扩散系数等参数来表达泥沙运动的某些形式或特征。 在研究泥沙运动、分布规律的众多问题中，悬沙垂向扩散系数的确定是悬沙 垂向分布中最重要、最复杂，也是最困难的问题之一，因而对于悬沙垂向扩散系 数的思考与研究吸引了众多学者的兴趣( o b d e n1 9 3 3 、r o u s e l 9 3 8 等) 。 由于对悬沙扩散特性的研究具有半理论半经验的特点，大量实测、实验资料 是研究不可或缺的前提条件。通过实测、实验资料，总结规律，提出设想或引入 其它理论应用于悬沙扩散，验证设想和理论是悬沙扩散特性研究的主要特点。然 而在实测资料中三维、非恒定、非均匀、不平衡的情况占大多数，不易从中发现、 总结悬沙扩散特性，实验研究可以控制实验条件、简化问题的特点使得实验研究 对悬沙扩散垂向扩散系数的研究有着特殊意义。 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 1 2 研究现状 对于悬沙扩散的研究历来已久： 早在1 9 3 8 年，根据紊动扩散理论，o b d e n 和r o u s e 研究了水、沙两相流在 三维、非恒定、非均匀的不平衡情况下悬移质运动状态，并得到了水、沙两相流 中三维、非恒定、不平衡情况下悬移质质量平衡律( 连续律) 基本方程式( o b f i e n , 1 9 3 3 ；r o u s e ，1 9 3 8 ) ： 一警一等一警+ 等+a s 汁瓦a 【a s + 昙( 气= 瓦a s ( 1 - 1 )一百一百一百+ 百+。) + 瓦【矽+ 瓦( 气瓦) 2 瓦 式中，s 为悬沙浓度，“，v 和w 分别表示x ，y ，z 三个方向的流速；e 踊，e 妙，和e 踞分别为悬移质在x ，y ，z 三个方向的扩散系数；彩为泥沙的沉速。 悬沙随水流运动、扩散、沉降，泥沙颗粒所受外力主要有水流对泥沙作用力、 重力、泥沙颗粒间相互作用力。紊流中各层水团的交换将会引起各水层间泥沙的 交换，悬沙浓度梯度的存在使得向上运动的水团所挟带的沙量将大于向下运动水 团所挟带的沙量而使得整体表现出悬沙向上运动。同时，由于悬沙密度比水大， 在重力的作用下势必往下沉降。当因素动作用而上移的沙量与因重力作用而下沉 的沙量恰好相等时，悬移质含沙量沿垂线的分布达到平衡状态( 王兴奎，2 0 0 2 ) 。 在二维、恒定、均匀流的平衡情况下对( 卜1 ) 式进行简化并积分得n - - 维 水、沙两相流在恒定、均匀、平衡情况下悬移质质量平衡律( 连续律) 的基本方 程： t o s v 坞孕：0 ( 1 - 2 ) o b d e n 和r o u s e 通过引进沉速沿水深为定值和泥沙紊动扩散系数等于相应 的水流动量紊动扩散系数f ，= f ，两个假设，并采用k a r m a n - p r a n d f l 对数流速分 布公式求得了动量扩散系数，最后得到了二维、恒定、均匀流中平衡情况下，相 对含沙量s s a 沿水深分布的方程式，8 p r o u s e 公式： 一：( 垒= ! ! ) z s y hd ( 卜3 ) z ： 竺 2 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 式中，s a 为参考点悬沙浓度( g l ) ；a 为参考距离( m ) ；h 为水深；z = 竺， 艋“ 定义为泥沙的“悬浮指标”；茁= o 4 ，为k a r m a n 常数；u 为底床的摩阻流速。 泥沙“悬浮指标”代表了重力作用与紊动扩散作用的对比关系，反映了泥沙在 垂向上分布的均匀程度，即其值愈大，表明重力作用在与紊动扩散作用的对比中 愈强，悬移质含沙量在垂向上的分布越不均匀。反之，其值愈小，表明重力作用 在与紊动扩散作用的对比中愈弱，悬移质含沙量在垂向上的分布越均匀。 其后，人们对悬沙垂向分布的研究大多是在此基础上进行的验证和改进。人 们做了大量的工作验证这一理论公式的结构是否正确及公式的指数z 值是否与实 测值相符。大量野外实测资料和实验室内的研究表明，其结构是正确的。另一方 面，实铡的指数值z l 与理论值z 之间仍有一定差别( 王兴奎，2 0 0 2 ) 。 式( 卜3 ) 结构是正确的，但是计算的水面含沙浓度为0 ，床面处的浓度为无 穷大，这与实际情况不符。为了克服这一缺点，许多学者作了更进一步的研究。 张小峰和陈志轩( 1 9 9 0 ) 从悬移质扩散方程出发，考虑泥沙颗粒周围有部分流体 随泥沙颗粒一起运动，得出一个新的悬沙浓度分布方程： 曼：翌。 。4 ， 乳1 - m o s , + m o s r ( 旦) 2 y 式中，s v 为悬沙的体积浓度；s 。为参考点悬沙体积浓度；a 为参考距离； z ：旦，定义为泥沙的“悬浮指标，；m o 为大于l 的系数，它反映了颗粒表面附着水 体的影响，与颗粒形状、大小及含沙量等因素有关。 从( 卜4 ) 可以看出，在水面处含沙浓度不为0 ；在床面处，当y 趋向于0 时，含沙 浓度为泥沙初始干容重与沙粒比重之比，符合实际情况。此后张小峰和谈广鸣又 用相同的方法对非均匀沙的浓度分布进行研究，得出了任一粒径组悬沙浓度分布 ( 张小峰和谈广鸣，1 9 9 2 ) 。 王光谦和倪晋仁将固液两相流中泥沙颗粒的运动与分子运动比拟，推导出了 两相流的颗粒浓度分布( w a n ga n dn i ，1 9 9 0 ) ，低浓度固液两相流的运动理论 ( w a n ga n dn i ，1 9 9 1 ) 以及高、低浓度固液两相流的颗粒运动理论( n ia n dw a n g ， 3 华东师范大学硕士学位论文朱传芳 悬沙垂向扩散系数的实验研究 2 0 0 0 ) ，基本公式包括了传统理论的各种公式，能较为完善地描述含沙浓度的两 种分布型式，与实测资料的拟合也具有较高的精度。 悬沙的扩散特性是抽象概念，且与众多因素相关。悬沙的扩散系数是人们抽 象出来数字化表示悬沙在紊流中扩散的一个量，现实中却无法直接量测。对于密 度小且体积小的悬浮颗粒，可以认为颗粒严格随紊流水团运动，不考虑颗粒与水 流间的相对运动，紊流水团的扩散交换就是悬浮颗粒的交换扩散：占，= f 。，悬 h 一1 ， 沙的扩散就可以借用研究成熟的紊流扩散特性巳= = 批y 二 n r o u s e ，1 9 3 8 。有观点认为：悬移质颗粒并不完全跟随水团运动，悬移质扩散理论 中的悬浮指标理论值z 与实测指数z 1 不尽相符，这是由于r o u s e 公式中( 式1 - 3 ) 假定泥沙扩散系数与动量扩散系数相等的缘故，而实际上它们会有一定的差别： 毛= 瞩。v a n o n i 和c e l l i n o ( 1 9 9 9 ) 从实验资料得出口 1 ，而b r u s h ( 1 9 6 2 ) 的 实验结果表明a l ，g r a f ( 2 0 0 0 ) 分析了大量河流和水槽的实测资料得出，对于平 整床面，口 1 。 王兴奎和钱宁( 1 9 8 5 ) 考虑了泥沙颗粒间离散力对浓度的影响，得出扩散系 数与颗粒直径、密度和浓度之间的关系：泥沙扩散系数将随粒径和密度的加大而 增加，这是因为颗粒的比重越大，粒径越粗，其在紊动流场中运动的惯性越大， 就会具有较大的扩散系数，颗粒离散力随浓度加大而加大，综合作用使得悬沙浓 度的垂线分布更均匀，z 1 值比z 值小。绍学军( 1 9 9 0 ) 从泥沙颗粒的随机运动出 发对扩散系数作了理论上的探讨，得出只有当紊动漩涡的长度尺度大于或等于颗 粒直径时，紊动漩涡对颗粒的运动才是有效的，对于沉速处于紊流流区的颗粒， 扩散系数将随粒径的加大而增加，但颗粒密度的影响较小。近年也有研究从二相 流角度、悬沙浓度对沉速影响等诸多方面研究悬沙扩散 刘清泉1 9 9 7 ，林鹏2 0 0 3 ， 邓安军2 0 0 1 ，傅旭东2 0 0 4 ，陈立2 0 0 3 ，李丹勋2 0 0 2 等 。 c o l e m a n ( 1 9 7 0 ) 分析水槽实验和e n o r e e 河实测悬沙浓度资料发现，毛在靠近 底边界的边界层内区( y 0 1 h 0 2 h ，h 为水深) 近似为抛物线分布，在远离边界 的外区近似为常数，在自由水面处没有趋向于0 的趋势。v a nr i j n ( 1 9 9 3 ) 根据 c o l e m a n ( 1 9 7 0 ) 的结果提出了s 。的经验公式，并用几家悬沙浓度实验资料进行了验 4 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 证。刘建军( 1 9 9 6 ) 在分析天然河道高含沙水流实测含沙量分布时，也揭示了类 似的瓦垂线分布特征。g r e e n 等( 2 0 0 0 ) 在实测河口悬沙浓度分布时也指出水流 上部q 近似为常数。近年对水流流速和悬沙浓度的脉动相关项的量测表明近底占， 与f ，分布形状相似( g r a fa n dc e l l i n o2 0 0 2 ，n i k o r aa n dg o r i n g2 0 0 2 ，叶小云 2 0 0 3 ) ，更有众多针对泥沙浓度、泥沙粒径、泥沙密度、絮凝、紊动结构、脉动、 水沙相互作用等影响因子的研究 林鹏2 0 0 3 ，邓安军2 0 0 1 ，傅旭东2 0 0 4 ，陈立 2 0 0 3 ，李丹勋2 0 0 2 等 。 然而由于水沙相间作用、悬沙颗粒间作用、底边界的源汇作用、近底边界流 速非对数分布以及水沙与固体边壁之间作用等的复杂性，使得人们对悬沙的扩散 机理远未认识清楚，只得采用半经验半理论的方法研究泥沙的垂向扩散，表现为 水沙模型中通常采用不同形式的占，经验关系式，如假定s ，为常数、斜线分布或抛 物线形分布等( v a nr i j n1 9 9 3 ，汪富泉等1 9 9 8 ) 见图1 - 1 。 圈卜10 的四种垂向分布形式( v a nr i j n1 9 9 3 ) f i & 1 - 1s h a p e so fv do f 人们在对6 的几种形式的具体应用中发现：采用不同形式的勺，计算出来的 悬沙场差别甚大，如图卜2 ( v a nr i j n1 9 8 4 ) ，选用更接近实际情况的0 形式， 5 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 图1 - 2 悬沙浓度垂向分布( v a nr i j n1 9 9 3 ) f i g 1 - 2v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs s c 将大大提高悬沙场的计算精度。 本文利用河口海岸学国家重点实验室的波一流一泥沙变坡水槽，进行系列二 维均匀流平衡输沙情况下悬沙实验和波浪作用下悬沙实验，通过不同水流情况下 悬沙浓度的垂向分布和波浪作用下悬沙浓度的垂向分布，确定并分析悬沙垂向扩 散系数的特征，期望所得结果对于研究悬沙垂向结构有所裨益。 1 3 本文的研究内容 本文利用河口海岸学科学研究院河口海岸国家重点实验室的波流泥沙可变 坡水槽，实验研究t - 维均匀流作用下悬沙垂向扩散系数的垂向分布，并初步探 讨了在波浪作用下悬沙垂向扩散系数的垂向分布。 研究内容有 1 实验获得二维均匀流平衡输沙时的悬沙浓度垂向分布，与r o u s e 公式进行比 较； 2 由悬沙浓度垂向分布、沉速获得悬沙垂向扩散系数占。的垂向分布，与动量 扩散系数s 。进行比较； 3 研究在本文实验条件下悬沙垂向扩散系数的垂向分布； 4 实验获得在波浪作用下平衡输沙时悬沙浓度的垂向分布和悬沙垂向扩散系 数。 6 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 第二章实验方法和过程 2 1 水槽设备介绍 2 2 实验过程设计 2 3 二维均匀流状态的获得 2 4 平衡输沙状态的获得 2 5 实验数据采集 水槽实验时，无法直接测量到毛，而是根据测到的悬沙浓度垂向分布，通过 二维均匀流平衡输沙时的扩散方程：。s ，+ s ，孕；0 反推，其中国是悬沙沉降速 度，$ 为悬沙体积浓度。显然，实验的关键是获得二维均匀流平衡输沙。 2 1 水槽设备介绍 实验在宽o 5 m ，高o 7 m ，长为3 3 m 的波- 流- 泥沙可变底坡玻璃水槽中进行。 水槽装置如图( 图2 1 ) 。 圈2 1 实验水槽 f l 啦- ie q u i p m e n t so f t h ef l u m e 水槽由平水塔、水泵、备沙搅拌池、阀门、电磁流量计、玻璃水槽等部分组 成，由电脑控制，自动化操作。平水塔有进水管、出水管和溢水管，溢水管和水 泵联合可提供恒定水位并可提供流量为0 2 4 0 m 3 h _ 1 的稳定水流，精度为1m 3 h - 1 。水 流流量由阀门控制，由电磁流量计量测，由电脑控制的阀门和流量计自反馈系统 可以自动控制阀门从而控制流量。水槽设有尾门、悬挂和造波机，出水口尾门开 度可用来控制水槽内水位，变坡系统用来控制水槽底坡，可变坡2 - - 4 - 2 ，造波 机有伺服液压机提供动力，由造波软件控制，可以产生规则波，用谱方法获得随 7 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 机波，还可以造出破碎波。 2 2 实验过程设计 实验过程主要有准备、二维均匀流状态的获得、平衡输沙状态获得、数据采 集( 采样) 和数据处理。 做好准备工作：滤纸的编号、烘干、称重并记录：采样瓶清洗和编号、采水 器的制作；o b s 的律定等。 水槽中蓄水，静水情况下水位计调零。 取水流流量分别为3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 、2 4 0 m 3 h - 1 ，调整尾 门大小使水深为3 0 e r a ，调整底坡使得a b 段上下游水深接近一致，获得二维均匀 流。 向备沙池内加入适量沙，运行足够时间，利用o b s 观测水体浊度变化，判断 悬沙状态，获得二维均匀流平衡输沙状态。 采集温度、水位、水样、a d v ，样品处理。 2 3 二维均匀流状态的获得 实验中水流动力靠惯性和水面比降运动，同时受到边壁摩擦阻力，如图2 - 2 ， 水流从入水口进入水槽，流线向上，在入水口上方，水位较高，水团在水面坡 图2 - 2 水槽中水位分布示意图 f i 鲁2 - 2w a t e rl i n e mf l u m e 降驱动下加速到a 点；a 点再向下部分到b 点之间水面坡降与边壁摩擦阻力平衡， 为水面坡降平稳段；由于尾门的存在，使得尾门处水流横断面束窄，b 点到尾门 发生水位壅堵。所以：从水槽入水口到a 水流流速加速，从a 到b 基本匀速，从 8 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 b 到尾门减速。 水槽中水深和坡降由精密水位计量测：水位计精确到毫米，5 支水位计分布在 a b 两点间不同位置，实验前先经过静水调平，实验中可实时观测水深，从而获得 a b 段各点水深，结合底坡，获得水面坡降。 获得二维均匀流过程：操纵水槽控制软件，运转水泵，加满平水塔，然后打 开进水阀和出水阀门，配合电磁流量计调节迸水阀门百分比以控制水槽中水流流 量( 或用流量自动控制功能) ，获得所需流量，同时调节尾门大小，控制水深。经 一段时间后，水槽中水深形成如图2 2 三段，通过水位计获得不同点水深，通过 调整底坡使得a b 段上下游水深大致一致。再经一段时间，备沙池和平水塔水位 稳定水槽中水位稳定水槽中水流稳定，就可以在水槽中后段获得二维均匀流。 实验中需要调节水槽坡度使得水面和水槽底面平行，上下游水深一致，获得 二维均匀流，试验水槽流量、尾门、坡降和水深存在一定关系。经多次实践验证， 本文所用河口海岸学国家重点实验室的波一流一泥沙变坡水槽最大稳定流量范围 为3 0 , , 2 4 0 m 3 h 一，流量为2 4 0 m 3 h 1 且尾门最大时水深最小为2 6 e m 。 由于采水管外径8 m m ，当1 1 根水管同时采水，水深不应小于2 0 c m 。流量 为2 4 0 m 3 h “时二维均匀流最小水深为2 6 c m ，实验取水深为3 0 e m ，侧边界对水流 流速分布影响不大( 见图2 3 ) 。 。一。，羔燧 h - f ， 拶誉 彩 f4 t 措衔# 袅和诺弹 i 。螽 # 跫 嚣莓 。盎审鹰 王兴囊 t卡箩素狂崭控走 a 生无或秘拯控麦 辩笨蔓 f王辩奎和段宁 t毫 皂罗托辊恪擅 一公，h 8 z 口，h 圈2 - 3 最大流速位置与宽深比关系( 王兴奎2 0 蛇) f i g 2 - 3 t h er e l a t i o n s b e t w e e l l t h e p l a c e o f m e x o f v e l o c j t y a n d z e h 9 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 2 4 平衡输沙状态的获得 平衡输沙状态的获得主要2 个过程：加沙和稳定过渡。 加沙方式有2 种：a ，向备沙池水中加入过量泥沙，使悬沙浓度超过此时水流 挟沙能力，然后经过一段时间沉积，多余悬沙沉积到水槽底部，达到平衡输沙状 态；b ，实验前在水槽底部铺沙，经足够时间起悬，达到水流平衡输沙状态。 由于槽底铺沙的方法需要太长时间，所以我们采用a 类方法：利用钟德钰挟 沙公式： c = 0 0 2 1 1 0 。2 ( 2 1 ) ( g d 三 上) 1 5 式中c 为悬沙浓度，m 为底床的摩阻流速，为“上限粒径”，反映了悬沙组成。 算得实验条件下水流挟沙力，将适度过量泥沙加入备沙池中，在搅拌机作用下搅 拌均匀，经平水塔、进水管进入水槽，沉积，再经回水管回到备沙池。当全部多 余悬沙沉积后就获得平衡输沙状态，稳定过渡时间一般取全部水体参与循环所需 时间的2 3 倍，可用实时观测仪器0 b s 观测水体浊度( 主要由悬沙浓度引起) 变 化来进行判断：水槽中试验段水体浊度在时间上稳定下来并在纵向上分布均匀。 水槽中悬沙浓度从入口段到实验段变化趋势如图2 4 ，在入口段，悬沙混合 圈2 - 4 悬抄从入口刊实验段变化趋势 f i g 2 - 4t e n d e n c yo f s s cf r o me l l t n l n g et om i d d l e 均匀，悬沙浓度从底到水面相同。从入口到实验段过程中，上部悬沙浓度超过水 流“负荷能力”而底部悬沙浓度小于水流“负荷能力”，表现为上部悬沙浓度降低， 下部悬沙浓度增加，边界层内交换不平衡。悬沙随水流向前运动的同时还进行着 沉降和扩散：上部悬沙浓度减淡，下部悬沙浓度增大，总有一个时刻达到边界层 悬沙浓度和底床泥沙交换平衡状态。在实验段里，边界层内等量悬沙与底床床沙 1 0 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 交换，这里的悬沙在重力、浮力、切应力和紊动猝发等作用下运动或静止，悬沙 浓度围绕某一数值小范围变化，中间某一点悬沙浓度的大小由上游邻近点悬沙浓 度、下部邻近点悬沙浓度、此处沉降和扩散特性来决定。在沉降和扩散作用下， 悬沙浓度从边界层向水面递减。边界层内悬沙分布规律期待进一步研究。 2 5 实验数据采集 二维均匀流平衡输沙状态获得后就可以采集数据了：使用温度计采集水体温 度；水面坡降可结合水位计水深读数和底坡获得，从而计算摩阻流速u 。：、j 云歹； 水流瞬时流速采用超声波多普勒流速仪( m i c r o a d v ) 采集，此流速仪对单点测量 三维流速，将其用电动定位仪带动沿水流垂向匀速运动获得垂向流速分布，采样 频率设定为1 0 h z 连续采样，瞬时流速数据包含了瞬时流速和流速脉动；流量采用 电磁流量计测控；在垂向上分为1 0 层在1 1 点：离底4 毫米、0 1 h 、0 2 h 、0 3 h 、 0 4 h 、0 5 h 、0 6 h 、0 7 h 、0 8 h 、0 9 h 和表面取水样。然后滤纸过滤，烘干称重， 获得悬沙浓度。用激光粒度仪( c o u l t 既) 分析水样粒径分布。 实验采用长江口海滩天然沙，利用激光粒度分析仪( c o u l t e r ) 测得各层悬沙 中值粒径，分析实验所用泥沙属于粘性细颗粒，粘性细颗粒在盐淡水混合区域易 发生絮凝，而本试验经测量盐度为0 2 7 ，故可以不考虑絮凝影响( 陈庆强，2 0 0 5 ) 。 各组实验参数见表2 - 1 。 袭2 - l 二雏均匀流平衡输沙实验参敦 h m t 2 - lp a r a m e t e r so f 恤ee x p c r l m e n t s 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 由于紊动猝发、底床沙纹等影响，采集所得悬沙浓度含有一定统计性和随机 性，将相同情况下获得的一组悬沙浓度数据进行适当平滑和平均处理如图2 5 。 罨 引憧 图2 - 5 数据平滑处理 f i g 2 - 5i ) a t as m o o t h e d 1 2 1 0 9 0 8 o 7 o 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 - l 0 00 511 52 悬沙浓度( g l ) 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 第三章悬沙浓度的垂向分布 3 1 二雏均匀流平衡输沙悬沙浓度的垂向分布 3 2 二雏均匀流平衡输沙悬浮指标比较 因为在水槽实验时，无法直接测量到s ，而是根据测到的悬沙浓度垂向分布， 通过二维均匀流平衡输沙时的扩散方程国品+ 。等= 。反推。所以要研究悬沙垂 向扩散系数巳，必需获得悬沙浓度的垂向分布和悬沙沉降速度。本章对实验所得 悬沙浓度进行分析，并对比r o u s e 公式。 3 1 二维均匀流平衡输沙悬沙浓度的垂向分布 悬沙浓度的垂向分布，主要反映悬沙和床面泥沙的交换及水动力因素的关系。 近底悬沙浓度的分布反映它和床面泥沙的交换，悬沙浓度梯度大小反映重力作用 和紊动扩散作用相互制衡。 实验选择流量分别为3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 、2 4 0 m 3 h - 1 的二维均 匀流作用下，平衡输沙情况下的8 组实验，每组实验若干次，每次采集温度、水 位、流速、水样资料，将所得数据整理得8 组实验参数( 表2 - 1 ) 。 将水样经过滤纸过滤称重等处理，便得实测泥沙浓度沿垂线分如图3 - 1 所示。 1 0 9 o 8 n7 0 6 罨o 5 0 4 0 3 0 2 0 l 0 0 o 1 0 2n30 4 悬沙浓度( g l ) 第一组 1 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 00 2 0 4 0 6 悬沙浓度( g l ) 第二组 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 0 00 2n 40 6 悬抄浓度( g l ) 第三组 悬沙浓度c a l ) 第五组 悬涉裱度( g l ) 第七组 l o 9 0 8 0 7 o 6 罨0 ，5 0 4 0 3 0 2 o l 0 l o 9 0 8 0 7 0 ，6 专o 5 o 4 0 3 o 2 0 l 00 5l 悬沙浓度( s l ) 第四组 0o 51l | 5 惫沙浓度( g l ) 第六组 o123 悬沙浓度( g l ) 图3 1 悬沙浓度垂向分布 第八组 f i g - 3 - 1v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs s c 可以看到8 组实验普遍规律是：悬沙浓度随水流加大而增大，悬沙浓度自水面向 底递增，接近水面和近底区泥沙浓度梯度较大。 1 4 华东师范大学硕士学位论文朱传芳 悬沙垂向扩散系数的实验研究 用激光粒度仪分析水样悬沙粒度，得悬沙粒径d 。和的垂向分布如图3 - 2 ： l 0 - 9 o 8 o 7 0 6 上 、0 - 5 0 o 3 o 2 0 1 o5 一d 5 0 ( u - ) l o 9 0 8 仉7 n6 尝0 5 n4 o 3 o 2 0 1 o 第一组 l o - - - - 一d 9 0 ； h d 5 0 ( u m ) 1 0 9 0 8 n7 0 6 罨o 5 0 4 0 3 n2 n 1 0 第三组 一d 9 0 ： 01 0 + 嘶0 ( u ) 2 03 0 d 9 0 第五组 1 o 9 o 8 0 7 o 6 罨o 5 o 4 o 3 o 。2 0 l 0 、 nr n1 e o o 一d 5 0 ( m ) d 9 0 l 0 9 0 8 0 7 n6 罨o 5 0 4 0 3 o 2 0 ，1 0 第二组 o1 0 - 一9 5 0 ( m ) 1 n 9 n 8 o 7 n6 n5 n 4 n3 n2 n 1 0 2 03 0 - - - - - 一d 9 0 第四组 01 0 一d 5 0 ( 蛐) 2 03 04 0 - 一d 9 0 第六组 华东师范大学硕士学位论文 朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 02 0 - - - 4 - - d s 0 ( i m ) 4 0 一d l o 9 o 8 o 7 o 6 n 5 0 4 0 3 o - 2 0 l 0 02 04 0 p d s 0 ( u m ) d 9 0 第七组 第八组 圈3 - 2 悬沙颗粒d s o 和d 的垂向分布 r i s 3 2 v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f d s o d ” 从图中可以看到，随水流增强，悬沙变粗，d 。( 中值粒径) 和d 舯( 上限粒径，) 变 大。粒径分布也有垂向结构：粒径垂向分布普遍规律是自水面向底泥沙颗粒变 粗，随水流增强，粒径变大，其变化速度大约与流速变化速度的0 5 次方成正 比即：去* 吾，参考粒径仉是流速为参考流速u ，时的粒径。在垂向上梯 度比d 。更大。 人们对悬沙垂向分布的研究大多是在r o u s e 公式( 式1 - 3 ) 基础上进行的验证 和改进。人们做了大量的工作验证这一理论公式的结构是否正确及公式的指数z 值 是否与实测值相符。大量野外实测资料和实验室内的研究表明，其结构是正确的。 另一方面，实测的指数值z 1 与理论值z 之间仍有一定差别。( 王兴奎，2 0 0 2 ) 将实验所得悬沙浓度与r o u s e 公式( 式卜3 ) 拟合比较如图3 3 。实验实测 0t2 绷量护敝度0 ，l ) 一r 公式 第一组，r 2 = 0 9 7 蜜铡惫抄维度( b l ) 一b 公式 1 6 第二组，r 2 = o 9 8 华东师范大学硕士学位论文朱传芳 悬沙垂向扩散系数的实验研究 l o o 9 0 s 0 7 0 o 罨0 5 0 4 0 3 o 2 o l 0 0 0 01 02 0 实测泥沙浓度( g l ) - - r o u s e 公式 第三组，r 2 = o 9 8 0 01 0 2 0 实测泥沙浓度( g l ) - - r o u s e 公式 第五组，p z = o 9 9 1 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 012 实测泥沙浓度( g l ) r o u s e 公式 l o oo s1 o1 s2 02 5 实测泥沙浓度( r l ) - - r o u s e 公式 1 0 n9 o 8 0 7 n6 罨o 5 0 4 n3 0 2 n 1 n0 第四组，r 2 卸9 7 0 01 02 0 实测泥沙浓度( g l ) r o u s e 公式 l o e o e 0 。7 o 6 lo 5 0 4 o r 3 o 2 0 。l o 第六组，r 2 = 0 9 8 ol2 实铡最抄攘度( o l ) 一r o u l e 公式 第七组，r 2 = 0 9 6第八组，r 匐粥 图3 - 3 悬沙浓度垂向分布和r o u s e 公式比较 f i g s - sc o m p a r t n 晰m 、，do f s s c r o m e i i 悬沙浓度的垂向分布与r o u s e 公式比较除表面和底两点外拟合良好，但实测值z l 与理论值z 有差距。此处需要说明的是：泥沙浓度测量采用真空泵抽气负压同步 1 7 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o。；。 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ，o o o p 却o o o o o 华东师范大学硕士学位论文朱传芳悬沙垂向扩散系数的实验研究 虹吸抽取水沙样品，在垂向上将水流分为1 0 层在1 1 点采样，8 毫米直径软管分别 在离底4 毫米、0 1 h 、0 2 h 、0 3 h 、0 4 h 、0 5 h 、0 6 h 、0 7 h 、0 8 h 、0 9 h 取样， 表面用取样瓶直接灌取。因取水管尺寸所在，所以无法获得真正理论意义上的底 部和表面水样，且其中离底4 毫米所采水样受水槽底部底沙影响肯定不准确，本 文不讨论表面悬沙浓度是否为0 的问题，也不讨论近底悬沙浓度大小。所以本文 计算悬沙浓度垂向分布以较为准确的0 1 h 处悬沙浓度为参考点浓度。 3 2 二维均匀流平衡输沙悬浮指标比较 悬沙浓度垂线分布公式( i - 3 ) 中的指数z 确定了悬沙