最大广义流原理与河道泥沙输运

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河流网络是一个复杂的开放系统。复杂性在于完全开放性、系统输入(水流、泥沙及其不同组合)的随机性、以及水流与河道之间的复杂耦合关系。对这些关系进行比较清晰地描述是非常困难的。为此,本文引入最大广义流原理,将水、沙及其复杂组合关系包含在广义流中,依据开放自适应系统演化以使系统获得最大广义流的基本思想,探索河流泥沙输运规律,以及在不同的水沙组合条件下河道的演化机制。在河网系统中,水流量与含沙量是两个最主要因素,既反映输入又体现输入与河道问的作用(河道冲淤导致含沙量变化)。本文尝试运用最大广义流原理探索水沙组合与河型转化之间的关系。   主要工作如下:   1)介绍前人对河网系统的研究方法及其成果,概述最大广义流原理,给出普适于复杂开放系统的最大广义流原理的流方程。   2)将广义流引入河道泥沙输移以及冲淤变化导致的河道形态演化过程。在水沙关系的约束条件下,利用拉格朗日乘子法求解最大广义流,并认为河道通过自适应调节达到广义流最大化的状态即是水、沙与河道作用达到的最优河型选择。在这种最优状态下,考察由携沙系数表征的水流携沙力与流量、含沙量之间的关系。结果表明,携沙系数与流量之间服从幂关系;携沙系数与含沙量之间存在复杂关系:随含沙量的增大(对应河流由清水期向浑水期的逐渐转变)携沙系数呈现先减小后增加的变化,与清水、浑水的携沙机制的不同相对应,可以解释河道冲.淤转变的双临界现象。清水期含沙量的增加导致主导携沙的水流湍流态受到抑制,携沙能力降低,河道在一个泥沙含量临界值处发生一次由冲转淤的变化。随含沙量的逐渐增大,水流湍流态被进一步抑制,同时水流成为高含沙的浑水,水流携沙转变为由水流浮力所主导。含沙量的增大意味着浮力增大,携沙力增强,河道在又一个临界值处发生一次由淤转冲的变化。   最后对全文进行总结,并对所做的工作做了展望。
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