水力学及河流动力学研究展望资料

水力学及河流动力学研究展望水力学及河流动力学研究展望河流动力学的发展具有悠久的历史，但采用现代科学体系进行系统的研究 则是20世纪才开始的。河流动力学是以流体力学、地学、海洋和环境科学等为 基础的交叉学科，其趋势仍是采用各学科之长，在理论探索、科学实验和数学 模拟等方面深入发展。1研究发展趋势展望河流动力学的研究，它应包含两个方面的内容，一是在传统理论张现 代化量测技术的基础上，对已有的研究成果进行系统的总结、归纳和提高，对 一些假定和近似处理给出更严密的论证，对一些经典的试验成果重新进行检 验。二是开拓新的研究领域和研究方向，特别要注重与其它学科和最新的科学 技术融会贯通。在上世纪的 30年代至50年代，以Shields曲线、Rouse悬沙 公式、Meyer-Peter及Einstein推移质公式为代表，基本奠定了泥沙运动力学 的理论体系，半个世纪以来，主要是进行补充和完善的工作，除在工程应用方 面取得巨大的进展外，在理论体系上没有重大的突破。通过数十年来的理论积 蓄和量测技术的时代跨越，有望在近些年内在理论体系上取得突破性进展，在 试验科学上获得重大的成果。1.1.1基础理论研究河流动力学基础理论研究包括泥沙运动力学基本理论和河流过程原理及调 整规律的研究。早在30年代，Rouse应用扩散理论导出了悬移质泥沙浓度分布 公式，即扩散方程，它是进行输沙计算的基本方程。在现代两相流理论中，扩 散模型只是宏观连续介质理论的一种简单模型。更一般的模型是双流体模型，两相流中关于固液两相流的基本方程、作用力分析及其应力本构关系的理论，极大地促进了泥沙运动力学理论的发展。但泥沙运动理论与固液两相流理论又 有所区别，其内容更丰富，更独具创新性。悬移质、推移质、水流挟沙力、动 床阻力等等都是一般两相流理论中没有的概念。这些概念是泥沙运动力学理论 体系的基础，使得泥沙运动力学理论批固液两相流理论更生动、更便于在生产 实际中应用。悬移质和推移质输沙理论、非平衡输沙理论、水流挟沙力、床面形态和动床阻力等都是泥沙运动力学基础理论研究的重要内容，而且在80年代以前已经发展得比较成熟，之后除了引入固液两相流的双流体模型外，并没有 重大的进展，许多理论研究是低水平重复。因此，该领域的理论研究应集中在 两个方面：1）对现有的理论成果或成果或公式进行认真总结，去伪存真，归纳提高。如钱宁（ 1980）关于推移质公式比较的研究堪称范例，几家著名的推移质 输沙率公式尽管基于不同的理论，但都能转化为统一的结构形式，便于比较各家公式的适用范围及优缺点。倪晋仁（1987）导出了悬移质泥沙浓度分布的统一公式，其它著名的公式都是其特例，并论证了不论从哪一种理论出发，最后 的结果都与扩散理论具有相同的形式。各公式在推导过程中都不可避免的要引 入一些假设，因而理论上并不完善，适用范围也不尽相同。关于动床阻力、挟沙力等，都已经取得不少的成果，也应该进行类似的归纳总结工作。2）对不成熟的理论进行深入研究，争取取得理论上的突破。这些方面包括：非均匀沙不平衡输沙理论、高含沙水流运动理论、床面形态的空间结构及 动术阻力、管道输送固体物料的减阻机理、水流相干结构对泥沙输移的影响等河流过程原理主要是指河流的自动调整原理。“水往低处流”即形象地揭示了 河流发源于高山峻岭，奔流到海不复返的自然规律。来水来沙作用于不同的边 界条件，形成了丰富多彩的河道演变现象。河床演变学就是研究河道演变过 程，它不仅仅停留在对现象的描述，而且更重要的是探讨控制河道演变的规 律。如不同河型的形成、演变及转化条件，河流的自动调整原理等。在固壁边 界条件下，水流泥沙运动参量可以通过动力学方程求解得出。但对于不断蜿蜒 展宽（或缩窄）的松散边界的冲积河流来说，还缺少一个能反映河流（横向） 调整规律的动力学方程。80年代以来，以杨志达（C.T.Yang）为代表的一批学 者提出“能量耗散率极值”的条件（见Yang et al,1996 ）,建立补充方程来封闭 动力学方程组，取得了明显的进展，成为河流过程原理研究的重要方向。此 外，自80年代以来，黄河频繁断流，河道断流引起河道萎缩，加重了黄河下游 洪水灾害的危险。断流条件下黄河下游河道演变规律亦是一个全新课题，是值 得高度重视的研究方向。1.1.2 不平衡输沙和非恒定流输沙1.1.2.1 非恒定流输沙对于一条天然的冲积河流，在恒定水流的作用下，其河床的冲淤变化总是 趋向于平衡，但在非恒定流的作用下，冲刷或淤积的变化可能向单一的方向发 展而造成灾害。河道的冲淤变化不仅取决于水流能量的大小，而且与其能量的 变化率有直接的关系，河床的剧烈变化一般都是在洪水陡涨陡落的过程中发生 的，这也是边岸坍塌甚至溃决的最危险的时期。王兆印（1998）认为“非恒定流中的挟沙力、沙波运动和河床演变都有其 特有的规律，需要专门研究”宋天成和Graf （1996）的文章“明渠非恒定流的流 速和紊动分布”因其“在水流研究中具有卓越的价值”而在第27届国际水力学大会 上被美国土木工程师协会(ASCE评为1997年的Hilgard水力学奖(每两年从 全世界水利类的学术论文中评选一篇)。颁奖公告认为“在洪水(非恒定流)条 件下的泥沙输移可能带来灾害性的后果和对水利工程(如大坝和水库)以及环 境的实际损坏。迄今为止，人们主要进行均匀流的研究。现在，量测仪器和数 据采集系统的进展使得非恒定挟沙水流的研究成为可能。该文的研究奖有望开 创一个新的研究领域。”迄今在恒定均匀流的研究方面已取得了丰硕的成果，在清水非恒定流的研究方面也有较大的进展(Nezu,1997),而非恒定挟沙水流的研究则处于刚起步 阶段，代表性成果见于-德非恒定流输沙研究成果论文集(IJSR,1997,1997,2001 ).在非恒定流的条件下，泥沙输移一定是不平衡的，即不平衡输沙是该课题研究的核心。如Cellino和Graf (1990)的水槽试验结果表明，在饱和与非饱 和条件下，泥沙的输移规律是不相同的。1.1.2.2 不平衡输沙窦国仁(1963)最早提出了在矩形均匀断面条件下的不平衡输沙公式：Ul a- Sv S*(9-1)h式中：为泥沙恢复饱和系数；S*为垂线平均的水流挟沙能力。韩其为等(Han 1980)将方程(9-1)进一步扩展应用于天然河道，在恒定流的条件下将 上式沿垂线积分，并采用在床面的泥沙扩散率和沉降率为零的条件得出任v aSV akS*(9-2)dx q式中： 为底部含沙浓度与断面平均含沙浓度的比值，K为底部饱和含沙浓度与断面平均含沙浓度的比值，若近似认为即（9-1）式中的恢复饱和系数，将上式改写成:d Sv Sdxa- Svqdsdx(9-3)(9-4)对上式积分可得:SvSSo上式即为恒定流动中平均含沙浓度沿程的变化,出口断面的含沙浓度取决于进口断面的含沙浓渡S。、进口断面的饱和含沙浓S。、出口断面的挟沙能力S、河段长度L及恢复饱和系数等参数。韩其为（1997）对非均匀沙的二维不平衡输沙方程及边界条件进行了深入的研究，较严密地推导了恢复饱和系数的表达式，能较好地概括已有的研究成果。周建军（Zhou199Q 1997）在假定的 不平衡垂线浓度分布剖面条件下，得到了不平衡输沙方程和恢复饱和系数的近 似计算公式，采取侧向积分的方法推导了适用于天然河道总流的不平衡输沙方 程。研究结果表明，在二维数学模型和一维数学模型计算中，应采用不同的恢 复饱各系数。1.1.3 颗粒流研究研究河流动力学的理想方法应是分别写出两相各自的控制方程和和建立两相之间的本构关系，从数学上求解方程组，以获得对两相流运动的完整描述动理学的方法为这方面的研究提供了新的思路（傅旭东，王光廉2002）1.1.3.1 动理学的理论基础固液两相流动问题在自然界和工程应用中广泛存在，相应的研究方法多种 多样。这些方法基本可分为宏观描述的连续介质方法和微观描述的动理方法。其中，连续介质方法由于在流体力学中的成功而应用较早。在近二三十年内， 随着在气固两相流和快速颗粒的研究中取得长足进展，动理学方法在固液两相流的研究中也有一定的应用，如 Wangffi Ni(1991)、Aragon(1995)等的研究。基于微观单颗粒分析的动理学方法，不仅能够提供单颗粒尺度上的微观信息， 还可以通过对颗粒运动信息的统计平均，导出颗粒相连续介质形式的守恒型方 程，并提供相应的宏观输运系数。从描述颗粒相运动的Boltzmann方程出发，在一定的流动条件下求解出均、弹性、无粘性的球形颗粒的速度分布函数 f ,那么该条件下的颗粒相运动 的宏观特征参量也就随之确定下来。若单颗粒的质量为 m ,则单位几何体积内 的颗粒数目n为：nfdVi(9-5)颗粒相的平均速度Ui为：1 Ui Ui fdVi (9-6)n颗粒相的何种比浓度C、颗粒相的分密度Ps和颗粒相脉动速度5分别为：C nVs、Ps nm、ui Ui Ui (9-7)其中：Vs为单颗粒休积。在经典的气体分子动理学理论中，通常将颗粒速度相空间内的随机速度坐标U i变换为脉动速度坐标Ui ,并有下面形式的Boltzman方程：9-8dffdU-fFiffUUi UidtxidtuiuiUix定义颗粒属性的平均量tfdVi ,并将 乘以方程（9-8）的两边，在整个脉动速度空间内对方程（9-8）积分,就有颗粒属性的输运方程:5 nJ XiXidn ui dtxidUi_ dt uin Fi ui上 uiUj Xif duit c9-9在颗粒碰撞弹性、无摩擦的假定下，粒间碰撞并不改变颗粒相的数量、动量和能量。分别令m , mui,muiui/2 ,由输运方程就得到颗粒相的 守恒方程如下:连续方程：dpss* 0（9-10）dtxi动量方程：5 S弓.（9-11）工 （9-12）Xq 1 sVsVi2为颗粒相的脉动dtXi脉动能方程：s sFiViij2 dtXj式中，PjsMVj为颗粒相的脉动应力张量、能传导通量、T avivi为颗粒相脉动能。在上述守恒方程中，Rj、qi和T均匀未知参量、Fivi也没确定。这样，固液两相流动颗粒相动理学描述问题实质上就是在一定的外力Fi作用下，对颗粒速度分布函数f的求解和对这些未知物理 量的确定。1.1.3.2 低浓度固液两相流的动理学理论对于两相流中的离散颗粒相，连续介质假定在低浓度条件下难以成立，高浓度 下的颗粒间作用也难以用现有的连续介质方法描述。而动理学方法对该问题的 研究具有明显的优势。在两相流的动理学方法中，为了理论处理的简单，通常假定作用于颗粒上的外力与颗粒速度无关。这样，描述颗粒相运动的Boltzmann方程就与经典气体动理学中的方程形式相同：一 U i Fi (9-13)t Xi Ui t c式中，f f (Vi,Xi,t)为颗粒速度分布函数，是颗粒的随机速度 Vi、空间坐标Xi和时间t的函数，Fi为单位质量颗粒所受的外力；方程右边为颗粒间碰撞对速度分布函数的影响。这样的假定，不仅使得对两相流的研究可以完全参照 经典气体动理学的有关理论成果进行的，而且对于以重力和碰撞效应为主的气 周两相流和颗粒流运动也是合理的，这就大大推动了气固流和颗粒流研究的进 展。但在固液两相流动中，相间作用非常复杂，一般不能简化为与颗粒速度无 关。相应地，描述颗粒相的 Boltzmann方程应该采用下面的一般形式：f U,旦 txiuit(9-14)Wangffi Ni (1991)曾用动理学方法研究了低浓度情形下的固液两相流动。虽然采用了方程(9-14)所示的一般形式的Boltzmann方程，但在采用变分法求解时，他们仍然假定外力Fi和其它变分参数均与颗粒速度无关，从而获得简 单的理论解。但在固液两相流动中，很多流动特征不仅与颗粒受到的液相阻力有关，还与液相施加的其他作用力有关。1.1.4 水流量测技术展望随着对水流内部结构和运动机理的深入研究，需要更精明的试验资料以检验各种假定、基本理论的推导及确定数学模型的参数。在室内试验方面，将以非接触高精度的量测仪器为主。如超稳定、高灵敏 度和高度的压力传感器将是水位、水面波动测量的必备仪器。在流速测量方 面，对清水恒定流，二维和三维激光流速仪在施测频率高、施测体积小（约 1.0mn3）方面仍具优势，但局限于低含沙浓度的单点测量。超声流速仪能测量 垂线的瞬时流速和泥沙浓度分布，实现了从点到线的突破。其局限则是施测体 积较大（约4.5 X 20mml ,测量频率较低（小于20Hz）.高频率、大功率的 超声流速仪应具有良好的开发前景，在提高分辨率和测量频率方面都具有发展 潜力。如非均匀沙群体沉速的测量，可以大直径的长沉降筒中沿高度布设超声 浓度分布仪，精确测量浓度的沿程变化过程，从而计算非均匀沙的群体沉速。随着图像的摄录频率和转换频率及分辩率的大幅度提高和大功率光源的开发， 示踪图像流场测量技术将是最有发展前途的研究方法之一，它能测量瞬时的流 场剖面，即从线到面的跨越，能给出流场结构的空间信息，对研究流场的相干 结构具有独特的优势。例如，采用安装在水槽底部（水槽的底板为玻璃）和旁 侧的两组相互垂直的摄像镜头可以测量颗粒的三维运动轨迹，采用图像同步合 成和采样，经坐标系统的校正和计算，即可得出颗粒的三维运动特性，为泥沙 运动的理论分析和泥沙数学模型提供基础的验证资料（禹明忠，2002）。在野外测量方面，应将遥感（RS、地理信息系统（GIS）、卫星定位系统 （GPS和先进的量测仪器相结合，快速准确地测量各种流动参数，如河道的流速、水深、含沙量等可用 GPSffi超声流速浓度分布仪同时进行测量；洪水的监 测、河道长时段的冲淤变化可用 RS和GIS的技术进行判读、分析和对比得出。 1.2水流结构的研究河流动力学是在水力学和流体力学的基础上发展起来的，泥沙在水流的作 用下运动，即学科的发展与流体力学的进展密不可分。对紊流的研究已有一百 多年的历史，但很多基本的问题还有待于深入研究。1.2.1 时均流速分布基本参数的研究1.2.1.1 对数流速分布公式大量实测资料表明，明渠时均流速可用对数流速分布公式表达:(9-15)水力光滑区(9-16)U 1iBu*kKs1uKsB 5.5In Re* ,Re* kvB 8.5水力粗糙区(9-17)其中，U为距离理论床面y的时均流速,Ks为粗糙高度，可由Silberman(1963)公式计算:1Ks 2.52-=210g - =14.83 Re .2U*UlRe4RULv(9-18)作为光滑区的下限，上式为:1、210g2.52Re /(9-19)(9-15)式中的卡门常数k和积分常数B是需要由实验资料来确定的两个参数。许多实验结果表明，k值基本上不随流动条件而改变，而积分常数 B却因床面条件的不同而有所不同。从(9-15)式可以看出，k与U*成正比，而B 则与U*成反比，即首先必须确定摩阻流速 U*的数值。1.2.1.1.1 U*的计算方法摩阻流速U*的计算主要有以下几种方法：1） U*1、gRJ,对于宽浅河道，U*1加;2） U *2 U UV y 0 J3）测量粘性底层的流速分布，从 U 更2反求u*3； U* v4）测量对数流速分布区的流速分布 ，假定k 0.4,用（9-15）式反求U*4 。5）用Preston管直接测量床面的剪切应力 0,则U*5 厂7?。上述几种方法中，U*5的测量对流场有一定的干扰，已很少有人采用；U*4要先假定k 0.4,但在很多情况下是要研究流场的变化规律，先做此假定就达不到 研究的目的；U*3只适合于光滑边壁的精确量测，一般只能用高精度的激光流速 仪；在有条件的情况下，测量流场的紊动应力分布，取其回归直线趋于零时的 值计算U*2；在大多数的情况下，水深h是量测误差最小的参数之一，对恒定 均匀流，如能比较准确地测量水力坡降，则 U*1是最为简单而较为精确的测量方 法，它是只与流动的平均特性有关而独立于流场内部结构的统计参数。当确定了 U*以后，流速分布公式中还有三个参数必须确定，即理论床面的 位置y。、粗糙高度Ks和积分常数B ,但如何精确定出这三个参数的值却存 在很大的困难。1.2.1.1.2 理论床面位置水槽试验是研究明渠水流特性的基本手段，而平均流速的半对数分布对水 槽底部的起始位置是十分敏感的，如何确定床面位置长期困扰着研究者们。事 实上，大多数研究者对于光滑床面多是直接测量床面位置；对于沙质平整床面 则采用经验方法：对于有沙波的明渠流动，确定床面位置将更加困难。假定槽底从入口到末端是一块平板，但由于制造工艺的限制，难于保证完全平整，如对20m长的水槽，至少有1mmi勺误差。水流的流态需要一段长距离的调整才能形成，它受水槽进口条件、边界层的发展、水面波以及不光滑不平 整的床面和边壁的影响。在试验段进行流速量测是，尽管局部的床面位置可以 很精确地测定，但它并不能代表全流场真正的床面位置。分析表明，不论是清 水还是挟沙水流的明渠流动，理论床面的位置通过试验量测是很难确定的（王 殿常1998） 。 Einstein和El-Samni （1949）认为流速与离理论床面距离的对 数值应该是直线关系，在此直线上，U 0的y值即为y。因此可以断定，如果U*能够精确确定，Einstein和El-Samni确定理论床面的方法是合适的，但 问题是对数流速分布公式并未得到普遍的承认，比如尾流函数的观点。1.2.1.1.3 粗糙高度Ks根据（9-18）式可以计算Ks值，但有很多实测资料表明，在yRe的关系 图中，试验资料位于（9-19）式的下方，见图9-1 ,则Ks值无法用（9-18）式 计算，即（9-18）和（9-19）式还需经过大量的高精度的试验进一步研究。1.2.1.1.4 积分常数B的确定可以根据实测资料用（9-15）式回归计算B值，当实测数据在图9-1曲线 的下方时，取Re* 1。但大量的实测资料得不出（9-16）和（9-17）式的关 系,见图9-2。如在（9-15）式中假定k 0.4,Ks 0.5mm, B 8.5,可得y。0.0167mm,如y。的测量误差为0.1mm（测量精度的极限），即y。0.0167mm,则B 3.64。说明在现有的试验技术水平和量测精度下，根本 无法得出Nicorades试验的结果。一种解决的方法是研究明渠流最大流速 Umax的位置 和数值，采用亏值律 公式计算流速分布：Umax U 1ln（9-20）U* k其理论床面的高度直接影响到B的取值，但对最大流速的数值则几乎没有影响图9-1阻力系数与Re的关系图9-2 积分常数B与Re*的关系王殿常等（2001）给出了明渠水流最大流速的计算公式:0.54(9-21)Umx13 log U*Ks最大流速出现的位置则主要与水槽的宽深比有关(王兴奎 2001 ):0,44 0.106b 0.05sin b, b/5.2(9-22)hh5.2 h h式中b为水槽宽度，当b5.2时， ho1.2.1.1.5 各参数的相互关系上述分析表明，k、U*、B和Ks四者之间均相互关联，但四个参数都没有 确定性的理论值，需从实验测量中得到，而实验的流速分布还会受理论床面位 置的影响。进一步的研究将需要高精度的实验设备和仪器，得出可靠的U*值,用标准沙粒粘贴于床面测出 Ks值，这样就可以从时均流速分布求出 k和B值。 1.2.1.2 尾流律公式自1956年Coles为解释紊流边界层流动的发展过程提出尾流函数的概念以 来，许多学者将其应用于明渠均匀流动的时均流速分布研究。尾流函数的一般 表达式为：(9-23)其中 为边界层厚度，为尾流强度系数。垂线流速分布 y 为公式(9-15)和(9-23)的线性组合，即:(9-24)U 1ln 上 B sin2U*Ksk 2或改写为亏值律的形式:Umax U -ln ycos2 -y (9-25)U*k 2当y/ 0.15时，流速分布属于边壁区，可忽略尾流的影响，则 k和B可以由这个区域内的量测资料计算获得，尾流强度系数可由下式确定U max2u*1 ln BKs(9-26)对于明渠流动，垂线最大流速Umax及其位置 都是未知的， 无法直接由 水流条件计算，因而需要从实测资料确定。迄今为止，对值的研究虽然已有大量的试验结果，但其取值范围或计算公式都还没有基本一致的结论。对于发展中的边界层流动，最大的流速等于已知的外部流区流速，边界层 的厚度 亦可按相应的公式计算，如果已知摩阻流速 U*,则尾流强度系数 就 可以唯一确定。对于明渠流动，若最大流速 Umax位于水面以下，则它的大小和 位置都是未知的，因而无法用（9-26）式来计算。因此，对于边界层流动，U和 为已知条件，亏值律（9-15）式是可用的，但对于明渠流动，采用（9- 25）式没有实际意义。1.2.2挟沙水流的紊动结构和能量损失水流的紊动结构包括其紊动强度、概率密度分布、时间空间相关和能谱分 布及大尺度的相干结构等。窦国仁（1987）对水流的紊动结构进行了理论上的 探索，得出了各种紊动参数的计算公式。但更多的研究成果还是直接从实验中 得出的，人们对紊流的认识也是随着量测技术的提高和实验结果的深入逐步深 化的。对挟沙水流，基本上是研究其紊动特性与相同时均水流条件下清水紊动特 性的差异，从而找出其变化的规律性。但对很多基本的问题还存在很大的分 歧，如泥沙存在究竟是增加或减少水流的紊动强度仍有争论；又如颗粒受力的 概率密度分布，如认为流速为正态分布且（4-11）式对脉动流速也成立，则从 数学上证明颗粒受力的概率密度分布一定不是正态的，但（4-11）式对脉动流速是否成立还没有论证资料，而大量的试验结果表明，颗粒受力的概率密度分 布基本接近正态分布。对挟沙水流能量损失的研究已有大量的成果，但从能量损失的定义、测量 和计算方法、结果对比等都存在很大的差异。1.3交叉学科的发展河流动力学是一门边缘学科，从它建立之时起，就不断地与其它学科相互 交叉发展。传统意义上的泥沙学科只包括泥沙运动力学和河床演变学与治河工 程两方面的内容。本学科的学术专著，如钱宁先生的泥沙运动力学和河 床演变学、武汉水利电力大学的河流泥沙动力学、河流泥沙工程 学、河床演变与整治等都全面介绍了传统泥沙学科的内容。现阶段泥沙学科与其它学科的交叉日趋活跃，主要体现在下述几个方面：1.3.1 与地貌学交叉，形成河流动力地貌学为研究全流域面及其水系的组成物质和形态在流水动力作用下的演变和分 布规律的学科，采用固液两相流的基本理论来描述复杂多变的河流地貌形态及 其发展过程。研究的主要内容有水沙运动基本理论、水系与流域、阶地与古河 道、河相关系、河型过程、河口地貌过程的动力学的方法。采用河流动力地貌 学的基本理论对流域产沙与坡形发育的关系、流域与河流的响应关系、河型发 育过程的一般规律及江心洲河型成因等方面的研究将进一步促进该交叉学科的 深入发展（倪晋仁，1998）1.3.2 与环境学科交叉，形成环境泥沙学泥沙颗粒（特别是微细颗粒）具有很强的吸附能力，在运动过程中吸附和 携带水体中的污染物质，具运动机理遵循泥沙输移的力学规律。但污染特的吸 附过程和迁移转化、稀释降解等和污染物的物理化学性质密切相关，这些又属 环境科学的研究范畴。为了深入研究泥沙运动中的环境问题，必须结合泥沙运 动力学和环境学科的基本理论经、发挥两个学科的综合优势，采用原形观测、 室内和野外试验及数学模型计算等科学方法研究诸如推移质中重金属污染物的 吸附、迁移、沉积及重新起动的第二次污染；悬移质吸附和携带污染物的机理 等生产实际中的重大课题（黄岁梁，1995）1.3.3 与3s技术交叉，建立河流动力学信息系统为了充分开发江河流域的自然与旅游资源，加快区域经济发展步伐，有必 要建立与流域综合开发、生态环境的可持续发展、航运规划和河道整治等有关 的信息系统，以对各种生产活动进行科学评价，进而进出流域的总体建设开发 方案。为此需要及时掌握河流水系的基本情况，如河道在建工程前的原始情 况、建设过程中的演变及港口码头的变迁等。传统的实地调查测量的方法缺乏 宏观性和实时性，而且费时费钱，人工分析的手段亦难以顾及众多因素并进行 大规模的快速综合分析。因此，利用遥感（RS与地理信息系统（GIS）及卫星 定位系统（GPS技术进行与流域综合开发相关的信息调查与分析，并与传统的 河流动力学及河床演变学的研究手段相结合，为规划管理决策部门提供快速准 确的信息，这在生产实际中将具有重要的意义。综合利用遥感卫星影象数据、流域和河道实测数据及其它人文社会的相关 资料，借助遥感影象解译技术及地理信息系统空间分析技术，结合泥沙一维二 维数学模型及实体模型成果，对河道的动态特性进行实时预报，形成一个流域 规划与河道整治的快速评价与分析的信息系统。1.3.4 与非线性数学（分维分形）交叉，研究河流的自组织机理水流和边界作为与外界存在能量交换的开放系统，紊动的发生可能是该动 力系统的非线性因素造成的，确定性的非线性机制本身就包含了引发无规则运动的内因。这种源于确定性系统内部的、在控制参数达到临界值之后通过失稳 和各种类型的分叉最终表现出来的不确定性即为紊动。在自然界中，泥沙的运 动绝大多数都与紊动水流有着密切的关系。河流系统存在着服务于自我调整过 程的各种层次的功能自组织作用。河流通过营造沙波、增加动床阻力、削减挟 沙力，使沙波运动成为河流中等尺度的功能自组织的一部分。杨铁笙（1997）积多年之研究经验认为：了解淤积物的形成过程及其细观结构是揭示粘性细颗 泥沙成团起动机理的关键。初始均匀的粘性细颗粒泥沙浑水体系，在一定条件 下出现的絮凝沉降一一结网一一密实淤积现象，是河流系统在小尺度上的 自组织过程，即一种耗散表面自由能；同时在重力驱动下耗散其重力势能，使 二者之和即总体位能趋向最小；逐令淤积物干密度不断增大。淤积物中颗粒一 颗粒集团排列位置及相对距离的随机性决定了其相互链接的强度（粘结力）亦 具随机性，而非单一确定值。当水流强度达到临界条件时，床面某些弱链先遭 破坏，一些颗粒或颗粒集团脱离周边泥沙，形成“局部缺陷”；床面形态缺陷又 反作用于水流，使局部紊动剪切强度加大，引起“缺陷扩展”；局部破坏与流场 畸变的交互作用构成正反馈效应，最终导致“床面崩溃”。基于上述认识，专门 设计了一套实验与数值模拟相结合的研究方案，从颗粒集团的形成，形态特 征，链接方式，链结强度的空间随机性，及水中阳离子影响等诸方面入手，研 究粘性细颗粒泥沙淤积的自组织过程，淤积物的细观结构及其成团起动的机理；解释粘性细颗粒泥沙”缺陷发生一一缺陷扩展一一局部崩溃”的起动过程； 建立成团起动的判别条件：并用可视化数值模拟复演这一过程，并检验机理模 型之合理性。1.3.5 与人工智能、人工神经网络交叉，研究流域的产流产沙人工神经网络是在研究生物神经系统的启示下发展起来的一种信息处理方 法。它不需要设计任何数学模型，只靠过去的经验来学习，可以处理模糊的、 非线性的、含有噪声的数据。可用于预测、模式识别、非线性回归、过程控制 等各种数据处理的场合。流域产流产沙受地域、气候、植被、季节等诸多因素 的影响，不管是数学模拟还是实体模型试验，都需要大量的实测资料来验证， 复杂多变的边界和初始条件亦使研究结果难以达到需要的精度。应用人工神经 网络建立模型，只注重起始条件和最终结果，能通过部分准确样本的自学习来 体现各因子之间复杂的内在联系，比普通的数学模型具有更好的适应性和稳定 性，王向东（ 1999）在这方面进行了有益的探索，取得了一些有价值的成果。 1.3.6海岸泥沙运动力学海岸带一般都是一个国家社会经济发展的重点地区，河口治理与滩涂开发 等都要涉及到河口海岸泥沙运力学规律，因而得到广泛的重视。与河流泥沙运 动规律相比，自有其独特之处。首先，从动力特性上看，受径流、潮汐与波浪 的共同作用，河流泥沙运动力学中大量关于恒定均匀流的研究成果和基本概念 在这里均不适用。其次，泥沙粒径较细，通常属于悬移质运动范畴。在泥沙来 源上，运动中的泥沙，除径流带来的泥沙外。既有远距离漂移来的泥沙，也有 波浪从当地掀起的泥沙。在波浪的周期作用下，泥沙不断悬起、运动、沉降、 再悬起，构成泥沙运动的复杂图景。由于泥沙很细，泥沙直接从床面扬起运动 规律是最重要的基本问题。如果象一些文献报道的那样，河口地区的底形都是 由极细的泥沙形成的，那么，缺乏推移质运动的底形形成机理将与河流的床面 形态不尽的相同，其规律的研究还是新的课题。最后，河口地区细颗粒泥沙要 发生絮凝，将对泥沙沉降与起动特性产生较大影响。特别是在咸淡水的交界带，大量泥沙在此沉积，形成拦门沙。颗粒的絮凝可能形成独特的泥沙运动现 象，例如，底部床面形成的浮泥流层。关于浮泥流的形成机理、运动特性和阻 力规律等，可信的研究成果还不多见，值得深入研究。1.3.7荒漠泥沙学在风力作用下沙纹的形成机理及如何模拟沙纹的形成、演化过程一直是地 学界和力学界共同关心的课题，特别是近年来沙尘暴的危害日趋严重，开展荒 漠泥沙运动机理的研究刻不容缓，其研究成果对荒漠化防治具有指导意义。在19世纪末和20世纪早期，人们倾向于把风力作用下的沙纹形成过程与 水力作用下的形成过程相比较。通常，把沙质床面看做具有极大粘滞性并允许 凸起变形的流体，其上方则是粘滞性较小的空气流场，而粘滞性的差别将导致 床面的不稳定。另外的一些观点认为空气流动中的波型作用是控制沙纹形成过 程的外在因素。较早以空气动力学为理论基础，利用风洞等实验手段开始对风沙运动规律进行研究。英国物理学家拜格诺（R.A.Bagnold） 1935年在利比亚等地的沙漠中进行了风沙现象野外观测，并在室内做了大量模拟实验，于1942年完成了名著The Physics of Blown Sand and Desert Dunes, 钱宁，林秉南译，1959 一书，从而奠定了风沙运动研究的基础。在这本书里，拜格诺把风力作用下沙 粒的基本运动方式分为三种：表层蠕移、跃移和悬移。并且得出了很多重要的论断：（1）跃移质是风沙运动的主要组成部分；（2）跃移沙粒对床面的撞击 是沙纹形成的直接原因；（3）风成沙纹的间距等于跃移粒子的跃移距离等。拜 格诺的这些观点至今还有着十分重要的意义。计算机技术的迅猛发展，为自然科学研究提供了新的契机和手段。沙纹形成机理的研究也出现了一种新的方法计算机模拟。王光廉和冉启华(1998)初步建立了风沙运动的动力学模型并对复杂的非线性过程进行模拟。