低含沙水流交汇区能量-泥沙关系的实验研究及其在长江流域的应用

推荐：针对低含沙河流交汇区泥沙输移机制不明的问题，研究人员通过水槽实验与长江支流嘉陵江实测数据，首次建立了基于悬浮能耗散(ΔW)的线性关系模型(R2=0.919)，发现0.27×1044 J的临界能量阈值可维持泥沙平衡，为河床形态演化提供了新理论框架。

　　

河流交汇区是水系演变的"神经节点"，其复杂的水沙相互作用直接影响航运安全与生态平衡。长江作为全球重要河流，其支流交汇处长期面临泥沙淤积与河床变形的困扰。传统研究多聚焦高含沙水流（如黄河），而对长江这类低含沙(<7 kg/m³)交汇区的能量-泥沙耦合机制认识不足。更关键的是，现有理论难以解释：低含沙条件下是否存在类似高含沙水流的泥沙运动规律？能否建立普适性的能量耗散与河床变形关系？

针对这些科学难题，西安理工大学水利水电学院的研究团队创新性地采用"野外实测+室内水槽"双轨研究策略。通过设计7种不同交汇角(60°/90°)、流量比(0.36-0.52)和含沙量(4.18-7.59 kg/m³)的实验工况，在30米长的主槽与6米长的支槽中，利用声学多普勒流速仪(ADV)采集840个测点的三维流速数据，结合激光粒度仪分析135个泥沙样品的粒径分布。同时整合嘉陵江流域2007-2023年水文年鉴数据，首次系统揭示了低含沙交汇区的水沙运动规律。

关键技术包括：(1)三维相空间法去噪处理ADV原始数据；(2)基于Stokes公式计算清水沉速ω₀，结合含沙量修正获得浊水沉速ω；(3)通过Chen Xujian悬浮能量公式W=[(γ_s-γ)/γ_s]QSωt量化能量耗散；(4)采用断面输沙量差值法计算冲淤量ΔV。

3.1 水流流速分布特征

实验发现交汇后断面平均流速呈"升高-降低-再升高"趋势，分离区流速最低仅0.042 m/s。与高含沙水流类似，低含沙条件也出现流速梯度增大→剪切涡流增强→泥沙分选的连锁反应，证实了运动规律的普适性。

3.2 泥沙分布特征

泥沙浓度与中值粒径(D₅₀)在交汇区下游6-7断面达到峰值(10.46 μm)，形成明显的"沉积驼峰"。该现象源于低速分离区促使粗颗粒(>7.98 μm)优先沉降，而细颗粒继续输移，这一发现为预测淤积位置提供了标识。

3.3 能量分布规律

湍流动能(TKE)在X=1.3-2 m范围最高，而悬浮能量在含沙量>7 kg/m³时出现陡增峰。关键突破在于发现悬浮能耗散ΔW与冲淤量ΔV的线性相关性(R²=0.922)显著优于TKE(R²=0.501)，说明悬浮能量是驱动泥沙输移的直接能量形式。

3.5 自然河流验证

嘉陵江三流交汇数据分析显示，仅考虑干流时R²=0.145，而纳入泥沙贡献率高的涪江支流后，拟合优度跃升至0.844。最终建立的全断面关系式ΔV=1.11172ΔW-0.30367，精度达0.919，证实模型对多支流系统的适应性。

这项发表于《Journal of Immunological Methods》的研究具有三重意义：理论层面，首次构建了低含沙交汇区能量-泥沙定量模型，突破了过去依赖高含沙经验的局限；方法层面，提出的悬浮能量指标比传统TKE更具预测性；应用层面，0.27×10⁴⁴ J的临界阈值可为长江中下游航道疏浚工程提供决策依据。研究团队特别指出，该模型需通过不同河床条件(如植被覆盖、洪水扰动)的野外测量进一步验证，未来可拓展至日尺度能量平衡研究。