15、河流中床形、粗糙度及河道形态的研究

河流中床形、粗糙度及河道形态的研究

1 床形发展与粗糙度过渡

1.1 床形发展模型

对于双峰砂 - 砾混合物，在相对较低的床面剪切应力下，最初会形成波纹。随着剪切应力增加，会观察到推移质层与波纹同时出现，并且搬运的沉积物数量和粒径也会增加。然而，床形凹槽中的粗颗粒物质会阻碍侵蚀。当床面剪切应力进一步增加时，低起伏床波（LRBW）开始发育。从推移质层向低起伏床波过渡期间，沉积物输移速率和湍流强度会迅速增加。

1.2 粗糙度过渡现象

在非均质沉积物中，存在纵向的粗糙度过渡，特别是在推移质层和低起伏床波的波峰处。一些浅滩 - 深潭序列中，由于床面沉积物的快速变化，也会出现类似的粗糙度过渡。当床面存在砂质（纵向）条带时，局部河道几何形状可能导致水流从粗颗粒沉积物斜向穿过到细颗粒沉积物，从而产生粗糙度过渡。

粗糙度过渡会形成内部边界层，其高度和特征取决于表面粗糙度条件的变化。从相对光滑的床面过渡到粗糙床面时，会影响近床速度梯度，并使速度剖面产生曲率，近床速度剖面会随着向下游距离的增加而变得更加向上凹。在“光滑 - 粗糙”过渡点的下游，局部床面剪切应力会显著增加。

1.3 粗糙度过渡对近床速度和湍流的影响

粗糙度过渡会影响粗颗粒河道中的近床速度测量。在过渡点处，边界剪切应力和粗糙度长度会显著增加。过渡点下游，速度剖面逐渐向上凹。上下游区域的空间平均速度剖面存在显著差异，过渡点下游的剪切速度和粗糙度长度更大，这可能是床沙输移开始的区域。

表面纹理特征的快速变化也会影响水流湍流。在“光滑 - 粗糙”过渡的河道中，过渡点以下的湍流强度普遍增加，最大值出现在大约等于床面物质中值粒径两倍的高