水力學(xué)及河流動力學(xué)基本問題研究

曹云龍　華玉多

摘要：水力學(xué)及水流動力學(xué)的主要研究方向包括環(huán)境水力學(xué)、泥沙運動及河床演變、水環(huán)境控制及管理、生態(tài)水力學(xué)、地下水力學(xué)、計算水力學(xué)、海岸波浪運動等。本文簡要回顧了我國水力學(xué)以及河流動力學(xué)近年來的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀，并針對新時期水力學(xué)及河流動力學(xué)的研究重點進行探討分析，希望能夠促進我國生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水力學(xué);動力學(xué);基本理論;研究方法

一、水力學(xué)及河流動力學(xué)的主要研究方向

水力工程項目是解決人類所面臨的各種水問題的有效措施，而水力學(xué)及河流動力學(xué)的研究對水力工程的安全、經(jīng)濟、高效運行和水資源的可持續(xù)利用具有重要價值。在水力工程項目的設(shè)計、施工與運行管理的各個階段中都需要科學(xué)的理論依據(jù)。而水力工程而對的自然與社會環(huán)境具有豐富和復(fù)雜性，能夠運用的水紋資料往往不夠完善。水化學(xué)以及水生物的不可控性，以及受地質(zhì)和人類活動的影響，使以往的科研成果存在多方面的使用限制。所以，水力學(xué)研究的任務(wù)也是多方而的，包括對新問題的克服方法，更好地發(fā)揮學(xué)科交叉的優(yōu)勢，建立新的研究理論。在工程領(lǐng)域方面水力學(xué)及河流動力學(xué)的研究需要建立在自然科學(xué)基礎(chǔ)上，其主要的研究方向為水工水力學(xué)、河流水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)、電站水力學(xué)以及生態(tài)水力學(xué)等。

二、水力學(xué)及河流動力學(xué)的主要問題

（一）基本理論以及研究方法

l、流體力學(xué)。流體力學(xué)識水力學(xué)的基礎(chǔ)理論，研究的主要問題為紊流中的傳輸和摻混。所謂紊流是指具有瞬變流的特性，其水流作用力與邊界條件關(guān)系密切。天然河流具有流動邊界不規(guī)則的特性，而且這種邊界形態(tài)是由水流自身締造形成的。同時，水流的分層流和有懸流動是很多學(xué)者研究的重點問題。在水利工程中，如何將納維——斯托克斯方程中的微觀描述應(yīng)用到大尺度的水工程建設(shè)之中是一個難題，即從微觀的研究成果到宏觀的工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化還有很多疑難問題需要解決。傳輸現(xiàn)象則是泥沙與環(huán)境水力學(xué)之間的問題。水流中物質(zhì)的傳輸以及懸浮物、動量匯聚河流的摻雜過程還需不斷研究和認證。

2、實驗?zāi)Ｐ?。在水力學(xué)研究的過程中，物理模型以及數(shù)學(xué)模型發(fā)揮了重要的作用。兩者在研究中分別擁有各自優(yōu)勢，并具有一定的互補效果。如今物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的復(fù)合模型開始起到更大作用。而新的實驗方法所研究研究的領(lǐng)域包括新的儀器測量方法，如粒子圖像、激光、超聲等速流儀，同時探求新的儀器對科學(xué)發(fā)展的推動作用，如示蹤方法在紊流混摻、減阻、輸砂研究中的功能體現(xiàn)。新型實驗?zāi)Ｐ托枰唾Y料率定和榆驗后才能夠生效，而在此過程中數(shù)學(xué)模型以及物理模型也在不斷地完善中。

3、系統(tǒng)科學(xué)與生態(tài)環(huán)境問題。水力學(xué)不僅僅是單純的力學(xué)問題，在水流傳輸?shù)倪^程中，往往伴隨著物理、化學(xué)、生物傳輸現(xiàn)象。從流域系統(tǒng)角度講，它包括社會與自然、經(jīng)濟與技術(shù)、環(huán)境保護以及資源高效利用等，系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)被大量應(yīng)用。現(xiàn)階段水力工程引起的環(huán)境問題也開始越來越被重視，如水庫環(huán)境、熱電站的熱污染造成的生態(tài)反應(yīng)，微生物和魚類遷移引發(fā)的熱點環(huán)境問題。

（二）水力學(xué)應(yīng)用

1、河流水力學(xué)。河流水力學(xué)又稱動床水力學(xué)，主要研究泥沙藝術(shù)以及河床演變的基本理論和實際應(yīng)用，同時也包括水流流域中對泥沙的產(chǎn)生以及致災(zāi)機理的研討。以泥沙為主線條的流域生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性研究，在泥沙防治以及工程排沙措施中具有重要價值。如在降低河流輸沙能力的工程措施中，依據(jù)泥沙產(chǎn)生機理、泥沙研究特性以及相關(guān)泥沙防治理論開展工程排沙沖刷治理研究，可有效緩解或解決現(xiàn)代水利工程建設(shè)中泥沙河流危害。其中舉世聞名的都江堰引水灌溉工程、引水樞紐內(nèi)蒙古河套灌區(qū)等均通過科學(xué)的排沙措施解決了引水和防沙的矛盾問題。

2、生態(tài)水力學(xué)。在現(xiàn)代社會中，水生態(tài)環(huán)境是我國相關(guān)部門以及國民公眾人們十分關(guān)注的問題，其中包括水土保持、水生生物多樣性。水質(zhì)污染以及生態(tài)系統(tǒng)保護等。現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境相關(guān)知識還無法滿足社會發(fā)展的實際需要。除生態(tài)學(xué)外，生態(tài)問題還涉及到物理學(xué)、水力學(xué)、水文學(xué)和泥沙學(xué)、氣候?qū)W、化學(xué)、生物學(xué)等其它眾多學(xué)科，在具體的理論研究與工程應(yīng)用中會運用到多門學(xué)科的協(xié)同合作。另外，因自然環(huán)境的復(fù)雜性，水生態(tài)系統(tǒng)的研究需要更多數(shù)學(xué)模型以及物理模型去模擬一些自然現(xiàn)象，從而更好地發(fā)揮其河流保護以及修復(fù)能力。

3、環(huán)境水力學(xué)。環(huán)境水力學(xué)的研究理論基目標主要為污染物的遷移擴散及轉(zhuǎn)化原理，河道、水庫中污染物運動的基本規(guī)律以及相應(yīng)的求解方法，水中懸浮物對油污的吸附能力等。另一方面，在大型深水庫環(huán)境水力學(xué)的特性研究中，主要是針對水庫水溫預(yù)測、密度分層規(guī)律、水庫中污染物的降解治理而進行，并應(yīng)用大量的計算機技術(shù)以及流體力學(xué)方法實施精細計算。環(huán)境水力學(xué)的研究在河道整治以及流域水質(zhì)目標管理、流域水環(huán)境綜合治理技術(shù)方面發(fā)揮著不可替代的作用。

參考文獻

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