水库异重流形成条件

对水流而言，引起密度差异的主要因素有:含沙量、水温、溶解质含量。

在水库中，挟有大量细泥沙的洪水进入水库壅水区后，浑水中的粗泥沙不能继续为水流所挟带，淤积在水库的进口部位，含有细颗粒泥沙的浑水，则与库内清水形成一定的密度差，由此产生压力的差别，开始潜入水库底部，形成底部异重流。潜入点标志着异重流已经开始形成。

两种或者两种以上比重相差不大、可以相混的流体，因比重的差异而发生的相对运动。即：如果一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性掺混现象的流动。由于水流挟带泥沙而形成的异重流称浑水异重流。流进水库的浑浊河水成舌状水流潜入库底，在水库清水之下沿库底向前运动，形成水库异重流；两河交汇，当各自水流含沙量不同时，可在汇合处产生分层运动现象，形成河道异重流。由于水流温度不同而引起的异重流称为温差异重流。进入湖泊（或水库）的冷河水，潜入湖底，形成下层异重流向前运动；火电厂的冷却水经冷凝器受热排入河流后，在较冷的河水上层沿程流动，形成上层异重流。由于水流含有盐分而形成的异重流称为盐水异重流。在河口处,河水密度小于海水,河水在随潮流进入河口区的盐水的上层运动并以扇状向海面散布，保持相当长的距离形成淡水舌，而海水则侵入河底沿河道上溯，形成成层程度不同的异重流，明显分层时即为盐水楔运动 (见河口水流)。水在空气介质中的流动,因水与空气的密度相差很大，一般不属于异重流。异重流又称密度流、分层流、浊流、底流、重力流等。中文异重流一词最初出现在1947年出版的《水利》杂志中的《异重流及水库减淤》一文。

1885年F.-A.福雷尔在法国科学院院报撰文，介绍了罗讷河河水进入日内瓦湖底产生分层流的现象和莱茵河流入康斯坦茨湖时，在入口处河水潜入湖底的现象，指出这些现象是由于河水温度较湖水温度低和含有泥沙所造成的。20世纪20年代，开始用盐水代替密度较大的冷水进行水槽实验和用粘土浑水做水库异重流实验，实验结果指出通过底孔有可能把冷水及浑水排出库外。1935年在美国米德湖蓄水时,观察到水坝底孔排出浑水，说明异重流可在水库底部持续运动达百余公里。40年代美国和法国进行若干异重流实验。50年代和60年代，中国先后进行了异重流的观测、分析和实验。70年代中国在水库和河道中观测到高浓度(含沙量大于200～300千克/米)异重流现象。

常用研究方法包括理论分析、实验研究和原型观测等。

水库异重流理论分析

应用流体力学的原理和方法探讨异重流形成、运动等问题的力学机理和计算方法,最新研究着眼于建立异重流的各种数学模型。

水库异重流实验研究

通过水槽试验和模型试验，不仅可为理论分析提供定量数据，也是解决工程中异重流课题的重要手段，模型律问题是进行异重流实验的关键问题。

水库异重流原型观测

实地观测不仅可验证理论分析与实验研究的结论，还可为异重流研究不断提出新的课题。三种方法的结合使下列问题的研究已取得了一定的进展：射流在有密度梯度的介质中的机理、影响交界面阻力的因子、异重流的不恒定运动、河口含盐浑水在潮汐水流中形成异重流的条件、界面液体交换问题等。

利用异重流特性，在水库减淤，给水排水工程设计与运用等方面可获得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水库和水电站时，设置底孔，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走,减少水库淤积,是水库减淤的主要措施；在给水工程中，根据异重流特性设计沉淀池，有利泥沙落淤，可获得较好的水质；修建火电厂可利用温差异重流特性，设置较深的取水孔引取冷水，而设置较高的排水孔排放热水。

但在某些情况下，异重流可带来很大危害。在河口形成的盐水楔往往阻碍上游来沙的下泄，并把海域泥沙带入河口，形成含沙量高的滞流区和拦门沙；在与河道交叉的引水渠或引航道处，浑浊河水可潜入引水渠或引航道，并向渠首内溯，而渠内清水自表层向大河回流，造成严重淤积等。

《异重流与泥沙工程实验与设计》是作者五十年来的泥沙异重流和泥沙工程科研成果，包括三部分：一为异重流水力学；二为泥沙工程中水库淤积、沉沙池和挖槽回淤等有关泥沙设计问题，其中不少处涉及异重流淤积问题；三为泥沙沉淀和饱和含沙量水槽实验的研究成果。

《异重流与泥沙工程实验与设计》对异重流的基本流动特性进行水槽实验，对水利工程异重流问题进行系统总结，分析运动的有关参数值如阻力系数、掺混系数、潜入点判别数等，在缓流和急流时的流态及其不同掺混性质，不同坡度下的前锋速度以及引航道进口异重流前锋速度。书中在异重流基本理论方面的部分成果属于首创，如潜入点判别数的定量估计，浑水掺混系数在缓流时为负值，船闸引航道异重流初速公式：其次，在工程应用方面提供设计方法，如水库异重流出库沙量的估算方法（已为设计院使用），电厂沉灰池和浑水沉沙池的异重流沉淀时异重流层中分离出清水的设计方法（已用于工程中）；在潮流区引潮沟或取水沟内的淤积量，利用试验和类似工程的实测数据类比的方法，作出估计。《异重流与泥沙工程实验与设计》关于泥沙工程的实例分析，多为解决实际工程设计而进行的。国内外已出版的异重流专著，似尚未有专门讨论浑水异重流工程泥沙的。

《异重流与泥沙工程实验与设计》可供有关泥沙工程设计的不同领域的技术工作人员、泥沙工程研究工作入员、大学水利工程学院、流体力学专业的教师和学生及其掌管水利工程决策人员的参考和借鉴。

异重流系环境与工业流动中最基本的流动形态之一，而开闸式异重流的初边条件最简单，能集中体现过渡性时空局部化湍流等异重流的基本物理特征，长期以来一直是相关研究的焦点。本项目通过实验观测、数值计算和理论分析，对开闸式异重流的整体推移和挟带稀释规律以及流场结构演化机理进行全面系统的基础研究，确定相应湍流模式和基本数值计算格式，进而开发适于一般实际需要的数值模拟软件。 2100433B