水庫異重流

河道挾沙水流潛入水庫的清水下面形成的異重流。河道挾沙水流進入水庫回水區後，隨著水深和過水斷面增大，流速和挾沙能力迅速降低，粗顆粒泥沙在庫尾淤積，形成淤積三角洲，挾帶細顆粒泥沙的渾水(粒徑小於0.025mm)在一定條件下沿三角洲前坡潛入庫底並沿庫底向壩前運動，形成異重流，如能在到達壩前時及時打開底孔，則可將大量異重流排入下遊河道，減少水庫淤積。

基本介紹

• 中文名：水庫異重流
• 外文名：Density current in reservoir

異重流簡介

兩種或者兩種以上比重相差不大、可以相混的流體，因比重的差異而發生的相對運動。即：如果一種流體沿著交界面的方向流動，在流動過程中不與其它流體發生全局性摻混現象的流動。由於水流挾帶泥沙而形成的異重流稱渾水異重流。流進水庫的渾濁河水成舌狀水流潛入庫底，在水庫清水之下沿庫底向前運動，形成水庫異重流；兩河交匯，當各自水流含沙量不同時，可在匯合處產生分層運動現象，形成河道異重流。由於水流溫度不同而引起的異重流稱為溫差異重流。進入湖泊（或水庫）的冷河水，潛入湖底，形成下層異重流向前運動；火電廠的冷卻水經冷凝器受熱排入河流後，在較冷的河水上層沿程流動，形成上層異重流。由於水流含有鹽分而形成的異重流稱為鹽水異重流。在河口處,河水密度小于海水,河水在隨潮流進入河口區的鹽水的上層運動並以扇狀向海面散布，保持相當長的距離形成淡水舌，而海水則侵入河底沿河道上溯，形成成層程度不同的異重流，明顯分層時即為鹽水楔運動 (見河口水流)。水在空氣介質中的流動,因水與空氣的密度相差很大，一般不屬於異重流。異重流又稱密度流、分層流、濁流、底流、重力流等。中文異重流一詞最初出現在1947年出版的《水利》雜誌中的《異重流及水庫減淤》一文。

形成條件

對水流而言，引起密度差異的主要因素有:含沙量、水溫、溶解質含量。

在水庫中，挾有大量細泥沙的洪水進入水庫壅水區後，渾水中的粗泥沙不能繼續為水流所挾帶，淤積在水庫的進口部位，含有細顆粒泥沙的渾水，則與庫內清水形成一定的密度差，由此產生壓力的差別，開始潛入水庫底部，形成底部異重流。潛入點標誌著異重流已經開始形成。

相關研究

1885年F.-A.福雷爾在法國科學院院報撰文，介紹了羅訥河河水進入日內瓦湖底產生分層流的現象和萊茵河流入康斯坦茨湖時，在入口處河水潛入湖底的現象，指出這些現象是由於河水溫度較湖水溫度低和含有泥沙所造成的。20世紀20年代，開始用鹽水代替密度較大的冷水進行水槽實驗和用粘土渾水做水庫異重流實驗，實驗結果指出通過底孔有可能把冷水及渾水排出庫外。1935年在美國米德湖蓄水時,觀察到水壩底孔排出渾水，說明異重流可在水庫底部持續運動達百餘公里。40年代美國和法國進行若干異重流實驗。50年代和60年代，中國先後進行了異重流的觀測、分析和實驗。70年代中國在水庫和河道中觀測到高濃度(含沙量大於200～300千克/米)異重流現象。

研究方法

常用研究方法包括理論分析、實驗研究和原型觀測等。

理論分析

套用流體力學的原理和方法探討異重流形成、運動等問題的力學機理和計算方法,最新研究著眼於建立異重流的各種數學模型。

實驗研究

通過水槽試驗和模型試驗，不僅可為理論分析提供定量數據，也是解決工程中異重流課題的重要手段，模型律問題是進行異重流實驗的關鍵問題。

原型觀測

實地觀測不僅可驗證理論分析與實驗研究的結論，還可為異重流研究不斷提出新的課題。三種方法的結合使下列問題的研究已取得了一定的進展：射流在有密度梯度的介質中的機理、影響交界面阻力的因子、異重流的不恆定運動、河口含鹽渾水在潮汐水流中形成異重流的條件、界面液體交換問題等。

利用與防治

利用異重流特性，在水庫減淤，給水排水工程設計與運用等方面可獲得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水庫和水電站時，設定底孔，合理運用在庫底運動的渾水異重流可把泥沙排走,減少水庫淤積,是水庫減淤的主要措施；在給水工程中，根據異重流特性設計沉澱池，有利泥沙落淤，可獲得較好的水質；修建火電廠可利用溫差異重流特性，設定較深的取水孔引取冷水，而設定較高的排水孔排放熱水。

但在某些情況下，異重流可帶來很大危害。在河口形成的鹽水楔往往阻礙上游來沙的下泄，並把海域泥沙帶入河口，形成含沙量高的滯流區和攔門沙；在與河道交叉的引水渠或引航道處，渾濁河水可潛入引水渠或引航道，並向渠首內溯，而渠內清水自表層向大河回流，造成嚴重淤積等。