水力学及河流动力学基本问题研究

摘要：水力学及水流动力学的主要研究方向包括环境水力学、泥沙运动及河床演变、水环境控制及管理、生态水力学、地下水力学、计算水力学、海岸波浪运动等。本文简要回顾了我国水力学以及河流动力学近年来的发展历程以及现状，并针对新时期水力学及河流动力学的研究重点进行探讨分析，希望能够促进我国生态环境的健康可持续发展。

关键词：水力学;动力学;基本理论;研究方法

一、水力学及河流动力学的主要研究方向

水力工程项目是解决人类所面临的各种水问题的有效措施，而水力学及河流动力学的研究对水力工程的安全、经济、高效运行和水资源的可持续利用具有重要价值。在水力工程项目的设计、施工与运行管理的各个阶段中都需要科学的理论依据。而水力工程而对的自然与社会环境具有丰富和复杂性，能够运用的水纹资料往往不够完善。水化学以及水生物的不可控性，以及受地质和人类活动的影响，使以往的科研成果存在多方面的使用限制。所以，水力学研究的任务也是多方而的，包括对新问题的克服方法，更好地发挥学科交叉的优势，建立新的研究理论。在工程领域方面水力学及河流动力学的研究需要建立在自然科学基础上，其主要的研究方向为水工水力学、河流水力学、环境水力学、电站水力学以及生态水力学等。

二、水力学及河流动力学的主要问题

（一）基本理论以及研究方法

l、流体力学。流体力学识水力学的基础理论，研究的主要问题为紊流中的传输和掺混。所谓紊流是指具有瞬变流的特性，其水流作用力与边界条件关系密切。天然河流具有流动边界不规则的特性，而且这种边界形态是由水流自身缔造形成的。同时，水流的分层流和有悬流动是很多学者研究的重点问题。在水利工程中，如何将纳维——斯托克斯方程中的微观描述应用到大尺度的水工程建设之中是一个难题，即从微观的研究成果到宏观的工程应用的转化还有很多疑难问题需要解决。传输现象则是泥沙与环境水力学之间的问题。水流中物质的传输以及悬浮物、动量汇聚河流的掺杂过程还需不断研究和认证。

2、实验模型。在水力学研究的过程中，物理模型以及数学模型发挥了重要的作用。两者在研究中分别拥有各自优势，并具有一定的互补效果。如今物理模型和数学模型相结合的复合模型开始起到更大作用。而新的实验方法所研究研究的领域包括新的仪器测量方法，如粒子图像、激光、超声等速流仪，同时探求新的仪器对科学发展的推动作用，如示踪方法在紊流混掺、减阻、输砂研究中的功能体现。新型实验模型需要原型资料率定和榆验后才能够生效，而在此过程中数学模型以及物理模型也在不断地完善中。

3、系统科学与生态环境问题。水力学不仅仅是单纯的力学问题，在水流传输的过程中，往往伴随着物理、化学、生物传输现象。从流域系统角度讲，它包括社会与自然、经济与技术、环境保护以及资源高效利用等，系统科学已经被大量应用。现阶段水力工程引起的环境问题也开始越来越被重视，如水库环境、热电站的热污染造成的生态反应，微生物和鱼类迁移引发的热点环境问题。

（二）水力学应用

1、河流水力学。河流水力学又称动床水力学，主要研究泥沙艺术以及河床演变的基本理论和实际应用，同时也包括水流流域中对泥沙的产生以及致灾机理的研讨。以泥沙为主线条的流域生态系统的脆弱性研究，在泥沙防治以及工程排沙措施中具有重要价值。如在降低河流输沙能力的工程措施中，依据泥沙产生机理、泥沙研究特性以及相关泥沙防治理论开展工程排沙冲刷治理研究，可有效缓解或解决现代水利工程建设中泥沙河流危害。其中举世闻名的都江堰引水灌溉工程、引水枢纽内蒙古河套灌区等均通过科学的排沙措施解决了引水和防沙的矛盾问题。

2、生态水力学。在现代社会中，水生态环境是我国相关部门以及国民公众人们十分关注的问题，其中包括水土保持、水生生物多样性。水质污染以及生态系统保护等。现有的生态环境相关知识还无法满足社会发展的实际需要。除生态学外，生态问题还涉及到物理学、水力学、水文學和泥沙学、气候学、化学、生物学等其它众多学科，在具体的理论研究与工程应用中会运用到多门学科的协同合作。另外，因自然环境的复杂性，水生态系统的研究需要更多数学模型以及物理模型去模拟一些自然现象，从而更好地发挥其河流保护以及修复能力。

3、环境水力学。环境水力学的研究理论基目标主要为污染物的迁移扩散及转化原理，河道、水库中污染物运动的基本规律以及相应的求解方法，水中悬浮物对油污的吸附能力等。另一方面，在大型深水库环境水力学的特性研究中，主要是针对水库水温预测、密度分层规律、水库中污染物的降解治理而进行，并应用大量的计算机技术以及流体力学方法实施精细计算。环境水力学的研究在河道整治以及流域水质目标管理、流域水环境综合治理技术方面发挥着不可替代的作用。

参考文献

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[2]刘美华.河流动力学在河流泥沙中的应用[J].企业科技与发展，2015，14：20-21.

[3]曹叔尤，方铎.河流动力学进展[J].水科学进展，1992，04：319-325.

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