河流大氣系統(tǒng)兩種湍流運動耦合的探討

1、《水資源研究》第24卷第4期(總第89期)2003年12月河流河流—大氣系統(tǒng)兩種湍流運動耦合的探討大氣系統(tǒng)兩種湍流運動耦合的探討鄧聯(lián)木（長江水資源保護科學研究所，湖北武漢430051）摘要：要：在天然河流大尺度紊動結構研究的基礎上，同時應用水文氣象和近地層大氣湍流結構的有關研究成果，以大型水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響為背景，以河流—大氣為整體體系，探討兩種湍流運動的各自特征及兩者的耦合，并根據(jù)動量傳遞理論提出了穩(wěn)態(tài)情況下一種簡單的耦合

2、模式方程與解法。可為大型水利工程對當?shù)厮臍夂蚝退Y源的影響評價提供一個方面的理論依據(jù)，幫助流域生態(tài)環(huán)境的保護與改善，增強水利與水資源可持續(xù)性發(fā)展能力。關鍵詞關鍵詞：河流；大氣；系統(tǒng)；湍流；耦合；反饋機制；動量傳遞1研究目的與方法研究目的與方法自20世紀70年代以來，國內外科技界在高壩大庫對河流生態(tài)環(huán)境的影響問題上產生了不同意見的激烈爭論。一種意見認為，修建大壩、特別是在大江大河干流上修建高壩大庫會破壞河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的平衡，對氣候產

3、生不良影響，引起庫區(qū)上游降水量減少等問題。另一種意見認為興建水庫造福人類，不會對河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產生大的影響，氣候的變化是受大氣環(huán)流控制的，與水庫的興建無關，降水量的減少是大范圍氣候變化所致，而不是水庫本身或人類活動等影響。孰是孰非？至今雙方都還沒有理論依據(jù)。筆者統(tǒng)計分析了大量巳建水庫資料發(fā)現(xiàn)，河流攔蓄后，普遍引起了庫區(qū)上游降水量和徑流量的顯著減少，而且減少的程度與河流被攔蓄的規(guī)模有關，攔蓄規(guī)模越大(即水庫總庫容與年徑流量的比值越大）

4、，減少的程度也越大。但全流域的徑流量并沒有減少，只是流域降水量與徑流量的時空分布發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)在水庫上游減少，而不受攔截影響的下游卻不但沒有減少甚至還有所增加。其中，也有個別相反的例子，即水庫上游降水量與徑流量顯著增加。所以，筆者認為，水庫引起庫區(qū)上游降水量與徑流量顯著變化的主要原因，可能不是大范圍氣候變化所致，用“水庫湖泊效應”等原因也難以解釋通；有可能是水文氣候因子，即河流的環(huán)境氣候系統(tǒng)中物質與能量的湍流輸送機制和反饋機制發(fā)生

5、了改變的原因。在國外，例如美國科技界，不但研究大壩對流域局地氣候、降水量、徑流量與生態(tài)系的影響，還進一步研究大壩對大尺度水文影響及地區(qū)性河川徑流情態(tài)與水文氣候有關的理論問題，如海洋振動（即厄爾尼諾與拉尼拉現(xiàn)象）與局地氣候、降水量及河川徑流量的關系，大尺度大氣環(huán)流模式與流域局部干旱及河川枯水徑流的關系，局部反饋機制與大尺度氣象條件之間的相互作用，全球尺度和中尺度氣候現(xiàn)象與流域局部天氣、河川徑流及生態(tài)過程的耦合現(xiàn)象，等等。因此，2002年

6、國際水力學會新加坡學術會議提出，21世紀水科學中需要重點研究的6大重點課題之一是，將水與氣作為一個系統(tǒng)來研究，通過界面切應力作用產生大尺（2）概率密度函數(shù)。天然河流流速脈動的概率密度函數(shù)在一般自由紊流區(qū)可以用正態(tài)分布函數(shù)來描述，即：(7)222)21()(iuiiuuiTeuf?????或(8)222)()21()(iuiiiuuuiTeuf??????在局部近壁強剪切紊流區(qū)可近似用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來描述，即：(9)222)()21()

7、(iuiiLnuuiiTeuuf???????以上各式中，為瞬時流速ui的均方差，μ與，分別為瞬時流速iu?iu?ui取自然對數(shù)后的數(shù)學期望和均方差。（3）頻譜。根據(jù)余弦函數(shù)和正態(tài)分布函數(shù)的傅氏變換得出天然河流脈動流速的頻譜函數(shù)為：(10))]()([)(00????????????iuG或(11)2)(22???iueG?式中ω=2πT為周期函數(shù)的圓頻率；為基頻。)(iTuf0?由（10）式可知，天然河流

8、大尺度紊動的頻譜為單位脈沖δ函數(shù)，能量密度集中在基頻上；由（11）式可知，其能量密度主要集中在頻率較低、周期較長的大尺度渦旋脈動流速上。根據(jù)長江三峽河段黃陵廟水文斷面中、枯水期3次實測資料分析得出，大尺度紊動的主頻大致為ω≈0.056rads，相應的主周期大致為T≈110s左右，這一結果與（10）和（11）式計算出的結果是相當符合的。(4)尺度分析。根據(jù)觀測資料與湍流理論，筆者將天然河流紊動結構分為微、小、大和超大4種尺度

9、。微尺度的長度量級約為0.001～0.1m，小尺度約為0.1～10m，大尺度約為小尺度的30～50倍，超大尺度主要是指河道中偶然出觀的巨大漩渦或流速、水位陡漲等超?，F(xiàn)象，其尺度可以達到整個河寬和相當長的河長。微尺度和小尺度對能量耗損起主要作用，是雷諾應力、渦粘系數(shù)以及阻力系數(shù)等分析計算的主要依據(jù)；大尺度對物質輸送起主要作用，是紊動擴散系數(shù)或離散系數(shù)等分析計算的主要依據(jù)；超大尺度雖然發(fā)生頻率極低，但一旦發(fā)生可以造成翻船、潰堤等災害性事故，