探讨床面泥沙颗粒的随机起动现象

在一定的水流条件下，床面上的泥沙颗粒从静止进入运动状态，这在物理概念上讲是明确的。但在具体分析时却有很大的困难，这主要是由于水流特性和泥沙颗粒的位置都具有随机性。

一颗静止于床面上的泥沙，主要受到水流的作用力和床面的反力，当二者平衡时，泥沙颗粒处于临界起动状态。先假定水流的作用力只有水平分量FD和垂直分量FL，则泥沙颗粒在其水下重力W′、水流作用力和床面反力的综合作用下，因其所处的位置不同而可能发生滑动、滚动或跃移，示意如图4-1。

图4-1　颗粒在床面处于不同位置时的起动条件(www.xing528.com)

以上只是列举了三种最简单的例子，对于天然河流中泥沙的起动，情况要复杂得多。河床表面的颗粒都是由各种不同的形状、大小按不同的位置排列组合的，对任一指定位置的颗粒，其大小、形状和与其他颗粒的相对位置都是随机的，如图4-2。如何描述非均匀颗粒在床面的分布，至今还没有较系统的研究成果。王协康等（2000）采用统计理论的观点分析了床面高度变化的均方差，从分形理论的角度考虑了分维数等参数来描述颗粒在床面上的分布特征，取得了一些探索性的成果。

图4-2　颗粒在床面上的位置

另一方面，在天然河流中，水流都具有脉动的性质，即其作用在床面上某一指定位置上颗粒的力也完全是随机的。所以当研究床面上某一指定位置的泥沙颗粒的起动时，就具有双重的随机性。

综上所述，泥沙的起动带有很大的随机性，故有人认为对这一问题的研究没有实际的意义。如Lavelle（1987）分析了大量前人有关起动问题的资料，从起动的定义、试验观测资料的分析、理想模型的计算及起动的统计观点等各方面进行了论证，认为在任一水流条件下，都没有一个泥沙从不动到动的明确界限，即不存在所谓的临界起动条件。又如爱因斯坦的整个理论中就没有用到起动的概念。但在另一方面，如果分析的是大量泥沙颗粒的综合情况，则在统计的意义上讲，在某一水流条件下，什么样的泥沙可以运动，以及有多少这样的泥沙在运动，都是可以确定的。