异重流

[拼音]：yizhongliu

[外文]：density currents

两种或两种以上的流体，主要因密度差异而产生的相对运动。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。由于水流挟带泥沙而形成的异重流称浑水异重流(见图

)。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³)异重流现象。

浑水异重流形成的条件有：

（1）一定的密度差和相应的宽度、水深及流速；

（2）悬移质中有一定数量的细泥沙；一般情况下， 当浑水含沙量在 1～2千克/米³以上，满足关系时，即可潜入，形成浑水异重流。式中v、h为潜入处断面平均流速和水深;g为重力加速度;△ρ为浑水密度ρ'与清水密度ρ的密度差。异重流形成后是否能持续运动，须具备其他条件，如：进入的浑水流量须持续不断，以及合适的地形条件。具备形成和持续运动的条件时，方能维持长距离的运动。在一般下层流动情况下，异重流的运动方程与一般水流运动方程相似（见圣维南方程组），仅需对重力加速度g予以修正， 即以代替一般水流方程中的g。

包括：

（1）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；

（2）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；

（3）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。