Page 103 - 2023年第54卷第12期

４ 结果与分析

４．１ 冻融作用对均匀推移质运动影响 推移质输沙率是量化描述推移质运动状况的关键，根据输沙实测
数据及式（ ７），计算得到有、无冻融影响情形下的均匀推移质输沙率，并与式（４）所得到的恒定水流剪切
应力建立关联，由图 ７所示，无论是否经历冻融过程，对均匀沙床而言，推移质输沙率始终随水流剪切
应力增大而增大。更显著的是，在具有相同无量纲剪切应力的恒定流驱动下，均匀沙床表层经历冷冻与
融化后，其无量纲推移质输沙率均高于其经历冻融影响时的测算值，两者间存在差异，说明河床表层冻
融作用会影响推移质输沙强度，且这种影响具有一致性，均表现为促进河床表面推移质运动，造成推移
质输沙率偏大，这与冻融作用会使河岸失稳及流域侵蚀增强的认识一致 ［８ － １４］ 。
比较实验序列 ＦＴＦ － Ｕ与 ＦＴＩ － Ｕ推移质输沙率发现，随着恒定流剪切应力增大，两者的差别在逐
渐缩小，考虑到无量纲输沙率在图 ７以对数形式呈现，为准确识别有无冻融影响下沙床推移质输沙率
间差异及其变化趋势，这里提出同一测试沙床在相同无量纲剪切应力驱动下，有冻融影响下（无量纲）
推移质输沙率与无冻融影响下（无量纲）推移质输沙率间的比值 ζ ，并在图 ８中绘制了 ζ 与无量纲剪切
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应力 τ 的关系。显然，当无量纲剪切应力 τ 较小时，ζ 数值较大，即 ζ ＝ ６６．６７ ，说明小剪切应力水流
作用下，是否经历冻融过程会使推移质输沙率呈现巨大差别，均匀沙床经历冻融过程后，其推移质输
沙率显著增大，而随着无量纲剪切应力增大，ζ 逐渐减小，即 ζ ＝ ２．４３ ，说明推移质输沙率间差别迅速
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减小，冻融作用对推移质输沙率的影响相应减弱，ζ 与 τ 表现出相关性很好的幂函数关系，两端延长
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该函数可全面认识冻融作用对推移质输沙强度的影响，τ 变小时，冻融过程对推移质输沙率影响显著
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增强（ ζ１．０）；τ 变大时，冻融过程对推移质输沙率影响逐渐消失（ ζ →１．０）。

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图 ７ 均匀推移质输沙率 ｑ ｂ 与 图 ８ 均匀推移质输沙率比值 ζ 与
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无量纲剪切力 τ 的关系 无量纲剪切力 τ 的关系
４．２ 冻融作用对非均匀推移质运动影响 分析冻融作用对非均匀推移质运动影响时，先视非均匀沙为
整体来考虑，以总输沙量及中值粒径为基础，代入式（５）及式（８）分别确定有、无冻融影响下非均匀沙
推移质输沙率及剪切应力，参照并引入量化冻融影响的推移质输沙率比值参数 ζ ，得到了冻融影响存
在、不存在情形下，非均匀沙床无量纲推移质输沙率及其比值参数 ζ 与无量纲剪切应力的响应关系。
由图 ９可知，非均匀沙床的测算输沙率再次证实冻融影响下，推移质输沙率增大；同样，在剪切应力
较小时，对应的 ζ 较大，冻融物理过程可有效促进床面泥沙运动，显著增大推移质输沙率，而当剪切
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应力增大时，冻融过程对推移质输沙率的影响减弱，ζ 和 τ 之间也表现出幂函数关系，与均匀沙结果
定性一致。
与图 ７给出的均匀沙结果相比，非均匀沙整体输沙率比值参数 ζ 的变化范围相对较小，这是因
为混合沙运动除了受水流强度影响外，也存在粗细颗粒间的相互作用。因此，冻融影响下非均匀沙
中各粒径组的输沙特征也值得关注，图 １０呈现了非均匀沙床经历与未经历冻融情形下，各粒径组
输沙率随剪切应力的变化。定性分析看，以任一特定粒径组为例，冻融影响下的输沙率更大，冻融

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