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水 利 学 报

２０２３年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１２ － １４８５ － １１

河床表层冻融作用下推移质输移特征研究

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王 乐 ，杨旭博 ，王大宇 ，张尚弘 ，吴 雪 １
（１．华北电力大学 水利与水电工程学院，北京 １０２２０６；
２．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００４８）
摘要：高纬度河流系统常会经历季节性冻结与融化。为揭示冻融作用对床面推移质运动的影响，本研究以未经历
冻融过程的常规室温（ ２０℃）推移质输沙实验结果为基准，保证实验条件不变，开展了均匀沙与非均匀沙床表层
冻融后的室温（２０℃）推移质输沙实验，综合比较了冻融作用影响下推移质输沙率与级配组成特征。结果表明，
河床表层冻融后的推移质输沙率均高于无冻融作用的推移质输沙率，据此提出了有冻融影响与无冻融影响下的推
移质输沙率比值 ζ 。研究显示，冻融作用下的推移质输沙率呈有规律变化：剪切力较小时 ζ 较大，剪切力较大时 ζ
减小并逐渐趋于 １．０；非均匀沙中，随着泥沙粒径增大，各粒径组的 ζ 逐渐减小；低流量驱动时，冻融作用对非
均匀输沙级配组成的影响显著，并随着流量增大而逐渐减弱。本研究剖析了冻融作用对推移质输沙率与级配组成
的影响，有助于认识冰冻区河流的河床稳定性与河床演变情势。
关键词：冻融作用；推移质；输沙率；
级配组成；河床稳定性
中图分类号：ＴＶ１４２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０２３５

１ 研究背景

２０世纪以来，Ｅｉｎｓｔｅｉｎ、Ｍｅｙｅｒ － Ｐｅｔｅｒ、Ｂａｇｎｏｌｄ等著名学者围绕推移质运动开展探索，取得了丰硕
的研究成果 ［１ － ３］ 。随后，众多学者借助不断发展的测试与技术开展了更精细的模拟研究，推动了推移
质输沙理论体系的发展与完善 ［４ － ７］ ，但推移质泥沙及其运动受不同地域环境影响显著，以高纬度地区
为例，无论是泥沙还是岩石，均会经历季节性冷冻与融化；尤其近年来，局地极低温与罕见高温频
发，这些气候变化会加剧冻融循环交替对泥沙与岩体的影响。高纬度地区的冻融交替会破坏泥沙及岩
石的结构与完整性，影响局部地表的稳定性，谢胜波等 ［８］ 通过冻融测试及风洞实验发现，未经历冻融
循环的实验土块在所有设置的实验风速下都不发生风蚀，但当有冻融影响后，实验土块的风沙活动强
度随着冻融循环次数的增多而增大。王一菲等 ［９］ 通过冻融作用下典型黑土风蚀研究也证实，前期土壤
冻融作用可使风蚀强度增加 ２３．５％～４０４．２％，使平均输沙率增加 ５９．１％～３０５．３％。Ｆｅｒｒｉｃｋ等 ［１０］ 基于实
验数据强调冻融后的坡面水土流失量更大。张攀等 ［１１］ 发现冻融及风蚀会增加水力侵蚀的物质来源，且
复合侵蚀存在着显著的叠加放大效应，“冻－ 风－ 水” 叠加效应可使侵蚀率放大至 １６４％。
相比于冻融－ 风沙运动过程而言，现阶段，针对河流而开展的冻融研究主要集中在河岸，假冬冬
等 ［１２ － １３］ 研究了北方季节性冰冻河流受冻融与水流耦合作用下的岸滩崩塌机理。Ｌｉ等 ［１４］ 研究表明冻融
作用使河岸组成物的饱和度和内摩擦角降低，影响了河岸稳定性。Ｋｉｍｉａｇｈａｌａｍ等 ［１５］ 基于 Ｒｅｄ河的现

收稿日期：２０２３ － ０４ － ２１；网络首发日期：２０２３ － ０９ － ２０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０９１９．１３０６．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：中国水利水电科学研究院基本科研项目（ＳＥ１１０１４５Ｂ００２２０２１，ＳＥ０１９９Ａ１０２０２１）；国家自然科学基金青年科学基金项目
（ ５２００９０４１）
作者简介：王乐（ １９８５ － ），副教授，主要从事推移质、泥石流动力学等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：Ｌｅｗａｎｇ＠ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：王大宇（１９８５ － ），博士，高级工程师，主要从事河流泥沙动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄａｙｕ．ｗａｎｇ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ

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