弯道推移质横向输沙规律与床面平衡机理

弯道推移质运动直接影响弯道输沙特性、床面形态和河湾演变。弯道推移质输移有4个典型规律,即同岸输移远大于异岸输移、推移质成带性、形成横向底坡和床沙横向分选。归纳了5家推移质横向输沙强度公式,并选择Parker公式分析了推移质横向输沙强度与横向底坡的关系。结果表明,随着横向底坡变大,从凹岸向凸岸的输沙强度将变小,当横向底坡变大到某个临界值时,输沙强度为零;当横向底坡继续变大,推移质输移的方向发生改变,推移质将从凸岸指向凹岸的输移,输沙强度随底坡的变大而变大。弯道床面的凹岸陡坡和凸岸缓坡横向平衡机理各不相同,凹岸陡坡受泥沙水下休止角、横向环流、床沙粒径、床沙分选的制约,而凸岸缓坡主要受上游来沙、横向环流、床沙粒径、床沙分选的影响。弯道床面横向平衡机理关键在于推移质颗粒静力平衡或力矩平衡,横向床沙分选机制使得底坡必须经历反复的动态调整过程,床沙分选总是朝着减小横向底坡方向进行。     

弯道推移质同异岸输移的时空演变模拟

野外及室内实验观测均表明,弯道内的推移质泥沙运动同时存在着沿河道同岸和异岸的输移,然而对于同异岸输移的比例以往文献中还存在着很大的分歧。本文采用平面二维水沙数学模型CCHE2D模拟固定河岸大曲率弯道(中心线为110°正弦派生曲线)内的水沙运动,定量地描述了床面变化过程中泥沙同异岸输移的时空演变规律。计算结果表明,大曲率弯道在平床到冲淤平衡的发展过程中存在两个高强度冲刷区,即凸岸边滩上游区和凹岸区。凸岸边滩上游冲起的泥沙绝大部分都沿河道同岸输移到同一边滩下游;凹岸冲起的泥沙则先以同岸输移为主,待河床变形稳定后,受主流贴近凹岸的影响,异岸输移逐渐占优,绝大部分推移质颗粒都集中在"凹岸—过渡段浅滩—凹岸"这条输沙带内运动。     

缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟

人工河道的弯道段大多曲率单一,水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配,导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题,引入两种插有缓变曲线的弯道形式,研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟,对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明：插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展,改善120°弯道水流的流态,能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象,缓解河床的冲淤变形。     

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件，考虑悬移质和推移质运动，采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型，对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式，对现有三峡库区数学模型进行了改进，并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明，模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅱ)——模型的验证

运用Chang的S型弯道断面流速分布和中性物质浓度分布,及实际河道的河床冲淤对修正后平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行验证,并与修正前的模型进行比较.模拟结果发现修正后模型计算结果较修正前模型计算结果与实测值符合更好.表明二次流项及横向输沙项的加人能更有效地模拟出弯道处的环流水力特性及横向输沙特性.     

潮汐河口动床洪水的数值模拟

潮汐河口洪水水位受流域来水和海域潮汐双重作用,动力机制复杂,在特大洪水作用下,河口床面边界还将发生显著变形,造成水面相应明显升降,以致用定床模型预报洪水位误差很大。本文以钱塘江河口为例,采用Delft3D数学模型对潮汐河口洪水水位进行二维数值模拟试验。在定床和动床模型均取得良好验证的基础上,进一步预报洪水过程,发现定床模型可产生近1m的计算误差;而动床模型则能比较精确地计算整个洪水过程的水位,最大误差不超过0.08m。因而预测冲淤幅度较大的潮汐河口的洪水水位最好采用动床数学模型。论文还就洪水位的空间分布探讨弯道水面横比降随洪水流量的变化。     

水轮机转轮三维泥沙流动两相紊流计算

推导了水轮机转轮中两相流的两流体基本方程,并利用κ－ε－Ａｐ两相的湍流模型计算水轮机转轮中三维泥沙固液两相湍流。计算结果包括了液相和固相的主要流动特征。     

基于阻力特性的粗糙度计算方法

床面粗糙度Ks是沙粒阻力计算的重要因素，对流速分布、推移质运动及输沙率等问题的研究具有重要的意义。基于阻力特性，综合考虑水沙条件，建立了以泥沙中值粒径、非均匀系数、水力半径和床面坡度为变量的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证，并与其他学者的计算方法进行均方差分析对比发现，基于非均匀沙的Ks计算方法的计算精度明显高于基于均匀沙的Ks计算方法；本文公式既适用于均匀沙粗糙度计算，也适用于非均匀沙粗糙度计算，且计算精度明显高于其他学者的计算精度；床面沙波及泥沙输移对公式计算精度的影响均较小，沙波的影响程度小于泥沙输移的影响程度。     

岸边排放污染物浓度场三维浑水水质模型研究

本文建立了考虑泥沙吸附和泥沙冲淤对污染物输移扩散影响的岸边排放污染物浓度场三维浑水水质模型，并模拟了三峡库区涪陵磷肥厂排污口附近的总磷浓度场。浑水水质模型的计算结果与传统清水水质模型的计算结果以及实际观测的结果之间都作了对比，结果发现在同一来流和排污条件下，两种模型计算得到的沿水深平均的污染物浓度场分布比较接近，而沿水深方向的污染物浓度分布有比较明显的差别。与实测结果的对比分析表明：浑水水质模型的计算结果比传统清水水质模型更接近实际，更准确的反映了污染物浓度沿水深方向的分布特征。     

溪洛渡水电站对三峡工程的减沙效益研究

通过溪洛渡水电站与三峡水库之间，400余km河道冲淤变形的多种途径研究，认识到坝下游宽级配卵石河床清水冲刷的冲刷量是有限的。悬移质基本不与床沙交换，上游水库淤积多少悬移质泥沙量，下游水库入库输沙量就几乎减少同样多的量；在上游水库推移质未出库前，下游水库入库推移质输沙量随时间增长呈递减。两库之间的河床变形不明显，河槽冲刷深度、水位下降幅度很有限，对环境影响不大。在不影响溪洛渡水电站的功能和效益的条件下，溪洛渡水库泥沙淤积后，对三峡水库的减沙效益是显著的。与三峡单库运行相比，不但减少了三峡水库淤积量，增加了词节库容，防洪库容，还降低了水库尾部洪水位，减小水库淹没损失，改善了通航条件。随着三峡上游若干大型水库不断修建，上游诸水库与三峡水库进行联合调水词沙，三峡泥沙问题将能延缓到大坝设计基准期以后出现。其前提是主要产沙区河流上拦沙能力很强的水库要尽早修建，其中最重要的就是金沙江上的白鹤滩水电站，必须加快设计，尽早建设。     

长江中游卵石夹沙河段二维水沙数学模型

针对长江中游宜昌至枝城河段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,建立了非均匀悬沙、底沙二维数学模型,尤其是考虑了底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键问题提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对模型进行了水面线、流速分布及冲淤过程的详细验证,尤其是进行了葛洲坝水利枢纽运用后、1998年洪水前后及三峡工程运用后的验证.在此基础上,根据设计单位一维数模提供的水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲刷量、分布及床沙粗化过程.     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅰ)——模型的建立

弯道环流是影响河道断面流速、含沙量分布及河床冲淤的重要影响因素.一般的二维水流数学模型没有考虑弯道环流对断面流速及横向输沙的影响,本文在深度平均的平面二维k-ε紊流数学模型中加入反映弯道引起的二次流及横向输沙附加项,对平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行扩展,使之能更准确地模拟出弯道处流速及含沙量的断面分布情况.     

基于非线性理论的推移质输沙率公式

基于非线性理论的尖点突变模型,分析了水流条件和泥沙颗粒在床面相对位置对泥沙输移过程的非线性动力学特征的影响,得到尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了定性描述泥沙输移的尖点突变模型,并通过坐标变换和拓扑变换,构建了非线性推移质输沙率公式。经与推移质输沙率实测资料、基于同理论推移质输沙率公式和经典推移质输沙率公式对比,分析了低强度输沙时不同公式计算结果存在差异和高强度输沙时计算精度发生突变的原因,讨论了泥沙起动切应力对输沙率公式的影响,验证了本文公式具有良好的适用性,证明了本文非线性推移质输沙率公式是合理的。     

植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。     

特约文章：植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。     

三维悬沙模型及河岸边界追踪方法Ⅰ-泥沙模型

建立了无结构、z坐标网格上的三维悬移质泥沙数学模型,为保证计算的守恒性,泥沙输运方程使用有限体积法求解;为使泥沙模型的求解对水流模型的求解不形成附加的稳定限制条件,泥沙输运方程使用亚循环分步模式离散。使用了垂向亚网格技术,使垂向网格能实时地贴合和追踪自由水面和床面,相对于传统的z坐标网格提高了计算精度;同时,在垂向亚网格技术中,为避免因泥沙冲淤产生的垂向小尺度网格对计算时间步长的限制,提出了垂向网格融合技术对底层网格进行处理。借助直壁复式明渠、异重流潜入的水槽实测资料对模型进行了检验,计算结果与试验资料符合良好。     

清水冲刷下非均匀卵石床面粗化过程及分选模式

在一定的水流条件下,滚动是卵石河床上推移质的主要运动形式,由于不同粒径颗粒的移动距离不同,床面泥沙将发生分选输移,最终形成以不动粗颗粒为主体的粗化稳定结构。本文主要研究清水冲刷条件下非均匀卵石床面粗化过程及分选模式。通过引入滚动力学模型,运用数值计算方法计算了不同情况下滚动颗粒的运动轨迹,构建了非均匀卵石床面经清水冲刷后的级配计算模式,并通过一个实际算例计算出了不同时刻不同河床段经冲刷后的级配变化过程以及冲刷稳定后的级配曲线。本文的理论成果适用于卵石的滚动运动,为研究卵石河床的分选过程提供了一种理论计算方法。     

三峡水库建成后对长江中下游江湖水沙关系变化趋势初探Ⅱ.江湖关系及槽蓄影响初步研究

三峡工程建成后,改变了坝下游的来水来沙过程,中下游江、湖河床将发生冲淤变化.为研究三峡水库蓄水运用后长江中下游河势和江湖关系的变化,根据三峡工程分期蓄水进程,结合原型观测资料分析以及数学模型计算等多种技术手段进行了初步探讨研究.三峡水库运用初期(2003年6月-2032年12月31日)长江中下游干流将发生自上而下的冲刷,河床冲深,枝城以上河段较快完成冲刷,并向F游发展;受长江中下游十流河床冲刷影响,荆江南岸三口口门水位下降,荆江三口分流道河床冲淤相应发生改变,河床有冲有淤,以淤积为主;三峡水库运用后洞庭湖区淤积量减少,至三峡建库后30年末,湖区平均年淤积量为多年平均年淤积景的40%左右,三峡水库建库明显减缓了洞庭湖区泥沙的淤积:三峡水库运用后相应各河段槽蓄量也发生了变化,计算成果表明,与三峡水库建库前相比,同一水位条件下槽蓄景有不同程度的增加,枯水河槽槽蓄量增加较多,洪水河槽槽蓄量增加略小.由于泥沙运动的复杂性及其它原因,对于三峡水库建成运用后的江湖关系还需进行深入的探讨和研究,为今后研究江湖治理措施提供重要的科学依据.     

潮流通道堵坝工程的冲淤影响计算

获取了研究海域工程实施前和实施后3个月的扫海地形图,并分析堵坝工程实施后短期的冲淤变化,在此资料的基础上采用二维的潮流泥沙数学模型和悬沙沉降方程计算冲淤量.模型中引入了参数β对悬沙沉降方程进行了简化并求解,计算结果较好地拟合了实测的短期冲淤变化量及趋势.研究结果表明,模型的参数选取是合适的,预测模型能一定程度上反应真实...     

论明槽挟沙水流的阻力

从挟沙水流的能量平衡原理出发 ,指出泥沙的运动从两个方面影响水流的阻力 :一是由于卡门常数的减小而引起的阻力减少 ,二是由于推移质泥沙的存在而引起的阻力增大。两者对阻力的作用正好相反 ,因而挟沙水流阻力比清水可能减小、增大及不变 ,取决于两者的对比程度。并从理论上给出了动平整床面挟沙水流阻力的计算公式 ,该公式的计算结果与实测资料吻合较好