以公切角表征的非均匀沙起动流速

引入表征床沙位置的泥沙切点公切线与水平面的交角为参数，依据泥沙起动研究床面表层泥沙由静止到运动的临界条件的观点，确定了以公切角变化范围表征的泥沙起动判别条件，把非均匀沙的荫曝作用与其在床面位置和起动粒径相联系，以公切角表示起动力臂，按照指数流速公式形式，根据滚动平衡条件推导，建立了与床面位置相关的非均匀沙起动流速公式，给出了平均情况下相应于不同粒径的公切角计算式。利用13组，133次实验资料对公式进行了验证，证明公式具有较高的精度。     

黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点

黄河下游水流含沙量大,河床调整迅速,河道输沙能力变幅大,输沙过程与规律复杂。因此研究黄河下游泥沙输移规律,是研究河床变形过程、预测河道发展趋势的基础,对水沙治理与河道整治规划具有重要的现实意义。本文以黄河下游游荡段为对象,基于1986—2015年游荡段实测水沙资料与地形资料,分析了花园口-夹河滩河段与夹河滩-高村河段的非均匀沙输移特点。研究结果表明：①输沙率经验公式的相关性与泥沙粒径有关,泥沙粒径越小,输沙率经验公式的相关性越好,细沙的相关系数可达0.99。②排沙比与来沙系数、河相系数均呈负相关,且河相系数较大时,排沙比变幅较小。夹河滩-高村河段的中沙排沙比与来沙系数、河相系数的相关关系较其他粒径组泥沙更为密切,花园口-夹河滩河段则分别为细沙和粗沙排沙比。③在同时考虑了水沙条件与断面形态对河段排沙比的影响之后,输沙率经验公式的精度明显提高,相关系数在0.48 ~ 0.65之间。     

非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成，泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用，颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程，其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先，基于固液两相流理论，建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程，充分考虑不同粒径颗粒相互作用力，并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次，为封闭两相浑水方程，引入弥散速度的概念，建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程，揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后，基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程，分析非均匀沙浓度垂线分布规律，将其应用于明渠恒定均匀流中，计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式，在浓度相对较高、粒径差异大的条件下，非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好，进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。     

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     

斜坡上非均匀沙起动条件初探

在经典力学的基础上，以某一概率作为定量起动标准。考虑到床面颗粒的相互隐暴影响，引入了等效粒径来研究泥沙的起动条件。推导了斜面上非均匀沙的起动条件。计算得到了泥沙起动时临界无量纲切应力参数。采用实测资料对文中所得结论进行了验证，吻合较好。     

非均匀沙起动研究

非均匀沙运动规律与均匀沙明显不同。本文从非均匀沙起动的特点出发，阐述了其运动机理，采用滚动起动模式。通过对附加质量力的概念及表达式和相对暴露度参数的引入，推出了非均匀沙起动公式。并用实测资料进行了验证，同其它学者们的公式相比较为合理。同时得到了均匀沙的起动公式，其系数涵盖了其它均匀沙公式。说明本文公式较好的反映了非均匀沙的起动特性。     

河流阻力特征参量提取及SVM辅助河床形态判识

床面形态的变化影响着泥沙输移和水流阻力，是河床演变的重要方面。预测床面形态变化对河道整治和泥沙研究具有实际意义。本文基于水流阻力规律确定了判别床面形态的特征参数；通过对特征参数与床面形态关系的分析，发现特征参数与床面的形态的关系呈“S”型；利用决策向量机（SVM）多分类法对床面形态进行自动划分，根据划分结果对无量纲特征参数进行非线性和线性拟合，得到拟合函数；对特征参数与沙波形态的拟合函数进行求导分析，计算得出河床在各沙波形态下的特征参数取值范围，确定河床形态判别标准；结合试验数据和实测资料对河床形态判别标准进行验证，结果表明本文所述方法在河床形态识别方面具有可行性和准确性。     

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。     

无粘性非均匀沙起动规律探讨

本文对非均匀沙的起动机理进行了分析，在非均匀床沙暴露度变化规律研究的基础上，对无粘性非均匀沙的起动规律进行了探讨，提出了非均匀沙起动流速的计算公式。公式反映了粗细颗粒相互荫蔽与暴露作用及流速的脉动性对起动流速影响的内在机制。     

无黏性非均匀沙起动条件对比研究

分析表明运用等效粒径概念进行非均匀沙起动条件计算是十分方便的。利用现有河流动力学的成果,通过一定的转换,获得了较有影响的八家非均匀沙起动公式的等效粒径表达式,研究发现尽管它们都能反映出较细颗粒受到荫蔽作用、较粗颗粒受到暴露作用的特性,但各家公式中区分泥沙颗粒受到荫蔽或暴露作用的特征粒径是不同的。分析了各家公式反映出的非均匀沙起动时的分选作用。运用长江万县站资料对比研究了各家等效粒径计算式,为长江万县段合理选用非均匀卵石起动条件提供了依据。     

斜坡上的推移质输沙率公式

为了获得理论更全面、应用范围更广的推移质输沙率公式,基于数理统计方法及力学分析方法,借鉴Engelund推移质输沙率模型,研究了斜坡上推移质输沙率问题。在分析斜坡上泥沙颗粒受力的基础上,考虑了水流近底作用流速的随机性及床面上泥沙颗粒分布的随机性,推导出了斜坡上泥沙起动概率;探讨改进了单位床面上泥沙颗粒数和推移质运动速度的计算式,得到了文中推移质输沙率公式。采用不同坡度的实测资料进行验证,并与其他经典公式计较,结果表明,在不同坡度的情况下文中公式都有较好的适用性,且精度较高。     

考虑植被作用下的二维溃坝水沙耦合数学模型

基于有限体积法和非结构三角形网格,耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程建立平面二维溃坝波数学模型。水动力和连续方程均采用浑水方程,考虑了植被对水流、泥沙输移及床面冲淤变化的影响。水动力模型应用二阶精度的Roe格式近似Riemann解计算网格界面的通量,能够精确模拟干湿界面的动边界问题,将静水压力项和植物拖曳力项作为源项反映在动量方程中。应用模型对4个算例进行模拟,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析。计算结果表明:本文建立的平面二维溃坝水动力、泥沙耦合数学模型能够准确模拟复杂计算域的溃坝水流演进及床面变形问题。通过对有植被算例的模拟分析发现,滩地种植植物能减少植被区的流速和溃坝波对下游河床的冲刷,但同时也会降低有植被区河道的泄洪能力,导致洪水在上游区水位提升。     

山区大比降河流寸滩河段卵石推移质输沙率研究（Ⅰ）—无量纲输沙强度

中国西部存在大量比降大、相对光滑度小、河床组成粒径粗的山区大比降河流,本文针对其河流特性,选择寸滩河段作为代表计算河段,搜集了1954~2007年5233组实测资料作为基础资料,分析比较了6个经典推移质无量纲输沙公式的计算精度。参照计算精度最高的Fredsoe(1976)式的思路,假设输沙强度Φ与有效水流强度Θ*成幂次关系,以水流强度与泥沙起动临界水流强度为主要变量,建立了寸滩河段的推移质无量纲输沙公式。通过对比,本文公式能很好地反映寸滩河段推移质输沙规律,计算精度较经典公式有一定提高,可为该河段的水沙研究提供借鉴与参考。     

连续分布均匀沉水植被明渠水流流速分布比较

植被影响下的河道流速分布是评价河道行洪能力的重要指标,关系到河床稳定与河道安全。以连续均匀分布的沉水植被为研究对象,系统评述了国内外对河道植被水流流速分布的研究进展,从紊动特性阐述了流速分布剖面形成机理,剖析了分区流速解析模型和平均流速模型研究现状和存在不足,基于文献数据,评价了现有平均流速模型适用性及准确度,认为目前对于植被水流流速求解多集中于均匀流条件顺直型河道、植被类型及形态单一的连续均匀分布植被,未来流速模型应针对沉水植被阻力系数、植被影响下的河床应力、非均匀流状态及有限尺寸内柔性植被斑块等方向作进一步研究。     

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。