考虑粘性泥沙运动的黄河口二维水沙输移数学模型

为研究黄河口的水沙输移规律,采用基于无结构三角网格下的有限体积法建立了平面二维水沙数学模型.模型中分别采用不同方法处理粘性和非粘性沙的输移源项,并引入经验证的粘性沙输移源项改进公式.采用已有的概化水槽冲淤试验资料对模型进行了验证,然后应用于1982年6月至1983年5月期间黄河口水沙输移的数值模拟,计算得到的潮位过程及冲淤量与实测资料符合较好,结果表明模型能够较好地模拟考虑粘性沙运动的黄河口非均匀沙不平衡输移.最后比较了不同泥沙输移源项处理方式对模拟结果的影响,计算表明在黄河口水沙输移数值模拟中需要采用非均匀沙模型并同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移.     

三峡水库蓄水后长江中下游典型分汊浅滩河段演变趋势预测

汊道兴衰、洲滩的演变与其水沙输移特性密切相关.以沙市典型分汊浅滩河段为例,从河段水沙输移特性出发,结合水流泥沙、河道地形等实测资料,分析其河床演变特点,并根据三峡建库后水沙条件变化的特点利用数学模型预测了该河段的汊道和洲滩发展趋势.研究表明:所建模型能够准确地模拟该河段的水沙输移特性及洲滩的演变规律,因而具有较好的预测功能,三峡水库蓄水后河段洲滩动态变化结果与实测结果较吻合,这对三峡水库蓄水运用后其它分汊浅滩河段的研究具有借鉴意义.     

二次流对急弯河段水沙输移影响的数值模拟

弯曲河段中因二次流运动引起的横向输沙是引起崩岸的重要因素之一.为研究急弯河段中二次流运动对水沙输移的影响,以下荆江石首急弯河段为例,运用能考虑二次流影响的Delft3D模型对其进行计算,并用实测水沙资料验证模型的可靠性.在此基础上,详细分析了二次流运动对流速及含沙量分布的影响,同时分析了不同位置处二次流附加应力项、水面比降项及阻力项的相对大小关系.计算结果表明:考虑二次流后,能更有效地模拟弯道处的环流水力特性及横向输沙特性;二次流对水沙输移的影响效果在急弯河段十分突出,只有当来流流量足够小时,才能忽略二次流的影响.     

分汊河道水沙输移特征试验

根据分流河道的水沙特性,对现有的水沙输移计算模式进行了分类,总结了分汊河道分流分沙计算模式在国内外研究发展的现状,并进行了简要的分析评论,继而通过水槽试验对分汊河道整体水流结构和底沙输移演化特征进行了初步的探讨.试验结果表明:在汊道洲头和洲尾的局部范围内流速减小较明显,洲尾处出现水流分离区且左右两侧为高流速区;主、支汊流量的分配决定底沙输移强度,最大冲刷深度在主汊分流口下游.     

管道泥浆输移能力的试验研究

利用黄河堤防淤筑工程中采用的管道泥浆输送设备,通过现场观测获取施工管道的压力、流量、含沙量等资料,对管道泥浆输移能力进行了试验研究.首先对高含沙水流的阻力系数变化规律进行了分析,给出了阻力系数与泥浆Re数间的相关关系.同时分析了管道泥浆输送能力,引入反映管道阻力特性的综合排距概念,更全面、准确地反映了管道输送能力,提出的管道流量与综合排距的确定方法可供泥浆管道水力设计时参考使用.     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

长江泥沙调控与干流河床演变及治理中的关键科学技术问题与预期成果展望

长江流域面积180万km2,人口和国民生产总值均超过全国的40%,是我国水资源配置的战略水源地、水电开发的主要基地、连接东中西部的“黄金水道”和珍稀水生生物的天然宝库,在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。近些年来,在自然条件和人类活动的双重影响下,长江泥沙时空分布与产输过程发生了重大变化,给河流开发利用与保护均带来了显著影响,而沿江经济社会快速发展和生态文明建设不断对长江泥沙提出调控要求。同时,河流工程建设和泥沙资源化利用的发展也使长江泥沙调控具备了基本条件。但泥沙兼具灾害性与资源性,泥沙调控与河流功能发挥之间存在着矛盾与统一,需要深入研究。国家重点研发计划项目“长江泥沙调控及干流河道演变与治理技术研究”以揭示长江泥沙输移分布与河流开发及保护之间的耦合作用关系,研究提出满足沿江经济社会和生态环境需求的长江泥沙调控、河道演变与治理的基本理论和关键技术为总目标。重点研究长江泥沙来源与时空分布变异规律和趋势,河道演变对水沙输移变化的响应机制,控制性水利水电工程联合运用下长江干流和洞庭湖、鄱阳湖的水沙输移规律,河床重塑过程与驱动机制及其防洪、航运和岸滩利用等多重效应,长江泥沙多维耦合与协同调控的理论和方法,并研发多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道治理技术。通过本项目研究,预计将揭示多因素影响下长江来水来沙时空变异特征与趋势、水沙输移与河道演变的响应机制;定量预测控制性水库联合运用下长江和洞庭湖、鄱阳湖泥沙输移与冲淤过程,揭示长江河道的重塑过程、相对平衡状态与驱动机制,阐明河流系统再造的防洪、航运及岸滩利用等多重效应;构建长江泥沙调控的理论框架,建立泥沙调控指标体系、方法和模型;研发江河湖库多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道综合治理技术,并予以示范。本项目的研究将推动河流动力学学科发展,促进长江水沙资源利用与保护,为流域社会经济发展和河流生态保护提供基础保障,具有显著的社会经济与环境效益。     

水温分层对水库污染物输移的影响

水库温度分层使水库水动力特性及污染物输移过程异于均温型水库.采用三维非线性RNG浮力流模型对分层水库污染物输移的典型过程进行模拟,分析了水体分层条件对污染物输移的影响,探讨了不同分层条件下污染物在不同密度流流动区域射流区、交换区、潜流区的输移扩散规律.研究结果表明,水库分层条件对污染物输移有显著影响,污染物输移的分离点水深、交换区厚度、无量纲时间参数与水库分层强度成反比.研究结果可为水库水质、水生环境管理与调度、水库应急预警方案的制定提供参考.     

不同土地利用方式坡面产流输沙过程模拟研究

针对目前多数坡面侵蚀预测模型难以模拟土地利用变化对坡面产流输沙过程影响的问题,基于运动波方程和泥沙输移公式,给出了一种能够反映不同土地利用方式下坡面产流输沙时空变化的简化模型,并利用裸地、草地、坡耕地、灌木地及幼林地的试验及自然降雨条件下坡面产流输沙实测资料对模型进行验证,符合较好.利用该模型对黄土高原不同降雨条件下不同土地利用场景坡面产流输沙特征进行了模拟,结果表明:典型降雨条件下,5 a树龄以上的林地或覆盖度在60％以上的草地坡面标准小区基本不再发生侵蚀;坡度小于15°的裸地坡面中下部发生轻度侵蚀;十年一遇降雨条件下,10 a树龄以上的林地坡面土壤侵蚀基本得到控制,而草地调控坡面水沙的能力有限,裸地更差.对低强度短历时降雨,草地调控水沙的见效较快;对高强度长历时降雨,林地调控水沙的作用较大,两者宜配合进行;对不同坡度裸地,要严格控制坡面坡长.研究结果为优化土地利用方式提供了理论支撑.     

弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

平面二维全沙数值模拟方法及其应用

采用有限体积法对正交曲线坐标系下的平面二维水沙微分方程进行了离散,建立了平面二维全沙数学模型.在一概化的单边突然扩宽河道中对河床冲淤过程中悬移质含沙量及其级配、推移质输沙率及其级配、床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析,并模拟出了由河床冲刷引起的床沙粗化、抗冲层的形成过程以及河床淤积过程等泥沙特性的变化.数值计算结果表明,该模型在定性上能正确地模拟水流以及河床的冲刷、淤积过程.     

宽级配河床平面二维泥沙数学模型的几个问题

对平面二维泥沙数学模型的几个关键问题：挟沙力系数、恢复饱和系数、床沙级配调整、冲淤厚度和床沙“归一化”等问题及其相互影响作初步探讨。这种讨论仅'限于山区天然河流宽级配床情况。以上问题在两种底沙不同的河流上应用,结果令人满意。     

电站取水河段长时段的泥沙淤积特性研究（注：研究生论坛）

摘 要:为解决将数学模型运用于电站取水口长时段内的河床演变问题,从而引起计算效率与精度不足的缺陷。本文采用基于隐式与显式结合的算法,探索河道长时段的泥沙淤积特性,建立能模拟长时段河床演变的水沙数学模型,并将该模型应用于昭化电站取水河段泥沙冲淤模拟。通过物理模型与数学模型在不同频率洪水下取水口水位和流速的比较结果,表明此数学模型可以较好模拟取水口水流特性;通过预测昭化电站拉沙方案与不拉沙方案下取水河段运行多年后的河床演变,结果表明此数学模型模拟结果与实际工程结果相似,符合客观规律,能较好模拟河段的泥沙问题。     

济宁运河发电厂地表水取水口物理模型试验研究

分析了山东济宁运河发电厂取水水源及河热稳定性资料，用移液管分析法测定了淤泥的级配曲线，利用相似原理建立了地表水取水口物理模型，研究了不同水流条件下取水口周围的水流结构及附近的冲淤情况。试验结果表明，在大水时，目前这种高大挡土墙直立形式的取水口建筑对河道水流流态引起的影响是明显的，不仅对取水口建筑本身不利，对取水口河段的河热稳定也不利。根据实验结果，对目前这种高大挡土墙直立的形式进行了改进，并提出了结构的优化方案。     

Coupling mechanism of mathematical models for sediment transport based on characteristic theory

This paper aims to explore the coupling mechanism between flow movement, sediment transport and riverbed evolution in currently widely used mathematical models for sediment transport. Based on characteristic theory, analytic forms of eigenvalues, eigenvectors and characteristic relationships of total-sediment transport model, bed-load transport model and suspened- load transport model were derived, respectively. The singular perturbation technology was implemented to obtain the asymptotic solutions to different families of eigenvalues. The results indicate that, interactions between motion variables were explicitly coupled in the characteristics of total-sediment transport model and bed-load transport model. Further qualitative and quantitative analysis demonstrates that high sediment transport intensity and significant riverbed change will inevitably affect the property of flow movement. In the process of deposition, sediment-laden flow will move faster when sediment transport intensity becomes stronger. In contrast, the wave of flow will propagate at slower speed as erosion intensity becomes stronger. For most existing suspended-load transport models, however, the characteristics are decoupled as the interactions between motion variables cannot be integrally illustrated in eigenvalues, eigenvectors and characteristic relationship.     

山区多沙河流漂石河段洲滩发育特征试验研究

山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响,洲滩发育丰富,改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验,探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查,分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素,大量上游来沙在漂石河段落淤,河床内洲滩的大量发育。通过系列室内物理模型试验,分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给,导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径粗大,存在大量漂石,形成漂石河段。漂石河段水力要素多变,河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时,受漂石周围水流变化影响,漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主,下游段两侧淤积突出,极易形成漂石洲滩,从而增大局部河床比降,减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此,通过野外调查与室内物理模型试验,揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征,山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程,表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生突出影响。     

内河船舶航行三维仿真关键技术研究

针对枯水期水深不足会影响内河通航安全与通航效率的问题,提出了河床三维建模的快速生成方案。同时,结合粘性液体力学及细胞自动机理论,利用顶点缓存保存河水平面格网中的所有顶点并利用细胞自动机演化规则实时更新水平面格网中各点高程值达到模拟出船行波效果。实验结果表明,建立河床三维模型的方法比较快速,用新方法模拟出的船行波的仿真效果较为真实,在普通PC机或笔记本电脑上能满足三维仿真的实时需求。     

三峡水库蓄水后枝江—江口浅滩河段演变趋势

分析了三峡水库蓄水前后砂卵石河段末端枝江—江口河段河床冲刷及枯水位变化特点,同时根据河床勘测资料探讨了河段极限冲刷状态地形,并分析预测了极限冲刷状态水流条件的变化.研究认为,本河段河床抗冲性的差异导致沿程水位降幅不一;在未来河床冲刷和水位下降过程中,局部抗冲性强的河段将可能面临水深不足和坡陡流急的碍航局面.     

Vectorial Bed load Equations and River Width Dynamic Adjustment Modeling

Based on the analysis of forces acting on non-cohesive sediment particle under non-equilibrium con- dition,a vectorial equation of coarse particle movement on arbitrarily riverbed and the mathematical model used to simulate river width adjust are developed,some flume experiments for the time evolution of straight river channel are done.