河口泥沙数学模型的若干问题

针对泥沙数学模型作为预报河床冲淤的研究手段在进一步发展中受到有关物理参数的限制,分析河口泥沙数学模型涉及的若干关键问题.从三维微分方程竖向积分角度分析认为恢复饱和系数理论上应大于1;指出泥沙非均匀系数、相对粒级以及泥沙固结对河口冲淤有一定影响,给出适用于河口非均匀黏性沙的任意k粒级的黏性力表达式、起动概率公式和临界起动切应力公式,探讨临界淤积切应力表达式在处理细颗粒泥沙絮凝时的作用;认为根据最大或最小含沙量对应的水流泥沙要素来确定河口水流挟沙能力公式比以往按半潮平均来处理在理论上更为合理,提出适合潮汐河口的非恒定水流挟沙能力公式;指出数值计算和验证有待改进之处.     

黏性非均匀沙的起动概率

基于概率论与力学结合的方法，探讨了黏性非均匀沙的起动问题．将促使颗粒运动的外力矩大于颗粒保持静止的外力矩视为泥沙起动的临界力学条件，通过作用力臂的统计处理以反映颗粒在床面排列的随机性，并基于瞬时底流速的概率分布和试验资料建立起适合黏性非均匀沙的起动概率公式．其中作用力包括推移力、上举力、水下重力和黏性力，而黏性力表达式则根据因次分析和交叉石英丝试验得到，涉及到泥沙非均匀性、干密度和水压力等影响因子．摩阻流速的计算值与试验值的比较表明，起动概率和相应临界摩阻流速公式合理地刻画了非均匀沙起动的随机力学特性，考虑因素较为全面，对无黏性和黏性的非均匀沙均适用，可供潮汐河口非均匀沙冲刷预测时使用．     

坡面非均匀沙起动规律研究综述

系统地分析与总结了国内外关于坡面非均匀沙起动研究的新成果及进展情况,并分析了泥沙起动的河床组成、岸坡坡度、渗流以及近底水流结构等主要影响因素.在此基础上,指出了3种泥沙起动临界判别条件(起动切应力、起动流速和起动功率)研究与应用中存在的问题,并以非均匀沙的暴露度分析为例,对比了不同学者关于暴露度表达式与分布形式的异同,认为坡面非均匀沙的起动是水力泥沙等多因素综合作用的结果,需要识别坡面非均匀沙起动的主要影响因子,探求多因素作用下的泥沙起动条件,才能进一步揭示泥沙起动的内在规律,完善复杂条件下的泥沙起动判别条件.     

非均匀沙的起动问题

本文引入非均匀沙“床面可动层”的概念,提出判定非均匀沙分级起动的标准;认为非均匀沙的起动是一个动力平衡过程,在考虑水流的脉动,隐蔽作用及当量糙度系数的影响下,求得了非均匀沙的起动切应力曲线及表达式;根据实验分析得出非均匀沙的起动应分为三个阶段,并求出了相应的临界水流条件的计算方法。     

珠江南河道平面二维非恒定流水沙数值模拟

基于贴体正交曲线坐标系下沿水深积分的平面二维非恒定水沙数学模型对珠江南河道水沙运动和泥沙冲淤进行了数值模拟,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响,针对河口泥沙双向交换的特点,对泥沙冲淤函数φ作了改进,对挟沙力级配公式进行了调整,改进了现有模型,并利用河段实测水文资料及原型观测数据对模型进行验证,结果表明,模型计算的沿程水位、流速分布和泥沙输移以及河床冲淤演变与资料符合较好。     

非均匀沙起动流速研究与比较

在现有泥沙起动研究成果的基础上,通过理论分析、公式转换和比较,得出即使对均匀沙,起动流速公式的起动系数K也不应是常数,K应随着起动环境的改变而变化,现有各公式的起动系数K是不同的常数,这就影响了各公式的适用范围.分析表明,影响起动环境的因素有水流条件、床面泥沙颗粒特性、泥沙颗粒和水流条件之间的相对关系等,给出了各影响因素的数理表达式,建立了非均匀沙起动流速公式,公式计算值与实测资料符合良好.本文公式与几个常用的起动流速公式的比较结果表明,公式精度较高.     

平面二维挟沙力公式系数的确定

水流挟沙能力反映了运动水体所能挟带泥沙的最大能力,确定水流挟沙力公式对于泥沙数学模型的发展具有重要意义,而关键是其系数的最佳确定.通常挟沙力公式在实际应用时都要用实测资料对系数进行率定,对李义天的平面二维挟沙力公式,利用最小二乘法与灰色关联度相结合对其系数进行确定.     

河口冲淤对围垦的响应

为了研究椒江河口地形对毗邻海域连续多段大面积滩涂围垦(即集群围垦)的响应,利用二维潮流非均匀沙数学模型,预测椒江河口现状岸线下及规划围垦工程后的床面冲淤.结果显示:现状岸线下未来河口河道大部分区域发生冲刷,口外拦门沙有少量淤积;规划围垦工程后河口河道及口外拦门沙淤积,河口延伸段冲刷;与各围垦工程单独作用的叠加效果相比,集群围垦联合作用下的冲淤幅度更大,即存在非线性效应,应在围垦规划时予以重视;河口水动力随毗邻海域围垦面积的增大而减弱,水流挟沙能力随之下降,因而河口河道及口外拦门沙的淤积厚度随围垦面积的增大而增大.     

沉水植物作用下垂线平均水流挟沙力计算公式

基于维持泥沙悬浮的能量（悬浮功）来源于水流紊动能的观点,将悬浮功作为汇项引入立面二维的沉水植物作用下明渠水流紊动能方程,即认为冲淤平衡条件下水体所产生的紊动能分别用以维持泥沙悬浮和黏性耗散。在无植物明渠中水体产生紊动能的固定比例部分用以维持泥沙悬浮,但是沉水植物的存在使得黏性耗散项增加,该比例减小且不再为定值。通过引入以无植物明渠尺度为基准的等效比值系数表示耗散项对于该比例的影响,从而分离出固定的比例系数,推导出沉水植物作用下垂线平均水流挟沙力计算公式。采用试验资料进行验证,结果显示计算值与实测值平均相对误差为10.02%,表明该公式能较好地确定沉水植物作用下的水流挟沙力。     

黄河泥沙数学模型研究

介绍了适合于黄河中下游水库、河道的泥沙冲淤一维数学模型．该模型在断面概化、含沙量及冲淤量横向分布计算和非均匀沙计算等方面采取了新的处理办法．     

黄河泥沙数学模型研究

介绍了适合于黄河中下游水库、河道的泥沙冲淤一维数学模型，该模型在断面概化，含沙量及冲淤量横向分布计算和非均匀沙计算等方面采取了新的处理办法。     

洪水起动泥石流沟床物质形成泥石流的试验

以研究震后强震区泥石流起动的临界水力条件为目的,在实验室内模拟了洪水起动沟床物质形成泥石流的条件,对比前人研究的颗粒起动的临界水流速度条件后得出：泥石流形成时的颗粒起动条件介于少量起动和大量起动之间,临界起动概率为0.05,约为少量起动的2倍,大量起动的1/3;泥石流形成的临界流速随起动颗粒中值粒径的增加而增加,随沟床坡度的增加而减小;颗粒的不均匀系数越大,起动所需要的临界流速也越大;修正的泥沙起动和泥石流起动公式适用于较大的泥沙颗粒粒径和泥沙不均匀系数的泥沙起动条件.     

近底水流结构对非均匀沙起动影响的研究

通过考虑水流结构的改变，研究了非均匀沙的起动。由于非均匀泥沙的存在，影响水流近底结构，改变底部水流对泥沙颗粒的作用。基于泥沙颗粒中在小范围对水流结构有影响的假定，推导了以粒径为参变量的水流流速公式。并以该流速公式为基础，按照颗粒极限平衡的受力得出了非均匀沙的起动公式，经过用实验资料的验证，公式在大部分粒径范围内与实际值比较吻合。     

平面二维河床粗化层的数值模拟

基于三角形网格划分 ,应用破开算子原理 ,建立了平面二维非均匀沙水流泥沙数学模型 ,并使用了平面二维非均匀沙水流挟沙力公式 .着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、河床变形和床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析 ,模拟了概化河道中床沙粗化层的形成过程 .数值实验表明 ,该方法边界符合良好 ,计算量小 ,能准确地模拟出河床冲刷过程中水沙的变化规律     

挟沙水流的混掺长度初探

本文将挟沙水流近壁区视为由浓度梯度造成的层结流体，与大气边界层非中性平衡条件下温度梯度造成的层结流体相比拟．引入大气边界层的混掺长度作为挟沙水流近壁区的混掺长度．进而在从总切应力平衡式导出的流速梯度基础上，推导出挟沙水流沿整个水深的混掺长度公式，水槽资料证明了该公式的正确性以及挟沙水流近壁区与大气边界层的相似性．     

河口河床调整探讨

为钱塘江资料为基础,揭示了河口挟沙水流的复杂冲淤行为,分析了河床横断面形态对动力作用的复杂响应,探讨了潮汐河口河相关系,为工程建设提供了参考。     

基于两相流理论的低浓度挟沙水流运动数值模拟Ⅰ—数学模型

从两相流理论出发,对水沙两相间作用力进行分析后认为:对低浓度挟沙水流,仅存在水流与泥沙之间的相互作用,且其主要反映在两相之间存在阻力、附加质量力及压力梯度力.在此基础上建立了低浓度挟沙水流的一般数学模型与简化数学模型,并以简化数学模型为基础,建立了低浓度挟沙水流平面二维数学模型.该模型考虑了泥沙相对水流时均运动的影响,且控制方程形式和已有水沙数学模型相近,因此便于工程计算.     

大比降河道均匀沙起动流速研究

在讨论床面均匀沙颗粒起动标准的基础上,引入休止角的表达式和随机性理论推导出不同底坡下均匀沙起动概率,进而导出泥沙起动流速;通过已有的研究成果验证本公式的合理性,结果表明：本文公式适用于大比降河道,而且对普通河道的适用性也较强;同时文章初步分析了典型无粘性均匀沙起动公式差异性的原因。     

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.     

非均匀沙挟沙力的研究

非均匀沙挟沙力是河道水流泥沙运动的重要课题之一。本文采用随机数学的方法,分析了水流与床沙的相互作用及床沙与床沙质的相互交换,建立了非均匀沙挟沙力公式。并用野外实测资料对公式进行了验证。验证结果表明,公式有较好的预测性。