非均匀卵砾石粗糙床面的分形特征

针对传统方法刻画粗糙床面总体特征存在缺陷的问题,将分形几何理论引入非均匀卵砾石粗糙床面特征研究,以卵砾石床面激光扫描试验资料为基础,探讨了分形尺度区宽度与中值粒径d50的关系,分析了覆盖基准面对分形维数的影响,研究了床面整体与局部分形维数的特征与联系,获得了分形维数随床面颗粒组成及高程统计参数的变化规律。结果表明:分形尺度区宽度与床面颗粒中值粒径d50有关,上临界尺度可取为1.5d50;分形维数与覆盖基准面位置有关,覆盖基准面距平均床面的距离越大,分形维数越大且逐渐失真,为有效量化和区分床面粗糙特征,覆盖基准面宜取平均床面;粗糙床面分形维数具有良好的稳定性,局部分形维数变异性很小,并与整体分形维数接近;粗糙床面的分形维数与颗粒大小、级配组成及床面高程统计参数有关,中值粒径越大,颗粒组成越均匀,床面高程极差、标准差、偏度(绝对值)和峰度越大,分形维数越小。     

河道剖面轮廓的一元分形插值模拟

河道剖面轮廓形态与河床演变学及河流动力学的诸多问题密切相关,目前常采用规则的欧氏几何模型来描述,由于复杂剖面轮廓形态测量中存在尺度相关性和数据有限性的问题,难以全面准确体现其微观粗糙结构。但河道剖面轮廓形态具有自相似性,可用分形理论来描述。基于有限的数据资料,应用一元分形插值理论对河道纵向剖面轮廓形态进行了分形插值模拟,准确再现了其精细结构,较好地解决了上述尺度相关性和数据有限性问题,为从微观角度开展河床变形、水流阻力等问题的分形研究提供了新途径。     

基于分形曲面的河道槽蓄量计算精度影响因素研究

针对河道床面形态存在自相似性的特点,采用分形布朗运动数学模型模拟了不同起伏度和复杂度的概化地形曲面。按一定间距在曲面上提取断面数据,采用断面法计算曲面与某参考面之间的体积。将该体积计算值与理论值的差值同床面分形维数及其起伏程度进行相关性分析,结果表明,利用断面法得到的河道槽蓄量计算误差与床面形态有关。相对误差与描述地形复杂度的分维数呈指数递增,与描述起伏程度的均方差之间呈线性递增。     

分形理论在海滩剖面演化规律研究中的应用初探

基于分形原理,通过波浪水槽试验,对波浪作用下的海滩剖面形态开展分形维数计算和分析,探究分形理论应用于海滩剖面演化规律研究的可能性。结果表明:海滩剖面分形维数可以用于描述海滩剖面形态的不规则程度和复杂性,分形维数越大,海滩剖面形态越复杂。同时,围绕波浪动力因素变化对海滩剖面分形维数的影响展开讨论,波浪类型、波高和水深的变化均会导致海滩剖面分形维数的改变,波浪类型和波高的变化对海滩剖面维数的影响更明显,而水深变化导致的波浪因素变化对海滩剖面分形维数的影响相对较小。研究发现随着波浪作用时间的增长,海滩剖面分形维数最终朝平衡方向发展。     

沙波当量粗糙度的分形特性初探

应用分形维数描述不规则沙波床面形态的复杂性,基于室内水槽定床试验资料,建立了沙波当量粗糙度的分形表达式,获得了无量纲沙波当量粗糙度与床面形态分形维数及相对波高之间的关系式,并对公式进行了分析和比较。结果表明:该公式较好地反映了沙波床面三维特征对沙波当量粗糙度的影响,可用于沙波当量粗糙度的预估研究。     

河道断面分形维数对面积测算误差的影响研究

采用分形布朗运动模型和数学函数模拟了不同形态的断面。参考长江河道地形测量方式,按一定间距在断面上提取测点数据并计算断面面积,引入分形维数描述断面不规则程度。通过断面面积的相对误差与分形维数之间的相关性分析,揭示了横断面面积计算误差的根源是河道地形起伏,误差随着断面分形维数的增大而呈幂函数递增。     

大坝下游河道剖面分形与水力因素的关系研究

基于一维、二维非恒定流分形计算分析模型,对长江某段河道进行横纵剖面的分形维数分析,并建立了与水力因素的相关关系。研究结果表明:该段河道纵剖面分形维数呈二阶分维特征,整体的分形维数小于分段分形维数;流量越大,河道越短,纵剖面的分形维数越小;分析得到的横剖面分形维数呈一阶分维特征,水越深,横剖面的分形维数越大;通过综合分析得到了剖面分形维数与通航水力指标的关系,认为该段的最大水流速度不应大于3.5m/s。     

弯曲河段床面粗糙高度的分形研究

根据水槽试验的结果,从河床表面物理形态特征入手,分析了粗糙高度k_s与河床表面分形维数D的关系,并进一步分析了D与糙率系数n的关系。结果表明床面粗糙高度k_s可通过床面三维起伏度r来表达,r与D之间遵循幂指数的增长关系,即k_s与D之间定量函数关系式可通过幂指数函数表达。因此描述n与D之间的定量函数关系也可进一步建立起来。在忽略其他影响因素的条件下,床面形态分形维数D和水流条件R均会引起糙率系数n值的变化,两者作用效果相反。因此n值的变化趋势取决于两者之间的对比关系;同时公式中的两系数a、b的变化对n值的变化亦存在相反的作用,但系数b的影响远大于系数a的影响。     

鱼鳞状床面粗糙特性

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现：鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似正态且较为“高大”,次峰却极为“矮小”;卵石粒径增大,各床面高程变异函数的基台值与变程均增大;床面高程方差与变异函数基台值在量化鱼鳞状床面粗糙特性方面是基本等价的;卵石粒径越大,床面高程方差越大,变异函数基台值越大,床面越粗糙,反之亦然;鱼鳞状床面二维特征方向无标度区上限随卵石粒径的增大而单调增大,其值可近似取为0.5d₅₀(d₅₀为中值粒径),然而同一床面各二维特征方向上的无标度区上限是大致相同的;就同一二维特征方向而言,随着卵石粒径的增大,床面分形维数基本减小,床面结构复杂性减弱;鱼鳞状床面粗糙特性具有明显的方向性,尤其是在与水流方向的角度成0、π/4与π/2的3个方向上,其粗糙特性明显不同。     

河湾相互作用的分形法研究

为探讨河湾的相互作用,该文应用微分几何中的拐点把蜿蜒河流轴线划分成若干链节(河湾),定义了链节之间的分形标度指数和河道的分形维数,并计算了下荆江近500多年来河道平面形态的分形标度指数与分形维数。计算结果表明,分形标度指数和分维可以准确刻画河湾的相互作用和河道形态的蜿蜒特征。     

粗糙床面明渠水力特性研究

粗糙床面非均匀流的水槽试验表明，非均匀流断面的垂线流速分布需用两个对数公式分别描述；粗糙床面的流速分布较光滑床面不均匀；非均匀流的紊流度分布随相对水深的增大而趋于均匀；粗糙床面非均匀流糙率系数的变化规律与光滑床面近似。     

Bed roughness adjustments determined from fractal measurements of river-bed morphology

The flow resistance in rivers is an old and partly unsolved problem. In this study, the bed surface fractal dimension(BSFD) is used to describe the bed morphology, and combined with the bed roughness, a general model experiment is developed. The results show that there is a positive relationship between the BSFD and the bed roughness, which can be further applied to estimate the roughness changes in rivers. These findings will also guide further studies of the mobile-bed flow resistance.     

Scaling of sediment dynamics in a laboratory model of a sand-bed stream

A movable bed model was designed in a laboratory flume to simulate a mixed load sand-bed stream. The modelling objectives were to reproduce bedload and suspended sediment transport as well as downstream and transverse sediment fluxes in ratios similar to the field site. To meet these objectives the model contained an exact geometric scale and graded lightweight sediments to simulate migrating dunes and suspended load transport. The experiments are somewhat novel in that most mobile bed models have vertical exaggeration, whereas in these experiments exact geometric similitude of channel dimensions was maintained. The goal of this paper is to review the scaling strategy and the level of similarity among dimensionless parameters between model and field. Similarity in dimensionless bed shear stress and the particle Reynolds number enabled the experiments to replicate the dominant sediment dynamics present in the stream during a bankfull flow. There was a conflict in the strategy, in that grain roughness was exaggerated with respect to nature. However, the paper shows that geometric similarity of bedforms and the resulting drag is much closer to what is predicted for nature. In addition, measurements of sediment transport are compared to values computed from well-supported formulations, which is shown to reinforce the validity of the scaling strategy. Lastly, criteria for movable bed equilibrium are defined and it is shown that lightweight sediments contributed to the rapid development of near-equilibrium conditions. Overall, the paper shows a methodology that can be used to model mixed load streams at an exact geometric scale.     

宽级配泥沙分形特性及其输移规律试验研究

为了探寻宽级配泥沙粒度分形特性及其输移规律,通过水槽冲刷试验,分析了床沙和推移质的分形特征,并对不同床沙、不同流速条件下的泥沙粒度分维值进行了定量的计算和对比。结果表明:不论床沙还是推移质的级配都具有良好的统计自相似性,具有分形特征;级配是否连续对于粒度分维值的变化存在显著影响,床沙粗化后粒度分维值变小,且随着冲刷流速的增大,非连续级配时粒度分维值逐渐变小,而连续级配时粒度分维值逐渐变大。推移质粒度分维值与其所对应的中值粒径存在显著的负相关性。     

D-jump in rough sloping channels at low Froude numbers

Hydraulic jump is a phenomenon which usually occurs in rivers and in correspondence with hydraulic structures. It is characterized by a rapid transition from a super- to sub-critical flow conditions, involving a huge energy dissipation. For its characteristics and its relevance in hydraulics, it has been studied since the early years of the last century. Nevertheless, many features still require a further investigation, e.g., scale effects, air entrainment process, effect of bed roughness on conjugate depths, etc. In particular, in the last few decades, the analysis of the main geometric parameters has been further developed. Nevertheless, no studies dealing with D-jump occurring on a rough sloping channel are present in literature. Therefore, the present paper reports the results of experimental investigations, which allowed to develop a semi-theoretical approach in order to evaluate the D-jump conjugate depth in a wide range of channel bed geometric and boundary configurations.     

Distribution and Prediction of Boundary Shear in Diverging Compound Channels

Measurement of bed shear stress is always a challenging task for engineers. In river engineering, bed shear is a fundamental variable and is important in estimating flow resistance and sediment transport. In this study, experiments are carried out in diverging compound channel with smooth bed (perspex sheet) and rough bed (Gravel) conditions to determine the effect of roughness. The shear velocity is estimated from universal logarithmic law. The effect of geometry and roughness on Von-Karman constant, eddy viscosity coefficient, friction factor is studied. The mass conservation and momentum conservation equations are used to derive apparent shear forces at interface of main channel and floodplain. A genetic algorithm model is developed to predict percentage of shear force (%Sfp) carried by sub-sections. To perform better with less and unseen data K-Fold cross-validation technique is used. The model is compared with available models in literature and it is observed that developed model gave better predictions with low MAPE.

     

非均匀沙床面粗糙度的分形特征

本文在分析非均匀沙床面颗粒随机分布特性的基础上，对床面颗粒暴露度函数关系进行了分析，通过简化颗粒的排列方式，利用分形理论研究了初始及粗化床面糙度的分形特征，结合实验资料讨论了床面糙率n与糙度分维数D的关系，并与床面糙率n和代表粒径(d50、d90)的关系进行了比较，初步认为对于初始床面分维数与床面糙率具有更好的相关关系，而粗化床面两者代表性基本一致，为更好地研究床面糙率、泥沙起动及其输沙过程提出了一种新的研究方法。     

嫩江白沙滩至三岔河口江段中小洪水河床糙率分析

文章通过对嫩江白沙滩至三岔河口江段中小洪水不同级别条件下河床糙率变化规律分析,得出哈尔淖主槽糙率变化规律,糙率随水位的上升而逐渐变小,而水位在130.4 m以上洪水全面跑滩,糙率增大。     

表面糙率与明渠紊流猝发现象

采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合，在不同表面糙率的条件下重点研究紊流的猝发形态和特性.研究表明，表面粗糙度对明渠紊流拟序结构的特征有重要影响.猝发喷射角约为35～75度，随表面粗糙雷诺数增加趋于增大；喷射高度可达1/8水深；喷射尺度和清扫尺度均有随雷诺数增大的趋势.增大粗糙雷诺数明显增加了多头群体喷射现象，以致形成“喷射垫层”，清扫须在床面附近逐步深入推进；由于大雷诺数增加了群喷延续时间及清扫与喷射相持时间，无量纲猝发周期明显加大.分析还表明，在喷射迸发区域水体动能和紊流耗散率较床面附近提高了数倍.     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。