黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

长江中游石首河段崩岸数值模拟研究

以石首河段为例,针对弯曲河段复杂的地形和河势,基于移动坐标的计算原理,建立移动坐标下的平面二维水沙数学模型。通过在泥沙运动方程中增加横向输沙项,对该模型进行扩展,使其能较好地模拟弯道环流的横向输沙效应;借助土力学中边坡稳定性理论,对河岸崩塌变形进行数值模拟。对该河段水流泥沙运动过程及河床演变过程的复演结果,表明该模型不仅能够模拟该河段水流运动规律,而且还能模拟河道的崩岸。     

考虑河岸冲刷的弯曲河道水流及河床变形的数值模拟

本文将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河岸的冲刷模型结合，用于模拟弯道内的水流运动、悬移质泥沙的输移、河床的纵向及横向变形.用水槽试验资料验证了本文提出的水流模型，结果表明流速分布、水位等计算结果与实测值相当符合.应用建立的水沙数学模型以及河岸冲刷模型，模拟了一概化弯道在持续清水冲刷下的主流线位置、断面形态、主槽比降的变化过程，模拟结果符合弯道演变规律.     

游荡型河流的平面二维水沙数学模型

本文为反映游荡性河流在水流弯曲、分汊等作用下所导致的环流输沙作用，首先在悬移质泥沙对流扩散方程中增加了横向输沙项，然后引入适合黄河粘性沙构成河岸物质的塌岸模式和局部动网格技术和网格融合技术等基础性研究成果，解决了河岸变形模拟、调整工程导致网格再生、床沙级配等关键性难题，首次开发出可模拟游荡性河床演变且可反映河道整治工程作用的平面二维水沙数学模型。最后，以黄河下游柳园口~夹河滩河段为例，应用本文模型对游荡型河流河势变化进行了数值模拟。其结果表明，本模型能够真实的模拟出游荡型河流独特的河床演变过程。     

推移质运动的二维数学模型

本文建立了一个模拟推移质运动的二维数学模型，水流运动方程中考虑了河流弯曲处环流所引起的动量交换，推移质运动方程中则考虑了推移质运动的随机性、床沙粗细颗粒的相互影响及床沙级配沿河宽的调整。利用连续弯道清水冲刷河床变形试验资料对模型进行了检验，检验结果表明，数值计算结果在定床及动床水面线、流速沿河宽分布、冲刷过程中水位下降过程、河床的平面变形、出口断面推移质输沙率及其级配、床沙沿纵横向的分选等方面与试验结果吻合较好。     

游荡型河流的平面二维水沙数学模型

为使数学模型能模拟游荡性河流因水流弯曲、分汊等导致的环流输沙作用,本文首先在悬移质泥沙对流扩散方程中增加了横向输沙项,然后引入适合游荡型河流的塌岸模式及局部动网格技术和网格融合技术,解决了河岸变形模拟和河道整治工程导致网格再生、床沙级配变化模拟等关键性难题,开发出可模拟游荡性河流河床演变且可反映河道整治工程作用的平面二维水沙数学模型。最后,以黄河下游柳园口—夹河滩河段为例,应用本文模型对游荡型河流河势变化进行了数值模拟,结果表明本模型能够真实地模拟出游荡型河流独特的河床演变过程。     

黄河下游游荡型河段洪水演进与河床变形过程的数值模拟

黄河下游游荡型河段的河床变形过程相当复杂，横向变形尤为突出，现有水沙数学模型一般仅能模拟河床纵向冲淤，不能模拟滩岸横向冲刷与崩塌，本文将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷的力学模型相结合，建立河床变形的平面二维混合模型。然后以黄河下游花园口至夹河滩的游荡型河段为例，采用该混合模型，首次较为全面地模拟了1982年汛期的洪水演进与河床变形过程。沿程最高水位、出口断面流量过程等计算值与实测值符合较好。计算结果还表现为大水时主槽冲刷，滩地淤积；小水时主槽淤积，滩地崩塌。该计算结果与游荡型河段的年内冲淤变化规律一致。     

基于滩岸变形的游荡型河段崩岸计算模型研究

针对游荡型河道的演变特征,将主流摆动和河岸崩塌的计算模式与平面二维水动力学模型相结合,建立了游荡型河段滩岸崩塌的计算模型。介绍了滩岸横向冲刷距离计算和河岸稳定性分析的方法。描述了游荡型河道水沙数学模型计算中的边界处理方法、河岸横向冲刷与崩塌过程计算和河岸形态修正的主要步骤。该模型有效解决了崩岸尺度与河宽尺度不匹配的问题,能够模拟河岸后退或淤长过程。     

考虑弯道环流影响的平面二维水流泥沙数学模型

弯道环流是影响断面流速和含沙量分布的重要因素。本文提出了通过求解立面二维弯道环流运动的方法,在平面二维水流泥沙数学模型中考虑弯道环流的作用。该方法适用范围广,增加计算工作量不太大。     

松花江哈尔滨城郊河段平面二维数学模型及河道冲淤的研究

通过建立二维水沙数学模型,采用最新的计算方法和高可靠性悬移质不平衡输沙方程等,对河道以及闸、堰、导流堤等进行了模拟,保证了河床冲淤变形计算的可靠性。     

强潮河口上游建库引水后的再造床过程

作者以鳌江河口为例，应用一、二维耦合潮流泥沙数学模型，研究了上游河道建库引水后河口的再造床过程。文中分析了该河口的水文、泥沙特性及河床演变规律；给出了数学模型的计算条件、关键问题的处理方法和验证计算结果；预测了建库引水后河口的水流和河床变化过程。研究表明：水库运用初期淤积发展很快，以后逐渐减小，直至建立新的平衡；淤积是自上而下发展的，且沿程分布不均匀，弯道段淤积厚度相对较小，位于两弯道的过渡段淤积厚度相对较大；淤积在断面上的分布也不均匀，泥沙淤积对河口地区的港口及航道水深有一定影响。     

溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。     

无粘沙质床面上冲积性河湾形成和演变规律自然模型试验研究

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述弯道水流运动的三维数学模型，并利用室内物理模型试验进行验证，验证结果表明，数学模型能够较好地模拟弯道内水流的流速分布以及湍流特征。以验证后的模型为工具，对具有不同平面形态和床面形态的弯道中的水流运动进行了模拟，模拟结果表明：弯道中浅滩和深槽相间的地形起伏加剧了断面流速分布的不均匀性，同时使得水流动力轴线更加偏向凹岸，流速的沿程变化也较平整床面更为复杂；另外，与对称型河弯（正弦派生曲线型）相比，非对称河弯（Kinoshita派生曲线型）中在两弯顶中间存在较多的低流速区，有利于泥沙的落淤，而对岸流速一般较大，形成河岸的快速崩退，这能够从一个侧面解释非对称河弯向下游方向整体的快速迁移。     

具有河网水沙运动特点的人工神经网络模型

本文将人工神经网络模型与河网水沙连续方程联系，建立了具有河网水沙运动特点的人工神经网络模型，赋予神经网络内部参数物理概念。该模型的特点是对河道地形要求不高，能够满足水沙输移实时预报的要求。利用所建模型对长江中游荆江及洞庭湖区水沙运动规律进行模拟，结果表明该模型能够较好地反映河网水沙输移规律。     

MATHEMATICAL SIMULATION OF NAVIGATION CHANNEL CHANGES IN THE FLUCTUATING BACKWATER REGION OF THE THREE GORGES RESERVOIR

In this paper,an one- and two-dimensional connected mathematical model is de-veloped.The two-dimensional characteristics of flow and sediment transport are considered asmuch as possible in the model.The model is calibrated with field data and applied to simulate theriver process of the fluctuating backwater region of the Three Gorges Reservoir.Some conclu-sions have been made based on the simulation results.     

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型，是根据以一维圣维南方程组，悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先，利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性，写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到得有节点的水位，再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水注的节点水位控制法，本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小，所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组，得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。     

挟沙水流中石油类污染物输移转化的数值模拟

利用一维数学模型模拟了挟沙水流中石油类污染物输移转化现象。在所使用的数学模型中引入了基于固-液两相流基本守恒关系得到的吸附态、溶解态污染物输移转化方程,用以反映泥沙运动、河床冲淤与污染物输移转化的强耦合过程。文中对水槽及天然河流中石油类污染物输移过程的模拟结果表明,本文结果较好地反映了泥沙运动、河床冲淤对污染输移的影响,可用于挟沙水流中石油类污染物输移转化的模拟。     

泥浆侧排浓度扩散特性二维水沙数学模拟研究

涉水工程在施工过程中产生的高浓度泥浆排放必将污染下游河道,给下游生产、生活用水带来影响。因此准确预测高浓度泥浆排放对下游河道的影响程度及范围具有重要意义,本文以含沙水流为研究对象,采用一般曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型对长江武汉河段过江隧道施工过程中泥浆排放对下游河道的影响进行模拟和计算。结果表明：模型能较为真实地反映不同水流条件下不同浓度的泥浆在水流中的扩散范围。可为泥浆排放口下游的生产、生活用水决策提供必要的参考依据。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ：原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。     

基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。