黄河流域泥沙输移比与流域面积的关系

流域泥沙输移比反映了流域与外界进行水沙交换的能力,对揭示流域水沙输送模式、水沙通量变化和评价流域水保措施效益具有重要意义。本文以黄河干流及其重点支流为研究对象,基于泥沙输移比的定义式,通过流域面积与侵蚀量和输沙量的关系,得到研究区域流域面积与泥沙输移比之间的关系式。研究结果表明:泥沙输移比随着流域面积增加迅速减小,并在流域面积为150 000km2左右时达到最小值0.183;随后,泥沙输移比随流域面积增加也缓慢增加,但不超过0.352。对泥沙输移比和流域面积的小波降噪分析也佐证了黄河流域的泥沙输移比随尺度变化存在一个临界尺度,这种变化趋势与一般认为泥沙输移比随流域面积增大而减小的观点并不完全吻合。研究结果可为流域水土保持和生态建设提供科学参考。     

坡面泥沙输移比时空分布式的构建与分析

坡面泥沙输移比分布式的构建是计算坡面输沙分布和吸附态非点源污染负荷分布的基础。在对已构建的坡面泥沙输移比式进行分析研究的基础上,鉴于降雨形成的地表径流是坡面泥沙输移的直接推动力,对现有的"流动连通性"指标进行改进,提出了"径流连通性"指标并以此构建坡面泥沙输移比时空分布式。将泥沙输移比式与修正的通用土壤流失方程结合,形成山地流域输沙模型。以三峡库区大宁河流域为例,通过对输沙量的模拟,对比分析了所构建的坡面泥沙输移比式的合理性。基于径流连通性指标的坡面泥沙输移比时空分布式,考虑了降雨产生的坡面泥沙输移比随时间的变化,更为合理、模拟精度更佳。     

水下移动射流冲蚀沙床的试验研究

为研究移动射流冲蚀效果和泥沙输移的影响因素,开展了不同射流喷嘴移动速度和沙床坡度条件下的二维平面移动射流冲蚀沙床试验研究。试验记录了不同射流工况下的泥沙输移过程及异重流的运动规律,分析了泥沙输移及异重流运动随射流喷嘴移动速度、沙床坡度的变化规律,讨论了异重流运动和泥沙淤积形态的物理机制。结果表明:水下移动射流冲蚀沙床能够形成异重流,可实现淤积泥沙的起动并输移一定距离。泥沙淤积轮廓剖面具有相似性,各工况平均输移距离近似相等,沿程累计泥沙相对输移量分布与泥沙粒径分布相似。泥沙相对输移量与射流喷嘴移动速度和沙床坡度呈正相关,但当沙床坡度大于10‰后,坡度影响不再显著。     

颗粒间相互作用对宽浅坡面流输移能力影响的试验观测

流域上游地区的土壤侵蚀及与其相关的泥沙运移是影响流域地表径流水质的重要过程，被侵蚀的泥沙大部分由坡面流输移，目前的泥沙输移关系都是从剪切力概念或河道能量概念引出的，而这些概念却都是仅仅基于流体力学的。泥沙的运移都单一地依赖于水流剪切力或能量的阈值条件，这一理论的前提是：①泥沙初始运移需要的最小剪切力或临界剪切力，或者最小、临界河道能量；②泥沙输移率和剪切力或河道能量与其临界值的差值密切相关。这些关系或许可以用来描述泥沙在河道中的输移，却不能反映出泥沙在宽浅坡面流中输移的微观机制或物理过程。流域的上游地区，在上临界弗如德数的水力条件下，坡面流含沙量的变化范围非常大。在宽浅坡面流的试验研究中，泥沙按照逐步控制方式添加到坡面流中，并且通过测量来确定颗粒速度与含沙量之问的关系。在不同的水力条件下，存在最大的泥沙输移率，对泥沙颗粒运移的观测表明：泥沙输移方式是跳跃式的，在这些条件下，水流状态受控于包含了很大部分动能的滚动波，因此滚动波是薄层流泥沙侵蚀及输移过程中的主要能量来源。     

强降雨情况下坡面泥沙输移量突增特性研究

为了研究震后松散泥沙颗粒堆积体在强降雨情况下的坡面泥沙输移特征,找到泥沙输移突增的临界条件,选取宽级配松散土石为样本模拟震后松散泥沙堆积坡面,采用人工降雨的方式,通过不同坡度和雨强的组合实验,对各坡度坡面在强降雨情况下的泥沙输移情况进行了模拟,同时结合数值软件FLOW-3D对试验进行模拟研究。主要成果及结论如下:由松散泥沙颗粒堆积而成的坡面在强降雨作用下存在泥沙输移量突增现象;泥沙输移量突增的临界坡度介于15°与20°之间,临界降雨强度约2.0～2.4 mm/min。泥沙输移突增的临界降雨强度随临界坡度的增大而减小;30°坡面工况(大于临界坡度),试验最小降雨强度1.2 mm/min都可以促使坡面产生泥沙输移量突增的现象。     

紫色土丘陵区小流域泥沙输移的分形特征及输移比模型

 综合分析了紫色土区小流域泥沙输移的特征。根据研究区库塘淤积资料及单元小流域地面侵蚀模数，计算了不同集雨面积小流域的泥沙输移比。应用分形理论的自相似原理，探讨了泥沙输移比与小流域集雨面积的关系，并得出泥沙输移比（SＤR）的统计模型，可用于估算紫色土丘陵区资料短缺小流域的输移比和产沙量。     

泥沙输移比问题的分析研究

泥沙输移比定义一直存在着不够准确清晰的缺点，对泥沙输移比概念及其影响因素进行了更深入的探讨是非常有必要的。首次在泥沙输移比公式中引入粒径、时段因子，利用量纲分析推求了不同区域的泥沙输移比公式。从理论上阐明泥沙输移比并不是单纯与整个流域面积成反比，而是与流域产沙面积成反比     

三维水沙输移模型对深圳深水湾水沙输移的研究

运用三维水沙输移模型研究深圳深水湾的泥沙输移,经过实测资料的验证,计算值能够模拟实际情况,表明波浪对泥沙输移有重要的影响。为进一步研究深圳深水湾泥沙在潮流作用下的输移规律,模拟了1998年7月21日至1998年8月21日涨退潮期间的水沙运动,计算结果表明深水湾属于泥沙淤积区域。     

泥沙输移问题的分析研究

泥沙输移比定义一直存在着不够准确清晰的缺点，对泥输移比概念及其影响因素进行了更深入的探讨是非常有必要的。首次在泥沙输移比公式中引入粒径，时段因子，利用量纲分析推求了不同区域的泥沙输移比公式。从理论上阐明泥沙输移比并不是单纯与整个流域面积成反比，而是与流域产沙面积成反比。     

恢复河床形态的防冲建筑物

潜没式偏流叶片可以作为传统治河建筑物的替代物。偏流叶片系统改变水深系由泥沙侧向输移而不是向下游输移引起的。因而不改变河道总的特性，而许多传统的泥沙控制建筑物却使泥沙产生沿程再分布。并使水流发生变化。     

非均匀沙分级推移质公式

根据近底泥沙交换的随机-力学模式及输沙率概率分布，从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率的新公式。采用作者提出的分级起动概率和颗粒跳跃速度表达式处理有关参数，而公式所及常数则由均匀沙输移试验资料确定。由此获得的非均匀沙分级推移质公式物理概念清楚、数学处理严密、能自动适应均匀沙情形。用非均匀沙分级输移试验资料的验证结果表明，理论能合理地描述非均匀沙推移质运动的客观规律。     

非均匀沙推移质输沙率及其级配计算

本文根据水流功率理论,导出了非均匀沙推移质输沙率公式,并考虑了床沙运动的随机性及床面粗化对输沙率的影响;提出了推移质级配计算的公式。由非均匀推移质输沙率及其级配计算公式的计算值与作者、Samaga、Gilbert试验值及长江新厂(二)站、美国东汊河实测值吻合较好,并且能够用于均匀沙的推移质输沙率计算,具有广泛的通用性。     

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。     

A STUDY ON NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF NONUNIFORM BEDLOAD IN STEADY FLOW

In the case of steady flow, an equilibrium state for an alluvial reach referring tothe input of sediment over a sufficiently long time (time interval in the order of months) is equalto the output of sediment. A nonequilibrium state exists under steady flow when the sedimenttransport rate changes with time and space, so that there is no balance between input and outputof sediment. The experiments were performed in an open circuit tilting flume with the bed slope of 0.001-0. 009, the flume length of 30m and flume width of 0. 5m. The boundary condition atupstream and in all experiments, the rate of sedimant supply was zero. The coal or sand was se-lected as the Wed material. The grain diameter of the bed material varied in the range of 0.05-20. 00ram. The equation of nonequilibrium transport of nonuniform bedload is derived. Thegrain distribution of the size distribution of bedload is calculated by modified Gessler's formula.The grain size distribution of bed material is calculated by CARICHAR mixed layer model. These equations are applied to numerical simulation of armoring of riverbeds. The results ofthe bedload transport rate and the grain size distribution of the bedload at the end of the down-stream in the process of time, as well as the grain size distribution of the bed material in the pro-cess of time and distance are all in close agreement with the measurements.     

卷首语

正人才是科技事业发展的根本。中国水科院一直十分重视人才队伍建设,特别是"十三五"期间,实施人才强院战略,首次推行"五大人才"计划,即在全院实施创新领军人才和创新团队建设计划、三型人才培育计划(基础研究型、技术研发型、产品开发型)、新人助推计划、高层次人才引进计划、国际复合型人才培养计划。通过连续五年的稳定支持和人才分类评价,科研人员创新活力不断增强、优秀人才不断涌现,取得了丰硕的创新成果。     

不连续宽级配床沙推移质输沙率特性试验分析

通过水槽试验对不连续宽级配床沙的推移质输沙率进行试验研究.深入分析、探讨了不同水流强度及不同床沙组成对连续与不连续宽级配床沙输沙率的影响.在已有研究成果的基础上,构造了考虑床沙不均匀性的相对水流强度表达式,着重研究了相对水流强度与推移质输沙率函数的关系.利用试验资料对提出的表达式进行回归分析,确定了有关参数.最终确定的...     

基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式

基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系式.实测资料表明,推移质输沙率与床面层内有效水流功率有良好的相关性,且高于推移质输沙率与水流功率的相关性.经2 800组试验资料与天然河流资料的检验表明,该关系式的适应性良好,计算精度较高,并优于同类型的基于水流功率的推移质输沙率公式.     

推移质泥沙级配确定方法的试验检验

利用正态动床模型中推移质级配随水流强度变化的观测资料,分别从模型角度和原型角度对概率统计法、最大粒径法和平均粒径类比法等确定河床推移质级配的方法进行了检验与比较。从模型角度比较结果表明在较小和较大流量下采用概率统计法计算的级配相对实测值分别偏粗和偏细,另两种方法在各种流量条件下的计算结果与实测数据均较为吻合。从原型角度比较结果表明概率统计法在小流量和大流量下较实测值分别偏粗和偏细,与从模型角度比较类似,最大粒径法在大流量下较实测值偏细,平均粒径类比法计算结果在各级流量下与实测值均较为接近。     

冲泻区形态动力学耦合模型研究Ⅰ:分段输沙率公式建立

海岸泥沙运动的床面推移质输沙率公式多采用修正的单向流泥沙输运的计算公式,难以描述近岸带往复急变非恒定流作用下冲泻区床面泥沙运动规律及其力学机理。本文在总结分析3家冲泻区泥沙运动希尔兹参数修正公式的基础上,对比分析垂向流速、岸坡、渗流等因素对岸滩形态改变的影响,提出符合冲泻区水沙动力特征的瞬时希尔兹参数修正公式,确定了公式所含参数的计算方法,建立了表征冲泻区泥沙运动的推移质分段输沙率公式,并基于理论分析设计水槽实验对公式参数进行计算,拟合得到的分段参数L表征量位于低冲泻区和中冲泻区的衔接处。结果显示,分段进行冲泻区推移质输沙率的计算是可行的,为后续岸滩形态动力学模型的建立奠定了基础。     

北江下游推移质输沙研究

采用数值模拟与实测资料相结合的方法研究了北江下游推移质输沙率公式的适用性、洪枯季推移质输沙率及空间分布。结果表明以切应力为主要参量的推移质输沙率公式较适用于北江下游河道,洪季Bijker公式、枯季Van Rijn公式计算误差较小。石角断面洪季推移质输沙率为9.06万t/月,枯季为2.43万t/月,年推移质输沙量为49.54万t。推移质输沙主要集中在大塘以上河段,洪枯季均在山塘上游、廻岐洲、界牌洲等处出现输沙率峰值,大塘下游推移质输沙较弱。水面比降是推移质输沙率沿程变化的主导因素。