冲积河流一维数学模型

本文发展了一个模拟冲积河道河床变形的一维数学模型.此模型引入了混合层和淤积层概念模式用于模拟河床组成,并考虑了非均匀颗粒的不平衡输移,用隐式有限差分法同步求解水流泥沙连续方程式、水流运动方程和河床组成方程式.这些特点使得该模型能同步反映水流与河床相互作用和制约的关系,并能用于计算和模拟(1)河床长期变形;(2)非均匀质不平衡输沙;(3)冲淤过程河床组成变化;(4)冲刷极限状态床面覆盖作用.此外,模型还具有稳定性能好,计算步长大的特点.     

水库下游河床粗化计算模型

根据泥沙起动及河床粗化理论公式，建立了水库下游河床粗化数学模型，以研究水库下游河道极限冲刷深度及粗化层级配，该模型计算简捷方便，通过实例计算结果分析，与一维数模计算成果比较及实际资料验证等级结果表明，该模型计算结果合理，可靠，对研究水库下游局部河段冲刷，具有重要意义。     

清水冲刷河床粗化研究

根据永定河的野外观測資料和室內試驗結果,对卵石夹沙河床經清水冲刷后所形成的抗冲粗化层的特性进行了探討,提出計算河床极限冲刷深度的公式,及粗化完成后的河床糙率系数与粗化顆粒下限粒径的关系式。沙貭河床受清水冲刷后将通过床沙与悬沙间的不等值交換发生粗化。冲刷段、冲淤平衡段及淤积段上都将发生粗化現象。但其粗化层不是稳定的,不能抗拒水流的推移,在一般情况下,以沙浪形式向下游运动。这一粗化层的出現加大了河床阻力,減小了水流輸沙能力,从而减緩含沙量沿程恢复速度,加长冲刷段及延长河床比降調整过程。     

卵石夹沙河床长期清水冲刷的数学模型

采用一维稳态数学模型计算沿程水位.考虑河床组成物质沿河宽、沿深度和沿程的变化,将水流阻力分解为沙粒阻力、沙波阻力及河道形态阻力,提出了相应阻力系数的计算方法.根据垂线平均流速的横向分布,逐条垂线计算不冲粒径,以形成抗冲保护层作为控制条件,计算各条垂线处的冲刷深度,修改河床高程,并得到冲刷粗化以后的河床表层级配及断面平均粒径.对于给定的流量,求得冲刷粗化以后河道沿程的阻力系数、水位、流速及航运条件,以模拟卵石夹沙河床长期清水冲刷的情况.     

沙质河床二维粗化数值模拟初探

沙质河床冲刷过程中河床变形、冲刷深度、悬移质含沙量恢复及床面级配等沿时空的变化与河床粗化紧密相关，只要对河床粗化机理和特性有较深认识才会对河床冲刷现象有较好的定量模拟。本文依据ADI算化原理，在交错网格上建立了非耦合非均匀不平衡输沙的平面二维非均匀沙水流挟沙力的计算方法和混合层计算模式。依据该模型所做的数值实验表明，模型能从定性上较好地模拟上述因素随时间沿纵横方向的变化，具有二维性，从理论和实践上进一步反映了数学模型能模拟河床冲刷过程中诸因素变化规律的潜力，并充分表明，正确预测冲刷河床变形的关系在于较好地模拟河床组成的粗化过程，对此，均匀沙模型是无能为力的。     

悬沙冲淤计算——隐式有限差分追赶法求解

本文应用有限差分隐式格式和追赶法同步求解水流运动方程和河床冲淤变形方程,进行水库冲淤发展过程计算。这种方法在物理图形上,比之国内目前多数采用的有限差分显式格式,即水面线与河床变形交替计算的方法,更能同时反映水力因素与河床变化相互影响相互制约的关系。在数值计算求解方程上,它也比显式差分格式具有稳定性好、允许时间步长较大、运算速度较快的优点。文中以国内习惯采用的武汉水利电力学院挟沙力公式形式作为补充方程,进行了一维等宽恒定非均匀流条件的溯源冲刷计算,以三门峡水库实测资料进行了验证。说明只要选取合适的参数,可以得到符合实际的计算结果。此外,对淤积后床沙细化所引起的糙率减小和挟沙力系数改变作些简化处理,进行一维条件的壅水淤积计算,结果可反映水库悬沙淤积平衡比降小于原河床比降的物理现象,这种现象为许多水库实测资料所证实。     

沙质河床清水冲刷粗化的研究

研究了沙质河床清水冲刷粗化机理，即它不是靠推移质冲刷，而主要是靠悬移质冲刷，在粗化过程中产生沙波，形成与水和条件相适应的稳定的沙波运动，建立新的平衡。据此，提出了河质河床粗化物理模式和计算方法。     

稳定流态下海底管线局部冲刷有限元数值模型

为了获得海底管线局部冲刷发展过程中不同时刻的床面形态,建立了一个有限元数值模型来模拟稳定水流下海底管线的局部冲刷。采用非定常雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型模拟水流流动,通过求解Exner方程计算床面变化,利用动网格技术展现床面变化历程,分别采用特征线法和有限元法对方程进行时间和空间离散。通过二维方形钝体绕流和Mao的清水冲刷试验对模型进行了验证。结果表明,模拟结果与试验数据吻合较好,所建模型可用于模拟海底管线局部冲刷。     

清水冲刷宽级配河床粗化机理试验研究

本文在前人研究基础上,选用粒径为0.05～20.00mm的煤屑及天然沙,在长30m、宽0.5m、深0.6m的变坡水槽内,首先进行清水冲刷河床粗化试验方法研究,然后进行了二十九组试验, 在分析本试验及前大水槽试验、河流实测资料基础上,探讨了清水冲刷宽级配河床粗化机理(包括平整床面的粗化及沙波床面的粗化),得到了粗化过程中及粗化稳定后的阻力规律,     

河床冲刷粗化计算

本文首先分析了沙质河床和卵石夹沙河床不同的冲刷粗化机理．讨论了卵石夹沙河床发生粗化的条件，探讨了粗颗粒对小于起动粒径的细颗粒不同程度的隐蔽作用，针对现有非均匀沙起动公式存在的不足，得到了一个能反映河床冲刷粗化特点的起动流速公式，建立了粗化过程中床沙级配的计算公式．在此基础上按冲刷过程中水位不变和水位下降两种情况提出了河床清水冲刷粗化计算方法，文中选用水槽和天然资料对两种情况下的粗化计算方法进行了验证．计算结果表明，无论是冲刷深度、粗化层级配还是水位下降值均与实测值接近     

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。     

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.     

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。     

宽级配推移质输移特性研究

针对宽级配卵石河道粗细颗粒泥沙的输移特点，提出一种反映粗化细化过程的特征参数－粗化细化程度的概念和计算方法，来描述河道粗化细化过程中输沙能力的不同特点，同时，在对床沙位置进行实测的基础上，把粗化过程和床沙位置特征参数联系起来，用床沙位置特征参数来反映，刻化粗化细化过程中的程度；由此而对非均匀粗细泥沙输移中粗化细化程度对输沙率的影响规律进行深入探讨，获得粗化细化程度对粗颗粒泥沙推移质输沙率影响的计算方法。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

Innovative Methoden zum Geschiebemonitoring am Beispiel der Donau

In this article, new and innovative methods for bedload transport monitoring and their application in the context of a restoration project on the Danube River are described. Using an adapted basket sampler, a first comprehensive monitoring campaign for measuring bedload transport on the Danube was conducted and the temporal and spatial variability was shown. The development of a methodology for tracing artificial pebbles made it possible to track 40 pebble tracers of three different sizes on the Danube over the course of an entire year. Combining the two methods it could be determined that bedload already moves at low flow conditions and that bedload transport only increases slightly or even remains constant after reaching bank-full discharge. The tracer study identified size-selective transport ?C larger sizes were moving less often and over shorter distances than smaller sizes ?C with a mean transport distance of 3?km per year for the current bed material at Bad Deutsch-Altenburg. Detailed bathymetry and the analysis of the layer succession of the riverbed using the Freeze Core methodology complemented the other insights into the processes of sediment transport on the Danube River. These methods successfully characterized gravel sheets and allowed us to make predictive statements about bed armoring. We were also able to confirm a mean bed degradation of 2?cm per year using a combination of methods.     

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。     

黄河内蒙段泥沙组成与力学运动特征

泥沙在水与河床演变中起到纽带作用,因粒径不同,其运动形态、运动规律以及对河床的作用等不尽相同。因此,研究河床演变就不能轻视泥沙的运动特性,尤其是黄河内蒙河段这种水沙异源的河道。根据实测和实际钻探采样资料,分析了该河段悬移质和河床质的泥沙组成。并以此为基础,从起动扬动、悬浮高度、挟沙能力等角度探讨了主要粒径泥沙在一定水流条件下的运动形态与规律。通过能量和功率方程求得黄河内蒙河段的推移质输沙率。结果表明,内蒙河段悬移质基本上由粒径小于0.080 mm的泥沙组成,而河床质主要粒径为0.100~0.500 mm,其中粒径为0.100~0.250 mm的泥沙活跃于冲淤过程。推移质输沙率的分析表明,来自黄河内蒙古河段上部的粗颗粒泥沙不易被水流长距离挟带,大部分淤积在三湖河口上游。     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。