受泥石流入汇影响主河床冲刷粗化稳定试验研究

受泥石流入汇影响，主河床随不同河段级配常呈显著差别，特设计了10组床沙分段组成的粗化模式进行试验，认为清水冲刷只有在该段上游没有泥沙起动输移动研究区域时，才是严格意义上的清水冲刷粗化，否则应研究上游区段冲刷输移量及其沿程沉积量和对下游区域的影响程度，此外，还研究了受分段影响区域的初始和粗化稳定后床面高度统计量变化幅度以及稳定后沙粒阻力的表示方法，得出了利用床面高度变化统计量均方差σ比用床面糙度尺寸Ks选取的代表粒径更能体现综合糙率曼宁系数n值。     

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。     

河流床面粗糙程度的度量方法研究

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示：曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明：代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方...     

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。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。     

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。     

冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的评述

本文对现有冰期河道糙率分析和计算方法的研究现状进行了综述，包括冰期河道阻力的组成；河道综合糙率，冰盖糙率，冰盖糙率和床面糙率间的关系；冰期河道综合糙率的各种计算方法以及冰盖糙率和床面糙率的计算方法，本文还用计算例对各种综合糙率计算方法进行了比较，并对产期糙率研究的问题和我国北方河流冰期观测等问题进行了讨论。     

淤泥质床面上减阻流动的紊动特征

本文对不同密度的淤泥质床面上水流运动的流速分布、减阻特征、紊流度、紊动猝发周期和能谱结构进行了系统的实验研究，并与刚性床面的结果进行了比较分析，结果表明：淤泥质床面具有减阻、增速、抑制紊流猝发产生和减小紊动耗散率的作用。     

海滦河流域水系分形

流域地貌系统的水系是一种自然分形。本文通过改变粗视化程度求维数的盒计数法求取了海滦河流域水系的盒维数（容量维数），并在此基础上讨论了水系分维的合并原理及水系分维的意义，最后初步建立了水系分维与流域径流模数的关系。     

含植物河道等效床面阻力试验研究

植物广泛存在于滩地和河槽中,可有效改善水环境,但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究,将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力,因模拟实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进行试验的思路,即按河道现场调研的植物密度布置,沿横向和垂向对河道横断面分区,对实际植物区域施加实际流速条件,试验研究分区水体中的植物阻力,最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道为对象,选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物,考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验,结果表明,当遭遇100年一遇洪水时,乔木种植区域的等效床面糙率为0.060～0.066,灌木种植区域的等效床面糙率为0.083～0.099,芦苇种植区域的等效床面糙率为0.698～0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。     

泥沙粒径分布函数的分形特征与吸附性能

应用分形几何原理，从理论上研究了泥沙颗粒的粒径分布特征，将分维作为描述泥沙颗粒的粒径分布特征的参数，给出了泥沙颗粒粒径的分形分布函数，并应用分形分布函数讨论了不同粒径分布的泥沙吸附重金属污染物的问题。     

黄土高原重点流域河网分形特征研究

分形理论为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文采用盒维数计算原理和方法,计算黄土高原20条重点流域的河网分维值,探讨其分维值与流域面积、径流模数、产沙模数的相关关系,结果表明:黄土高原地貌形态在其无标度区间内表现出很好的分形特征,根据计算出的各流域分维值发现,黄土高原大多数流域可能处于侵蚀发育的幼年期;流域干流长度与流域面积的幂函数关系式拟合较好,符合Hack提出的主河道长度与流域面积的关系;径流模数与河网分维存在很好的线性关系,其相关系数通过了显著性水平为0.01的检验;河网分维与流域面积、产沙模数都呈正相关性,但难以用某一种简单函数描述。最后通过多元回归分析,建立了产沙模数模型,验证结果表明,该模型具有较高精度,可以对流域产沙模数进行估算。     

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大，己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展，但泥沙颗粒的分 维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题，本文首 先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理，从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。     

粘性细颗粒泥沙静水絮凝沉降生长的计算机模拟

利用分形生长模型对粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程进行了计算机模拟,在扩散受限的絮团聚集模型(DLCA模型)的基础上,初步研究了粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降分形生长过程,并对最终的絮凝体进行了图像处理,得到了分形维数和颗粒浓度的关系。     

用分形几何理论研究圆管糙率及其实用意义

在已有紊流阻力定律与试验研究基础上,分析了当量糙率KS在计算紊流沿程阻力损失中的重要作用,以及我国水利工程沿程阻力损失计算和工程应用现状。以圆管内壁糙率为例,用分形几何理论研究了圆管糙率的分形特征,给出了圆管糙率分数维的数学模型和算例。论证了圆管糙率分数维和当量糙率KS的关系,分别讨论了管道纵、横向糙率分数维的计算方法,提供了将前人所建立的紊流阻力定律与试验结果直接用于工程实际的途径。     

碎石尺寸对碎石土强度影响的大型直剪试验研究

以田师府—桓仁铁路大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,配置了3组含碎石尺寸不同的重塑碎石土样并采用大型直剪仪进行了剪切试验研究,探讨了碎石尺寸对碎石土抗剪强度的影响作用规律。在此基础上,利用现代非线性理论-分形理论,采用分形几何方法研究了该碎石土重塑样的粒度分布特征,得出了不同碎石尺寸下碎石土的分形维数,并探讨了碎石土的强度特征与粒度分形维数之间的关系。研究表明在粗粒含量相同的情况下,碎石土的抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大;内摩擦角随着碎石尺寸的相对增大而增大;而黏聚力呈现相反的趋势,随着碎石尺寸的相对增大而降低;随着碎石尺寸的相对增大,分形维数增大,分形维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀,反之分形维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。碎石土抗剪强度和粒度分形维数有一定的相关性,黏聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,黏聚力和内摩擦角均与粒度分形维数近似呈现抛物线函数关系。     

表面分形原理在研究泥沙吸附乳化油特性中的应用

本文应用表面分形原理，研究了泥沙表面的分形特性，得出了相应的分维数，并以此为基础，进一步对泥沙吸附乳化油的特性进行分析，最终导出了平衡吸附量与分维数、泥沙粒径、吸队质截面积等因素的关系。     

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。     

潼关高程对渭河下游泥沙冲淤影响研究

2003年渭河小水酿大灾,又一次使潼关高程问题成为各方研究的热点。本文利用恒定一维不平衡输沙数学模型,对不同潼关高程(326 m、327 m、328 m)在给定水沙系列(时长14年)作用下对渭河下游河道的冲淤影响进行了研究,从定量上得出了潼关高程分别为328 m、327 m时渭河下游14年间各河段的淤积量和冲淤趋势,这对于防洪治理具有重要意义。     

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.