长江黄河垂线流速分布的分形研究

目前工程中应用的各种流速分布都应当看作是紊流运动的基本方程(Navier-Stokes方程)在不同条件下的近似解,因此有不少的学者试图从标度指数出发寻求流速分布的规律.以长江、黄河实测资料为例,从分形标度的角度出发去探讨天然河道垂线流速分布的规律.研究结果表明:天然河道垂线流速确实存在着分形现象,分维数可以反映垂线流速分布的均匀程度,分维数越大,垂线流速分布越均匀;一般情况下,长江垂线流速的分维数要大于黄河的分维数,并且同一条河道的不同位置分维数不同.     

基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律。结果表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律。对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义。     

长江、黄河水系长度的分形标定

应用分形理论对中国长江、黄河的长度进行了分形标定.基本结论为:①不同量测尺度下的长江、黄河长度可以应用分形理论进行科学标定;② 1∶300万地图上长江长度的分形标定公式为logL=3.775 9-0.099 3logr,黄河长度的分形标定公式为logL=3.756 9-0.101 4logr(式中L为水系长度,r为测量尺度);③ 1∶450万地图上长江长度的分形标定公式为logL=3.766 5-0.085 2logr、黄河长度的分形标定公式为logL=3.781 5-0.110 8logr;④长江分维小于黄河分维,分维是描述中国水系曲折程度的新参数.     

向家坝下长江干流长河段河道横剖面分形特征

以长江干流向家坝—朱沱河段内局部碍航滩段为研究对象,建立二维非恒定-分形数学模型,统计满足最低维护水深的航道宽度,计算河道横剖面分维数,显示其呈1阶分维特性。河流宽度分维数和水深以及与所在河段、所在断面的形状有很大关系,一般浅滩呈现宽度分维数随水深增大而增大的趋势,横剖面分维数随流速增大整体上呈逐渐减小的趋势。对比同一河段内各滩分维数的大小,在上游流量相同时,河道横断面地形越平顺横剖面分维数越小。     

基于分形理论的流速及含沙量垂线分布规律研究

明渠水流的流速分布和含沙量垂线分布规律目前大多是利用现代流体力学的基本理论结合一些假设得到的近似解,因而寻求更具理论基础更能与实际相符的公式一直是学术界研究热点问题之一。本文利用分形理论中自相似分形的标度律,研究了流速垂线分布和含沙量垂线分布的局部与整体之间的自相似现象,从而得到了二维明渠垂线流速分布和含沙量分布的规律。结果表明,基于分形标度律可以得到指数流速分布公式、对数流速分布公式及其它形式的流速分布公式;同样,基于分形标度律也可以得到含沙量垂线分布的Laursen公式、Rouse公式及其它形式的含沙量分布公式。     

黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征及其来源分析

土壤是具有自相似结构及一定分形特征的不规则复杂多孔介质,为更好地对黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征进行定量表征并解析其来源,利用传统统计学和多重分形理论,研究了黄河乌兰布和沙漠不同地段土壤的粒度特征及粒径分布。结果表明:研究区土壤颗粒组成具有明显的多重分形特征,沙头对岸D_0值为0.821、D_1值为4.386,即粒径分布范围最宽且最不均匀,荒漠草原D_1值为2.970、D_1/D_0值为4.595,即粒径分布最均匀且离散程度最大;不同地段土壤粒径分布范围间存在差异,但相近地段颗粒组成类似;河道左岸由于受乌兰布和沙漠的影响,使得河道左侧的沉积物粒度变粗,其来源于沙漠的沙物质,而右侧河道几乎不受乌兰布和沙漠的影响。     

西北江三角洲来水来沙的非线性分形特征

根据西、北江干流高要、石角及西北江三角洲网河区顶点马口、三水四个水文站的流量和含沙量资料 ,应用非线性分形原理的R S方法 ,计算西北江干流及西北江网河区顶点四个水文站的流量、含沙量的赫斯特数H和分形维数D ;探讨西、北江干流来水来沙的分形特征及西北江三角洲的分水分沙规律。结果表明 ,流量的分维数略大于含沙量的分维数 ,三水站流量及含沙量的分维数与其上游的石角站流量、含沙量的分维数相差较大 ,与思贤的分水分沙造成西北江的水沙交换有关     

长江三峡地区断层分布特征的分形研究

以长江三峡地区和坝区的实际断层图为基础，用盒维数法验证断层分布（不含主断层）的自相似性，分析讨论不同区域、不同层次上断层分布的分形特征及其变化规律，研究结果表明：三峡地区的断层分布具有很强的统计自相似性。三峡坝区内的不同层次的断层分布均存在分形结构，次级断层的分维数高于该区域内大断层的分维数。     

济南浅层地基微观结构及分形特征研究

天然沉积土的宏观力学特性与微观结构紧密相关,研究土体微观结构对深入揭示土的宏观力学特性具有重要意义。首先研究济南地区深度在50 m以内黄河冲积地层天然沉积土的物理力学参数分布特征,再采用场发射扫描电镜试验,分析各土层不同方向土样的微观结构特征,最后应用分形理论,研究各层土分形维数的演化规律及其与物理特性参数间的相关性。结果表明:第(7)层黄土是以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构,第(8)层粉质黏土是碎屑粉粒为骨架的蜂窝结构,第(9)、(10)和(11)层粉质黏土是以黏粒集合体为基本单元的薄层状絮凝结构。不同土层土体土粒和孔隙的分形行为明显,随着地基深度增大,土粒和孔隙的分布分维数均逐渐加大,形态分维数均逐渐减小,土粒的粒径变化比孔隙的孔径变化明显,而孔隙的形态变化比土粒复杂。土体的分维数与含水率、孔隙比、液塑限、黏聚力和内摩擦角之间存在较强的相关性。     

长江河道形态的分形计算

本文用分形几何理论对长江河道形态进行量化处理,求得了长江河道整体及分段分维值。分析表明,分维值客观反映了河道形态复杂程度。对河道形态的量化处理和了解河流发育程度以及对其成因反演提供了新思路。     

黄河高浊度水的絮凝形态学特性

在黄河泥沙高浓度悬浊液中投加阳型高分子聚合物进行沉降试验时，借助电镜观察、图像分析技术与“分维”特征参数，探讨了不同絮凝阶段含沙高浊水絮凝形态学参数的变化规律。结果表明：分形絮体的粒径呈广义的正态分布；絮体自由沉速的变化规律不能用传统的Stokes定律解释；不同泥沙浓度对应的絮凝形态学特性的发展变化规律相似；理想絮体分形结构出现在絮凝过程的中间时段，此时，絮体粒度分布集中、密实程度高、孔隙率小、沉速快、分维值最大。     

水库群联合作用下长江中下游江湖关系响应机制

长江干支流水库群的总库容约占长江入海年均径流量的37.6%,水库群的联合作用改变了进入长江中下游江湖系统的水沙条件,引起江湖系统水沙输移、冲淤演变及江湖关系等发生新的变化,呈现新的特点。本文在综述近年来长江中下游江湖系统水沙输移与冲淤演变特性及江湖关系变化等研究成果的基础上,重点阐述水库群联合作用下长江中下游江湖关系响应机制,形成的主要认识有:水库群联合作用下中下游江湖系统的径流量及比例组成没有明显变化,但输沙量及比例组成发生显著变化,干流宜昌站变化最为明显;中下游河道由自然条件下的中沙河流变为少沙河流,江湖系统由自然条件下的累积性淤积转为持续冲刷,并在较长时期内进行重新塑造与调整;水库群的联合作用对江湖水沙交换与湖区冲淤产生影响,两湖枯水期有所提前,湖区泥沙沉积率显著下降,江湖关系总体趋于向好的方向调整。鉴于长江水沙条件变化的不确定性、人类活动影响的加剧与江湖系统演变的复杂性,今后仍须加强变化环境下中下游江湖系统响应机理研究。     

长江源曲麻莱段河床沉积物分布特征

基于长江源通天河曲麻莱河段河床沉积物测量和分析,通过各参数的统计及对比,探讨沉积物粒度的基本特性及时空分布规律。结果表明:取样河段沉积物以沙砾石为主,由跃移质和悬移质成分组成,无滚动沉积,粒度参数和频率分布曲线特征显示长江源曲麻莱段河床沉积物分选较差,自然分布频率曲线多为双峰,是较典型的河流动力沉积物。而阶地沉积物则为多峰,分选差,应为河流与冰川共同作用的结果;同一断面河槽附近沉积物粒径较粗,与水流动力分布一致;洲滩沉积物粒径的垂向分布呈现粗细交替的基本规律,可反映不同历史时期河道水文节律以及青藏高原气候的定性变化。沉积物粒度的垂向分布可以为河流历史形态复原和水力反演提供基本数据。     

澜沧江-湄公河输沙量变化及其影响因素

为了更准确评估澜沧江-湄公河输沙量的变化情况及上游水电开发对下游输沙量变化的影响,从最近几年文献中选择可信的下湄公河各站的年输沙量数据,并根据相关文献整理得出漫湾水电工程坝下第一个水文站点———嘎旧站1965—2003年的年径流和年输沙量系列数据,分析比较澜沧江-湄公河沿程各站的年输沙量变化趋势。结果表明:澜沧江上漫湾水电工程运行后,嘎旧站年输沙量大幅降低,降幅大于60%,但清盛站及其下游各站输沙量未出现与其一致的变化趋势。认为清盛站输沙量的降低量远低于嘎旧站的原因主要是两站间含沙量大的支流汇入、人工经济林取代原始森林等因素造成的流域水土流失和河流含沙量恢复。湄公河入海沙量约为1.45亿t/a,预计未来湄公河入海沙量可能会降低。     

椒江河口径、潮流变化对含沙量时空分布的影响

通过对3次水文泥沙测验资料的整理,分析了椒江河口含沙量在纵向、垂向的空间分布和随季节变化、潮汛变化、涨落潮变化等时间分布特征;依据径、潮流相对强弱的不同,将椒江河口分为3个区段来讨论。研究表明:①径、潮流通过对河床的冲刷和对泥沙的输运来实现对含沙量时空分布的影响。②径流控制的河段含沙量垂向变化梯度大于潮流控制的河段。不同区段含沙量峰值出现时刻具有显著差异,含沙量变化周期大致有两种,分别约为6和12 h。造成各区段差异的原因主要与水流输沙方向,水力活跃度和沙源供给有关。③径流量增大能显著提高灵江河床冲刷速率,且对含沙量起到“稀释”作用。④洪水将严重破坏含沙量分布的规律性,各区段含沙量明显降低且持续时间较长。     

黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)

利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料,结合高含沙水流流变特性分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同,均可用曼宁公式进行阻力计算;由于黄河泥沙组成较细,d50=0.03~0.10mm,随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低,泥沙在垂线上分布变得更加均匀,当含沙量大于200kg/m3以后发生改变;从泥沙存在对水流结构,流速在垂线上的分布特性上分析,含沙量200kg/m3左右时输送最困难,并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大,粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送,洪水期实测含沙量可达800~900kg/m3,表现出高含沙水流的高效输沙特性;黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3,在流量2 000~3 000m3/s时,高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。     

漏斗式全沙排沙技术在新疆精河的应用

根据新疆精河灌区河流多泥沙的特点,在精河引水渠首下游500 m处修建排沙漏斗工程,并充分发挥水库、渠首及排沙漏斗的联合调度,有效遏制了泥沙对引水渠道的磨损和淤积,排沙漏斗运行效果显著。但也存在一些问题,针对存在的问题提出相应的改进意见,以便在今后的设计和运行管理中引以为戒。     

黄河口汛期泥沙分布特征及其对水流结构的影响

本文以黄河口汛期六船同步测验取得的水文泥沙资料为基础，得到含沙量与流速的垂向分布经验式，据此了解黄河口汛期的泥沙分布特征：泥沙异重流的含沙量垂向分布很不均匀，随水深的增加含沙星迅速增加；流速随水深分布均匀，无论是上层清水还是下层泥沙异重流流速都较大。并利用室内粒度分析资料研究泥沙对水流结构的影响。     

干支流汇合口平面二维水沙数学模型研究

天然河流中存在着大量的干支流交汇的河段,一般交汇河段都具有复杂的水流条件和地形条件,对于交汇处复杂边界条件下所引起的水流运动及河床变形研究造成一定的困难。以长江和沱江汇合口为例,针对汇合口河段复杂的地形和河势,建立了贴体正交曲线坐标下的平面二维水沙数学模型,克服了边界复杂及计算域尺寸悬殊所引起的困难,采用欠松弛技术求解...     

长江源区河流地貌及水沙特性

长江源区河网密布,多数河流仍处于自然演变过程中,河谷地貌保存完整。基于实地踏勘资料,结合 SRTM3 DEM 对长江源区部分河流河谷地貌及水沙特性进行了分析。研究河流涵盖长江北源楚玛尔河、正源沱沱河、南源当曲、干流通天河及支流布曲、尕尔曲。根据河谷形态及河流地貌,可将这些河段归纳为3类:高原冲积型、丘陵坦谷型和高山峡谷型。其中:高原冲积型河道平面多呈游荡或多股分汊;丘陵坦谷型河道平面呈单一或分汊态势;高山峡谷型河道则为单一河道。研究时段内,长江源3个源头中,当曲流量最大,沱沱河流量大于楚玛尔河;输沙量则表现为沱沱河最大、楚玛尔河其次,当曲最小。泥沙分析发现:平面呈游荡状态的河流,其泥沙特征与其他河型有明显不同,具有悬移质含沙量大、粒径粗且均匀,床沙粒径较细的特点。相关分析显示河道宽度与水流含沙量呈正相关关系,初步说明了游荡河型产生的原因。