基于非线性理论的推移质输沙率公式

基于非线性理论的尖点突变模型,分析了水流条件和泥沙颗粒在床面相对位置对泥沙输移过程的非线性动力学特征的影响,得到尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了定性描述泥沙输移的尖点突变模型,并通过坐标变换和拓扑变换,构建了非线性推移质输沙率公式。经与推移质输沙率实测资料、基于同理论推移质输沙率公式和经典推移质输沙率公式对比,分析了低强度输沙时不同公式计算结果存在差异和高强度输沙时计算精度发生突变的原因,讨论了泥沙起动切应力对输沙率公式的影响,验证了本文公式具有良好的适用性,证明了本文非线性推移质输沙率公式是合理的。     

基于图像识别的推移质输沙率检测技术研究

鉴于传统推移质输沙率测量方法难以进行实时动态检测,本文将图像识别理论与推移质输移特点结合,提出了基于图像识别的推移质输沙率检测技术,给出了相应的推移质颗粒组成确定方法与推移质输沙率计算方法。水槽试验表明,基于图像识别的推移质输沙率的确定方法具有较好的可靠度。实时动态检测表明小粒径泥沙输移具有较好的连续性,而大粒径泥沙输移则具有明显的阵发性特点。这种非接触式的检测方法可以实现对非均匀推移质输移过程的动态监测,实时获取推移质颗粒组成以及分粒径组和分条带输沙率,在推求确定输沙率时还可以降低拟合曲线的病态特征程度,丰富了推移质测量的内容,有利于对非均匀推移质输移规律的深入研究。     

基于阻力特性的粗糙度计算方法

床面粗糙度Ks是沙粒阻力计算的重要因素，对流速分布、推移质运动及输沙率等问题的研究具有重要的意义。基于阻力特性，综合考虑水沙条件，建立了以泥沙中值粒径、非均匀系数、水力半径和床面坡度为变量的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证，并与其他学者的计算方法进行均方差分析对比发现，基于非均匀沙的Ks计算方法的计算精度明显高于基于均匀沙的Ks计算方法；本文公式既适用于均匀沙粗糙度计算，也适用于非均匀沙粗糙度计算，且计算精度明显高于其他学者的计算精度；床面沙波及泥沙输移对公式计算精度的影响均较小，沙波的影响程度小于泥沙输移的影响程度。     

弯道推移质横向输沙规律与床面平衡机理

弯道推移质运动直接影响弯道输沙特性、床面形态和河湾演变。弯道推移质输移有4个典型规律,即同岸输移远大于异岸输移、推移质成带性、形成横向底坡和床沙横向分选。归纳了5家推移质横向输沙强度公式,并选择Parker公式分析了推移质横向输沙强度与横向底坡的关系。结果表明,随着横向底坡变大,从凹岸向凸岸的输沙强度将变小,当横向底坡变大到某个临界值时,输沙强度为零;当横向底坡继续变大,推移质输移的方向发生改变,推移质将从凸岸指向凹岸的输移,输沙强度随底坡的变大而变大。弯道床面的凹岸陡坡和凸岸缓坡横向平衡机理各不相同,凹岸陡坡受泥沙水下休止角、横向环流、床沙粒径、床沙分选的制约,而凸岸缓坡主要受上游来沙、横向环流、床沙粒径、床沙分选的影响。弯道床面横向平衡机理关键在于推移质颗粒静力平衡或力矩平衡,横向床沙分选机制使得底坡必须经历反复的动态调整过程,床沙分选总是朝着减小横向底坡方向进行。     

都江堰卵石推移质输沙规律研究

以都江堰二王庙水文站9年实测的卵石推移质输沙率资料和对应的水力参数为基础，选用6个有代表性的公式进行了分析计算和对比。结果表明，可以采用沙莫夫公式计算起动流速，计算输沙率应考虑床面不动颗粒所占比例的影响。当采用各自定义的代表粒径时，只有爱因斯坦公式能适用。当统一采用D35时，各公式都具有较好的精度和适用性。     

明渠非恒定流推移质输沙试验研究

为研究明渠非恒定流输沙特性,本文建立了一套非恒定流流速、水深、流量及推移质输沙率测量系统。进行了9组恒定流输沙及3组非恒定流输沙试验,结果表明:恒定流条件下Einstein公式比Meyer-Peter公式具有更好的精度;非恒定流的推移质输沙强度与水流强度变化存在不同步的现象,长时间平均输沙率大于恒定流结果。     

山区大比降河流寸滩河段卵石推移质输沙率研究（Ⅰ）—无量纲输沙强度

中国西部存在大量比降大、相对光滑度小、河床组成粒径粗的山区大比降河流,本文针对其河流特性,选择寸滩河段作为代表计算河段,搜集了1954~2007年5233组实测资料作为基础资料,分析比较了6个经典推移质无量纲输沙公式的计算精度。参照计算精度最高的Fredsoe(1976)式的思路,假设输沙强度Φ与有效水流强度Θ*成幂次关系,以水流强度与泥沙起动临界水流强度为主要变量,建立了寸滩河段的推移质无量纲输沙公式。通过对比,本文公式能很好地反映寸滩河段推移质输沙规律,计算精度较经典公式有一定提高,可为该河段的水沙研究提供借鉴与参考。     

植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。     

特约文章：植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。     

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件，考虑悬移质和推移质运动，采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型，对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式，对现有三峡库区数学模型进行了改进，并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明，模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。     

都江堰河床质级配和推移质输沙率研究

以都江堰河段实测的河床质级配和卵石推移质资料为基础,经过分析计算得出：河床质代表粒径沿程的衰减符合倒数函数规律,卵石之间的碰撞破碎和磨损是该河段卵石沿程细化的重要因素。爱因斯坦推移质公式的计算结果与实测值基本一致,梅叶彼得公式计算的结果则明显偏小。在河流的涨水过程中,水流坡降变陡,挟沙能力增加,推移质输沙率加大。     

弯道推移质同异岸输移的时空演变模拟

野外及室内实验观测均表明,弯道内的推移质泥沙运动同时存在着沿河道同岸和异岸的输移,然而对于同异岸输移的比例以往文献中还存在着很大的分歧。本文采用平面二维水沙数学模型CCHE2D模拟固定河岸大曲率弯道(中心线为110°正弦派生曲线)内的水沙运动,定量地描述了床面变化过程中泥沙同异岸输移的时空演变规律。计算结果表明,大曲率弯道在平床到冲淤平衡的发展过程中存在两个高强度冲刷区,即凸岸边滩上游区和凹岸区。凸岸边滩上游冲起的泥沙绝大部分都沿河道同岸输移到同一边滩下游;凹岸冲起的泥沙则先以同岸输移为主,待河床变形稳定后,受主流贴近凹岸的影响,异岸输移逐渐占优,绝大部分推移质颗粒都集中在"凹岸—过渡段浅滩—凹岸"这条输沙带内运动。     

非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成，泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用，颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程，其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先，基于固液两相流理论，建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程，充分考虑不同粒径颗粒相互作用力，并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次，为封闭两相浑水方程，引入弥散速度的概念，建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程，揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后，基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程，分析非均匀沙浓度垂线分布规律，将其应用于明渠恒定均匀流中，计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式，在浓度相对较高、粒径差异大的条件下，非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好，进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。