植被条件下坡面薄层水流动力学特性试验研究

基于系列坡面流试验,研究了植被条件对坡面流水动力特性的影响。结果表明:相同流量与坡度条件下,由于柔韧植被的阻水作用,光面条件下的流速远大于柔韧植被作用的流速,随着植被刚度及密度的增加,坡面流流速、弗劳德数呈现递减趋势。由于植被阻水及水流混掺效应,Darcy-Weisbath阻力系数基本随雷诺数增大而增大,而一般研究认为阻力系数随雷诺数的增大而减小,由此表明,坡面阻力系数与雷诺数并不存在单调的递增或递减关系,而与坡面糙度单元组成存在较强的依赖关系。  

泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题，开展山区流域沙量补给条件变化下，山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理；探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件，是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。  

山区松散排列泥沙床面河流阻力特性研究

河道阻力决定了河流流速与挟带泥沙的能力。然而与普通河流不同，山区河流的河道阻力比较复杂，床面泥沙排列密度对于河道阻力影响明显。试验资料表明，在低泥沙排列密度时，河道阻力随着排列密度的增大而增大，当达到最大值后，随着排列密度的增大呈现减小的趋势。利用程年生植被糙率尺度的概念，建立了适用于含有松散排列泥沙床面情形的糙率尺度。通过试验数据，确定了糙率尺度表达式中的待定参数，在f-r/k_v图上，建立的泥沙颗粒糙率尺度可以使所有的数据点归结到一条曲线上。最后，建立了适用于松散排列泥沙床面河道的达西阻力系数表达式。对于天然河流，本文建立的达西阻力表达式仍然具有较高的计算精度。  

水库泄流变化下河床粗化破坏特征试验研究

本文通过水槽试验研究了水库泄流变化对山区河流河床粗化过程的影响。研究开展了流量交替变化和流量逐级增大两种条件下的清水冲刷河床粗化试验。在不同来流条件下，测量了试验过程中的推移质输沙率和水槽断面水深以及每阶段试验结束后的河床地形。基于衰减函数，模拟清水冲刷河床初始粗化过程的推移质输沙率。分析粗化层形成后的推移质输沙率随流量和冲刷时间的变化趋势，结合各水流条件下的床面切应力，探讨河床的冲刷粗化特点和粗化层破坏临界条件。试验结果发现，河床首次粗化对应的推移质输沙率变化过程可采用衰减函数模拟，模型可较准确地模拟推移质输沙率随时间的变化过程。对于流量交替变化阶段，每阶段出现的第一次极值流量是河床表层粗化、失稳破坏的主要驱动因子，极值流量产生的推移质输沙率总是大于小流量或第二次极值流量产生的推移质输沙率。河床表层粗化或冲刷由各阶段极值流量与河床初始粗化流量共同决定，极值流量相对河床初始粗化流量越大，河床表层冲刷粗化程度越大。对于流量逐级增大过程，当前流量下床面切应力τ与河床粗化层形成时的床面切应力τ0决定河床粗化表层变化规律。当τ < τ0，河床表层无明显变化；当τ ≥ 1.1τ0，河床粗化层开始变得不稳定，推移质输沙率陡增。  

长江泥沙调控与干流河床演变及治理中的关键科学技术问题与预期成果展望

长江流域面积180万km2，人口和国民生产总值均超过全国的40%，是我国水资源配置的战略水源地、水电开发的主要基地、连接东中西部的“黄金水道”和珍稀水生生物的天然宝库，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。近些年来，在自然条件和人类活动的双重影响下，长江泥沙时空分布与产输过程发生了重大变化，给河流开发利用与保护均带来了显著影响，而沿江经济社会快速发展和生态文明建设不断对长江泥沙提出调控要求。同时，河流工程建设和泥沙资源化利用的发展也使长江泥沙调控具备了基本条件。但泥沙兼具灾害性与资源性，泥沙调控与河流功能发挥之间存在着矛盾与统一，需要深入研究。国家重点研发计划项目“长江泥沙调控及干流河道演变与治理技术研究”以揭示长江泥沙输移分布与河流开发及保护之间的耦合作用关系，研究提出满足沿江经济社会和生态环境需求的长江泥沙调控、河道演变与治理的基本理论和关键技术为总目标。重点研究长江泥沙来源与时空分布变异规律和趋势，河道演变对水沙输移变化的响应机制，控制性水利水电工程联合运用下长江干流和洞庭湖、鄱阳湖的水沙输移规律，河床重塑过程与驱动机制及其防洪、航运和岸滩利用等多重效应，长江泥沙多维耦合与协同调控的理论和方法，并研发多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道治理技术。通过本项目研究，预计将揭示多因素影响下长江来水来沙时空变异特征与趋势、水沙输移与河道演变的响应机制；定量预测控制性水库联合运用下长江和洞庭湖、鄱阳湖泥沙输移与冲淤过程，揭示长江河道的重塑过程、相对平衡状态与驱动机制，阐明河流系统再造的防洪、航运及岸滩利用等多重效应；构建长江泥沙调控的理论框架，建立泥沙调控指标体系、方法和模型；研发江河湖库多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道综合治理技术，并予以示范。本项目的研究将推动河流动力学学科发展，促进长江水沙资源利用与保护，为流域社会经济发展和河流生态保护提供基础保障，具有显著的社会经济与环境效益。  

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题，根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果，引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性，探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化，底坡变大，冲刷变严重，最终降低河床结构强度Sp；加沙会增大推移质输沙率，其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质，而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质；加入细沙后会细化河床，且加入的粒径越小，细化效果越明显，加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大，与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。  

中闸室弧形闸门关闭过程中泄洪洞水力特性研究

摘要：基于引入VOF模型的RNG κ-ε模型和动网格模型，模拟了岸边泄洪洞中闸室弧形闸门的关闭过程。并结合物理模型试验，重点研究了中闸室下游泄洪洞内流态、空腔长度、壁面压力等水力特性的变化规律。研究结果表明，中闸室弧形门关闭过程中，随闸门开度逐渐减小，底空腔回流和侧墙水翅等不利流态均会逐渐减弱并消失；空腔长度呈线性规律增加；当闸门开度大于1/2时，在泄洪洞底板和侧壁的冲击范围内，能观测到压力峰值，当闸门开度小于1/2后，压力峰值逐渐减小并消失。此外，数值模拟成果与模型试验成果基本符合良好，验证了数值计算模型的有效性。  

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式，在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性，从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例，基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果，突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性，结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大，长江上游水面比降随汇流比增大而减小，床面切应力随汇流比增大而减小。  

清水作用下全动床复式河槽泥沙输移特性及其模拟

推移质运动是河流动力学的基本问题之一,通过水槽试验探讨了清水作用下全动床复式河槽泥沙的输移特性,并通过理论分析提出了该类河道的推移质输沙率的计算方法.试验表明:在清水作用下全动床复式河槽推移质输沙率先随时间单调递增,而后随时间单调递减；推移质中值粒径先随时间大幅度增大,后随着时间的增加中值粒径增大的幅度减小,最终将趋于初始床沙中值粒径.根据推移质输沙率的变化特性,运用仙农熵的概念与理论,通过最大熵原理和变分法推导了河道粗化过程中的推移质输沙率公式,并对该公式参数的敏感性进行了分析.计算结果表明,该公式可以模拟全动床复式河槽河道粗化过程中的输沙率随时间的变化特性.  

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解.根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件.比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果.运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果.