基于时间序列法与马尔可夫链的多沙水库动态运用研究

为了更好解决多沙河流水库蓄水和排沙间的矛盾,在传统水库运用模式的基础上,结合时间序列法和马尔可夫链原理建立多沙水库的动态运用模型。该模型首先运用时间序列法对历史水文资料进行展延,生成长系列入库水沙数据,然后根据马尔可夫链原理分析生成的水沙系列,确定不同频率洪水在不同条件下发生的概率,最后结合水库当前已发生的洪水预测即将发生的洪水的概率,对初始的水库调度参数进行调整,得到最终的水库运用参数,从而弥补水库运用参数与实时入库水沙条件不匹配的不足。将该方法应用于实际水库的控制运用,结果表明,该水库在供水量变化不大的情况下,较原有的运用方案具有更大的剩余库容。     

中小流量下黄河下游游荡段河床调整规律

小浪底水库运用后,进入黄河下游河道的水沙情势发生显著变化,大流量洪水频率大幅减小,中小流量洪水作用凸显。为揭示黄河下游游荡段中小流量下的演变特征,本文开展了500、1000、1500和2000 m3/s流量级下黑岗口—夹河滩段的动床物理模型试验。结果表明,垂向上,研究河段河床冲刷与淤积沿程相间分布,具有典型的游荡性河段的冲淤交替特征;横向上,中小流量下游荡段仍存在横向摆动的可能,且随着流量增大,主流弯曲系数由1.18减小至1.13,河道逐渐由蜿蜒向顺直发展;纵向上,各流量下深泓线调整趋势与冲淤量变化规律基本一致。此外,本文着重分析了河道工程与桥下河段河床的时空调整过程并运用随机模型进行了模拟。通过分析发现：时间上,河道工程附近河床垂向调整速率早期较快,之后随时间快速非线性减缓;空间上,桥下河段累积冲刷深度沿程非线性减小,空间衰减特性显著。应用表明,随机模型对典型局部河段的时空调整预测效果较好,相关系数R2可达0.74以上。本文探讨了中小流量下黄河下游典型游荡段长河段与局部的冲淤演变特征,可为未来黄河下游典型游荡性河段的河道整治与保护提供科学依据。     

黄河河口水沙运动的二维数学模型

本文针对黄河河口河道水沙潮波的特点，从水流连续方程、运动方程，泥沙运动方程出发，补充了潮流挟沙能力的计算公式，建立了黄河河道河口二维数学模型。以1982年实测资料，从潮位过程、流速大小和方向及海底冲淤变形等方面对数学模型进行了验证计算。在此基础上开展了典型水沙条件下黄河河口泥沙运动规律的模拟研究。其结果揭示了黄河河口清水沟所处海域的潮流潮汐特性和泥沙输移规律。这些成果与实测资料以及卫星遥感分析结果一致，进一步表明了模型的可靠性。     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。     

冲积河流底泥中污染物的输移转化方程

本文推导了底泥中污染物输移转化方程。该方程定量地反映了水流强度、床沙级配与底泥污染物迁移转化的关系,描述了河床冲淤过程中底泥污染物时空变化的动力学特性。文中以石油类污染物为例,利用数值方法模拟了底泥污染及冲刷释放现象,并与实验资料进行了比较,计算与实验符合良好,说明本文结果可作为冲积河流底泥污染物输移转化规律研究的基础。     

水流冲泻质挟沙机理探讨

本文探讨了水流对冲泻质的挟沙机理。文中分析了床面附近区域内水流对泥沙颗粒的各种升力作用，发现湍流猝发喷射和清扫带动细颗粒脉动时．对颗粒可产生一个平均向上的升力效应．此升力可能大于细颗粒水下重量从而在近壁区形成滑垂线上浓下稀、具有正的梯度的浓度分布，这是床面上基本没有冲泻质泥沙时水流却能挟带一定数量某粒径细颗粒泥沙的报本原因．是与水流对床沙质挟沙机理的主要区别。     

明渠湍流床面附近跃移层面颗粒浓度垂线分布

本文以动理学理论的Boltzmann方程为基础，考虑明渠湍流床面附近猝发喷射和清扫运动对跃移层内运动颗粒的不同作用，分析了明渠中泥沙颗粒浓度垂线分布问题，得到了适用于包括跃移层、悬移层在内的统一浓度垂线分布公式。文中着重研究了跃移层内运动颗粒的浓度垂线分布，并将本文结果与实测跃移层内浓度垂线分布及实测跃移层顶部浓度进行了对比，结果表明理论与实验两者符合较好。     

卵石床面的结构特征

通过对卵石床面进行高精度的扫描,分析了在室内水槽实验和野外河床的卵石排列的结构特征。本研究采用了两种分析方法,分别是倾斜指数以及方位角和倾斜角分析方法。倾斜指数是个非常敏感和有效的方法,这个方法能有效判断床面卵石的排列特征。但是这个方法的限制在于需要高精度的数据源。倾斜指数与有效粒径之间存在正相关关系,这个关系能够用来推断历史粗化床面剪切力。方位角和倾斜角分析方法是基于单个网格的统计特征来描述床面结构。然而,这个方法的缺点就在于是基于网格的方位特征而不是基于卵石颗粒。本文运用了一个改进的方位角和倾斜角分析方法,该方法基于自动颗粒提取,并在此基础上分析了卵石颗粒的统计特征。改进的方位角和倾斜角分析方法在新采集的长江上游卵石河床表现出更加明显的优势。     

山洪演进模拟中的建筑物附加阻力

在大尺度洪水模拟过程中,建筑物形态分布对洪水演进起着很重要的作用.但是计算网格一般都大于建筑物,很难反映出建筑物对洪水的影响.在以往的研究中,一般采用“等效糙率”来反应建筑物对水流演进的影响.这一处理方法过于简单随意,缺乏理论依据.本文引进了最邻近指数来反映建筑物的分布,研究建筑物的不同分布对水流产生的不同影响,最后得到最邻近指数、弗如德数和水面坡度三者之间的关系,为以后在数学模型中对建筑物分布的处理提供了理论依据和处理方法.     

金沙江干流山区水库通航流态三维数值模拟研究

采用三维水动力学模型,借助非结构网格重构地形,开展了金沙江干流山区水库通航流态的数值模拟研究。以攀枝花河段为例,选取不同的来流条件进行了模拟,重点关注了水深、流速、平面流场和典型弯道的环流结构等水动力学特性,进一步对河段可能的碍航点进行了分析。计算结果表明:在一定的出流边界条件下,河道水深整体呈沿程递增趋势,基本可满足三级航道标准;同时某些流量级下,局部卡口、突扩和弯道河段可能出现碍航流态。研究结果可为金沙江梯级水库群联合调度提供技术参考。