多沙河流的波系结构Ⅰ：波系方程与特点

基于非线性简单波理论,建立了描述多沙河流不平衡输沙模型的波系结构（wave hierarchies）。算子形式的波系结构方程直观地将多沙河流中洪水演进、泥沙输运及河床演变的多尺度、强耦合作用通过不同波型、不同动因、不同传播特性的波相结合的形式表出。对波系结构特点研究表明,含沙量变化及河床变形尺度对波运动产生不同程度影响,其中运动波受含沙量变化非常显著。与定床情形时保持波速为常数所不同,洪水波传播速度随水体中含沙量增大而变快。对波系结构的尺度进一步研究表明,当长度尺度变化时,波系结构中三种不同波型的波所起的主导作用将发生变化,长度尺度越大时阶数较低的波型的主导地位越显著。因此对于天然长河段洪水演进而言,一般可认为二阶波和三阶波对洪水运动过程起主导作用。     

基于特征分析的多沙河流洪峰流量增值机理研究

黄河下游等多沙河流通过高含沙洪水时常出现洪峰流量增值这一异常现象.从描述多沙河流水沙运动的耦合数学模型出发,基于模型所构成的双曲系统的特征理论,分析了多沙河流洪峰流量沿程增值机理.从所获得的耦合模型的特征关系上看,当河床存在显著变形时会对浅水波的传播特性产生较大影响.河床冲刷时水流中扰动传播速度变慢,而河床淤积时水流中扰动传播变快.因此,多沙河流高含沙洪水过程中河床出现的"涨冲落淤"现象使得后期落水阶段河床变形对水流运动产生的扰动较前期涨峰时更快,是产生洪峰增值现象的原因之一.     

高含沙洪水演进过程及动力学机理分析

高含沙洪水的演进十分复杂,洪峰流量一般表现为沿程减少,也经常发生沿程增加的情况。本文以黄河下游高含沙洪水为对象,基于守恒形式的高、低含沙统一浑水运动控制方程、特征线理论和变量沿特征线传播的物理本质,分析了含沙量沿程分布、冲淤作用、重力及阻力等关键因素对洪水演进的动力学作用机理和影响特征。研究表明,洪水传播过程中泥沙的存在和含沙量变化增加了洪水传播的不稳定性,由此导致的浑水密度沿程差异、剧烈淤积、重力和阻力调整均是洪峰增值的重要原因。并利用黄河下游实测高含沙洪水过程验证了本文的结论。     

不同量级洪水对黄河下游游荡段冲淤变化的影响

小浪底水库运用后,改变了进入黄河下游的水沙条件,引起了下游河道的再造床过程。以小浪底水库调控后的不同水沙过程为基础,研究这些不同水沙组合洪水在下游河道的演进过程及其对冲淤变化的影响,可为黄河下游“二级悬河”治理提供科学依据。文章首先介绍了模拟黄河下游游荡段实际断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型,并利用黄河下游1982年5—10月实测洪水资料对该模型进行了验证,计算所得流量过程、含沙量过程及沿程最高水位等均与实测值较为吻合;最后采用该模型计算了水沙总量相同条件下,不同量级洪水过程在下游游荡段的演进过程,分析了不同量级洪水对河床冲淤变化的影响。结果表明：不同水沙过程对下游游荡段冲淤变化有明显影响,洪峰流量为10000 m3/s及相应含沙量为60 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最大,洪峰流量为4000 m3/s及相应含沙量为30 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最小。从淤滩刷槽的综合效果看,洪峰流量为6000 m3/s及相应含沙量为40 kg/m3的洪水过程对于下游游荡段河床调整较为有利。     

黄河上游高含沙水流交汇区河床形态及冲淤变化规律

黄河上游交汇区为典型的高含沙水流交汇区,支流高含沙洪水往往引起剧烈的河床形态调整及冲淤变化。利用室内模型实验、野外观测资料,研究了支流高含沙洪水入汇干流后,交汇区变化过程及冲淤计算方法。研究表明,交汇区河床形态包括壅水区淤积沙坝、分离区沙洲、输水输沙主槽及分离区以下河段的沙洲等基本元素。进入交汇口上游壅水区的泥沙全部落淤,淤积量随高含沙洪水沙量的增加呈线性线增加;提出的交汇口以下河段的泥沙淤积模式,揭示了泥沙淤积的主要影响因素为支流高含沙洪水沙量、汇流比、恢复饱和系数等,支流高含沙洪水沙量的作用更为明显,该模式可以定量描述交汇口以下河段的泥沙淤积。支流高含沙洪水形成的淤积沙洲的冲刷,取决于干流洪水流量及持续时间。黄河上游交汇区的淤积沙洲,较优的冲刷流量为2000 m3/s左右,冲刷历时为10天左右。     

孔兑入黄数值模拟及分析

本文利用平面二维水沙数学模型对十大孔兑之一的西柳沟入黄进行模拟并分析。结果表明:在流场方面,高含沙洪水入汇后,壅水区水位升高,流速先降低后升高,不同点的流速升高不同步;河床在支流入汇口处存在突降,形成高流速区,经高流速区后流速迅速降低,泥沙淤落;相较于低含沙水流入汇,高含沙水流入汇的回流区外形更狭长,水流结构更复杂;低含沙水流入汇来沙全部输向下游,高含沙水流入汇则会有部分泥沙向上游输送;在入汇口上下游,上沙坝的形成过程是从两岸向中间发展最终合拢并堵塞主河槽,下沙坝则同时淤升,左岸抬升较为均匀,右岸抬升先快后慢,沙坝最终沿右岸延伸;在实际当中,交汇区的流场及河床变形与洪水过程密切相关。     

泾河东庄水库排沙试验研究

泾河东庄水库是拟建在典型的高含沙河流上的水利枢纽。本文运用河工动床模型相似理论和异重流运动相似条件的最新研究成果进行了模型设计和制作 ,并进行了典型组次的排沙试验 ,研究不同水沙条件、河床边界条件及库区蓄水条件下的排沙情况 ,得出了排沙比及排沙量与进出库流量、沙量、含沙量和初始库水位的关系     

高含沙水流泥沙组成调整模式探讨

以低含沙水流泥沙组成与调整模式及钱宁等提出的高含沙水流两种极端模式为基础，讨论了高含沙两相紊流情况下泥沙组成与调整的机理,提出了泥沙平均粒烃随含沙量的变化模式等新概念，并用黄河干支流的资料进行了验证。     

高流速含沙浑水体流变特性试验研究

加速行进中的洪水具有高含沙、高流速和粗粒径的特点,而针对洪水的流变特性研究关注点多为高含沙量,忽略了高流速即高剪切速率的特点。以黄河下游泥沙为研究对象,系统地研究了高流速剪切条件下含沙量、剪切模式、温度和盐度对流变特性的影响。结果表明,在高流速剪切条件下（剪切速率≥ 1200 s-1,对应线性流速为3.6 m/s）,含沙量在106.64 ~ 957.83 kg/m3范围内的浑水体符合牛顿流体的应力本构关系,不存在屈服应力,表观黏度与含沙量呈指数关系。温度降低并未改变浑水体的流变特性,但会使其表观黏度增加,且温度越低黏度增幅越大,浑水体黏度增大梯度约为等温度清水的数倍至十几倍。盐度变化对该测试浑水体的表观黏度和流变特性影响甚微,可忽略不计。本研究结果可为高流速水流挟沙和远距离输沙研究提供理论参考。     

摇板式造波机生成的长峰规则波

利用特征函数展开法对摇板式造波机作周期运动生成的长峰规则波流场作了二阶分析,得到了速度势和波形二阶解的解析表达式.通过对二阶波传播模式的分析,确定造波机响应特性曲线(一阶波幅摇幅比)和规则波最大波高曲线,给出能在水池中生成二阶意义上纯正的Stokes波的造波机运动形式.上述有关造波特性的理论分析是研制造波软件,确保在水池中生成高品质Stokes波的基础,具有重要的应用价值.     

基于变化范围法的黄河头道拐站水沙变化分析

采用变化范围法（RVA法）对龙羊峡、刘家峡水库运行前后黄河头道拐水文站日均径流量和含沙量数据进行分析,量化评价水沙变化程度。在定量分析的成果上,结合Copula函数,进一步探讨了水库运行前后月水沙丰枯遭遇和同步频率的变化规律。研究结果表明,龙刘水库运行后,头道拐水文站径流量和含沙量减少,二者整体均发生中度改变,径流量整体改变度高于含沙量整体改变度;汛期内和极大值情况下水沙受影响程度较高;月水沙同步频率增加,非畅流期同步率变化显著,畅流期内同步频率大于异步频率。水库管理者可根据分析得出的水沙变化规律,针对性采取诸如桃汛期抬高库水位、汛期增加洪水脉冲等调度策略,在不增加淤积的前提下提高水库的综合效益。     

高含沙水流对中小水库的影响及水库减淤措施

针对我国西北地区高含沙水流的形成原因以及库内水沙运动的特点,对高含沙地区中小水库淤积现状及水库淤积形态进行了分析,提出了减少中小水库淤积的基本措施,即加强流域水土保持治理是防止淤积的根本办法、设排沙底洞是减淤的辅助措施、汛期采用异重流排沙是减淤的关键。     

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。     

黄河下游输沙平衡关系及应用

在两相非均质流输沙平衡一般关系式中引入黄河下游泥沙特性,得到了以流量及河槽形态表达的黄河下游输沙平衡关系,可用于分析水沙变化对河段纵横形态调整的趋向和特性。通过1977年典型高含沙洪水在夹河滩站的水位与流量关系,验证了输沙平衡关系式用于河槽横断面调整的可靠性,并表明这种调整是不能持久的。建立的黄河下游输沙平衡关系,与河道治理中"平衡比降"及"河相关系"等参数有密切联系,因河道纵坡降调整与其横断面形态有关,所以"平衡比降"表达式中必须有横断面因素。黄河下游输沙平衡关系为下游各种渠道设计提供了快捷的计算方法,对引黄灌溉渠道输沙入田、引黄放淤渠道输沙淤滩及减少下游河道泥沙淤积具有重要意义。     

三峡库区水沙运动及环境灾害变化特点初步分析

三峡水库自2003年蓄水以来,积累了大量实际观测资料,为研究库区水沙运动特性及环境问题提供了有利条件.本文基于水库实际运用情况,对水库蓄水后的洪水波传播、悬移质泥沙运动、库区富营养化以及库岸滑坡灾害等的主要变化进行了初步分析,表明三峡水库蓄水运用后,这些方面发生了较大的改变,并呈现出新的特点,对三峡工程的长期运行有一定影响,其中反映的重要问题值得深入研究,并在今后的工程运用中应给予足够的重视.同时分析结果也为今后这些问题的研究提出了一些探讨性的方向和途径.     

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明：床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d₅₀由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m³转变为淤积0.059亿m³,冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。     

黄河干支流洪水冲刷初步研究

本文在高含沙洪水冲刷规律探讨的基础上,进一步对黄河干支流洪水冲刷河床的力学机理进行了分析,建立了非恒定水流冲刷深度与来水来沙与河道边界条件的关系,并用黄河干支流资料进行了讨论与验证,该公式为无量纳形式,考虑因素简单,计算方便,适用于所讨论区域的低含沙与高含沙洪水主槽的冲刷问题,可以估算供水时主槽的最大冲刷深度。     

基于SCHISM模型的三维两相浑水模型研究

传统水沙模型多采用雷诺平均方程结合含沙量对流扩散方程，并用纯水紊流模型进行封闭。这类模型无法考虑固、液相间作用，在含沙量较大、颗粒粒径较粗时会产生误差。文章采用两相浑水紊流模型对两相浑水基本方程进行封闭。两相浑水理论将固、液两相流看作一个整体，但考虑了固、液相间作用和颗粒碰撞等微观物理机理，而且偏微分方程的数量和形式与传统水沙模型中的基本方程相同，方便将两相浑水理论嵌入至已有的水沙模型中，并应用于河流、湖泊和河口等大尺度水沙流动模拟。首先对两相浑水理论进行梳理，将其转化为三维水动力学模型SCHISM控制方程的形式并嵌入至SCHISM模型中，最终将其应用在经典的二维明渠恒定、均匀流实验、深槽实验和2012年黄河花园口至艾山段洪水过程的三维数值模拟。     

磁致伸缩直线位移传感器扭转波检测的换能模型

磁致伸缩直线位移传感器是一种通过检测弹性波激励和接收之间的时间差,获取被测点和接收点之间距离的传感器.本论文探讨了磁致伸缩直线位移传感器中扭转波的产生机理,研究了扭转波在传播过程中对磁致伸缩线中磁畴的影响,建立了扭转波的换能数学模型.得知扭转波在传播过程中,由于质点的振动改变了线中磁畴的偏转状态,从而使振动区间的轴向磁畴的磁通量发生了变化,这一变化通过检测线圈以电磁感应的方式检出扭转波电压.     

基于神经网络参数辨识的洪水波特性研究

本文提出利用神经网络辨识扩散波参数的方法，探索从一种新的角度研究洪水波特性。应用实例表明该方法的模拟精度满足要求，模拟效果良好。说明建立的洪水波神经网络模型能较好地描述洪水波的运动规律。