基于河流阻力能耗的河型判别方法

河流在行进过程中,其阻力能耗受到多种因素影响,包括水流条件、泥沙条件及河流形态特征等。河流宏观形态可以反映河流的阻力特性,河道通过调整其型态以适应不同的水沙边界条件。本文基于河流阻力能耗与河流形态的辩证关系,引入河流形态参数,从而建立了一种简单的河型判别方法。通过对实际多条砂质和砾石质河流的参数化统计分析,同时考虑河岸植被因素对河相关系参数影响的修正,拟合得到代表河流形态参数的表达式,进而得到判别不同河型的标准曲线。通过论证分析及经典的实际河流资料验证,结果表明该经验方法计算简单,对于河流类型的判别应用效果较好。     

基于河流阻力规律的河型统计与分类

将沿程水头损失公式向天然河流推广,利用坡降、流量、流速、泥沙粒径、河流形态等一系列河相关系参数,通过资料分析、数据拟合等技术手段,得到了河流阻力规律的表达形式。将河型参数作为分类指标,反演河流阻力规律表达形式,建立了一种物理概念明确、表达简单的河型分类方法。用两条阈值曲线将整个河流系统分成单流路型、稳定多流路型、不稳定多流路型这三大类型。通过研究发现,河型分类系统中单流路型河道对河岸强度相当敏感,而多流路型河道并不直接受河岸强度影响,尤其是大宽深比的情况。在外部扰动影响下,河流类型可以发生短暂的变化,如弯曲型河道出现游荡特征,但其最终能够回到原始平衡状态类型。     

黄河源泥炭型弯道悬臂式崩岸模型研究

悬臂式崩岸是黄河源泥炭型弯曲河流崩岸的主要形式，其崩岸过程与临界条件决定弯道横向迁移速率。采用野外测量、理论建模和数值模拟相结合的方法，研究若尔盖盆地黑河支流麦曲上游一个“Ω”型弯道的5个实测断面的崩岸过程与临界条件。根据泥炭型弯曲河流的二元结构河岸特点，建立其河岸稳定性模型，推导上、下层土体发生悬臂式张拉破坏及剪切破坏的静力平衡方程。基于实测岸坡形态、河岸土体组成和水流条件，运用BSTEM模型模拟5个实测断面粉沙层的崩岸过程，得到洪水期河岸整体处于临界崩塌状态下的稳定性系数，预测了5个实测断面发生3次连续崩岸后的岸坡形态，与野外观测结果较吻合。     

考虑河岸植被影响及变形的河流形态数值模拟研究

本文基于已有正交贴体坐标系下的二维水沙模型,考虑河岸植被影响因素,引入植被压力源项,修正水流动量守恒方程;并结合实际提出简单易行的非黏性土崩岸技术,提高计算效率。利用改进模型模拟概化河流演变过程,结果表明改进后模型能较好模拟边岸植被影响下河流演变过程,从而为进一步研究河型转化过程及其控制因素变化规律提供数值模拟手段。     

河型自然分类的河流模糊等价矩阵聚类方法

任意一种河型的河流集合都足河流模糊集合,河型之间的关系为模糊关系,由此建立了冲积河流河型自然分类的河流模糊等价矩阵聚类方法.该方法应用了河型成因的输沙平衡程度理论假说和输沙平衡程度公式.利用黄河下游20年资料的计算结果表明,采用该方法可以有效地对冲积河流河型进行自然分类和预测.根据河型自然分类结果,对不同河型的输沙平衡程度数集合进行分析,可以揭示河型之间的本质联系与区别.     

冲积河流河型的成因及分类与判别计算方法研究

本文建立的冲积河流河型成因的输沙平衡程度概念认为,不同冲积河流河型形成的根本原因在于其输沙平衡程度的不同。根据强平衡输沙概念,建立了冲积河流稳定程度公式。利用黄河、渭河和汉江部分资料进行的初步计算表明,根据河型成因的输沙平衡程度概念,基于冲积河流稳定程度公式,采用模糊聚类方法,可以建立一套完整的河型分类与判别的模糊聚类计算方法。     

平面二维水流数模中的阻力计算

本文通过整理大量河流的实测资料 ,分析了河流平面二维水流计算中的阻力组成 ,推导出适合于平面二维水流数模中阻力沿河宽分布的经验公式 ,并应用于美国Colorado州FallRiver部分河段的平面二维流场计算 ,计算结果与实测结果吻合良好 ,克服了流速二维性不明显的缺点。     

论明槽挟沙水流的阻力

从挟沙水流的能量平衡原理出发 ,指出泥沙的运动从两个方面影响水流的阻力 :一是由于卡门常数的减小而引起的阻力减少 ,二是由于推移质泥沙的存在而引起的阻力增大。两者对阻力的作用正好相反 ,因而挟沙水流阻力比清水可能减小、增大及不变 ,取决于两者的对比程度。并从理论上给出了动平整床面挟沙水流阻力的计算公式 ,该公式的计算结果与实测资料吻合较好     

圣海伦斯火山爆发对图特河北汊河床演变的影响

受1980年美国华盛顿州圣海伦斯火山爆发的影响,图特河北汊的流域特性、水沙条件和河床边界条件均发生了巨大变化,河流的调整和响应十分迅速,为研究河流受突发剧烈扰动后的河床再调整过程提供了一个很好的范例.本文选取图特河北汉上中游14个测量断面为研究对象,收集了近30年来的水文泥沙和断面资料,对河道的垂向、横向及纵向的形态调整过程进行了全面分析.结果表明,图特河北汉在火山爆发后前3年内的调整最为迅速,后期调整逐渐减缓,并向平衡状态发展,显示了河流受到扰动后调整速率逐渐衰减的重要特征,这一特点是冲积河流自动调整的反映.图特河北汉河床的调整在空间上呈现上冲下淤的特点,河流正是通过河床上冲下淤的调整方式,使得河道比降整体不断变缓,水流能量降低,上游河道冲刷减弱,进而使河流逐渐向平衡状态发展.此外,河岸崩塌展宽也是图特河北汉调整的重要方面,上游源区段和峡谷段的河岸侵蚀主要由河床持续冲刷下切导致,而宽谷段河岸的崩塌主要是由于河道的横向摆动引起.     

上荆江河段河岸土体组成分析及岸坡稳定性计算

崩岸是上荆江河段河床演变的一个重要方面。崩岸过程不仅与近岸水流动力作用有关,而且还与河岸土体组成及力学特性密切相关。本文对上荆江4个典型断面的崩岸土体进行了现场取样与室内土工试验,较全面地分析了崩岸土体组成及力学特性。试验结果表明:上荆江河岸为上部黏性土和下部非黏性土组成的二元结构,且在大部分河岸上部黏性土层厚度超过其下部非黏性土层厚度;黏性土层的抗剪强度随含水率变化明显,随含水率增加,黏聚力先增大后减小最后趋于稳定,而内摩擦角呈减小趋势。根据上荆江崩岸发生形式及过程,结合崩岸土体的土工试验结果,综合考虑水流冲刷作用和水位变化等因素,计算了两个典型河岸在枯水期、高水期和退水期的岸坡稳定性,得到了不同水位及不同坡脚横向冲刷距离下河岸稳定的安全系数。计算结果表明:当河岸坡脚冲刷达到一定距离时,高水期安全系数将明显低于枯水期,说明崩岸在汛期比在枯水期更容易发生;退水期安全系数明显低于相同条件下枯水期和高水期;涨水期河岸安全系数随水位升高呈先减小后增大趋势,说明水位变化对河岸稳定性有重要影响。     

漫滩洪水中不同房屋分布的阻力特性研究

漫滩洪水是威胁滩区居民生命财产安全的一种主要自然灾害,村庄等微地貌直接影响洪水演进过程,故采用概化物理模型和数值模拟的方法研究滩区房屋分布的阻力特性。以黄河下游兰考东明滩区地形为参考,修建概化滩区的物理模型,研究主槽4种不同进口流量下,房屋呈4种不同排列方式及4种迎流角度条件下,房屋试验区水流的变化情况。试验结果显示随主槽进口的流量增大,房屋试验区四周的水深呈非线性增加;房屋试验区房屋呈不同排列方式时,模型试验区形成的局部阻力不同。然后采用数学模型计算典型工况的洪水演进过程,水位的计算值与实测值符合较好,模型具有较好的计算精度。最后采用加大糙率法计算溃堤水流演进过程,发现以曼宁系数取0.05、0.08、0.12和0.16分别代表房屋以3×3、4×4、5×5及交错排列情况下的综合阻力时,计算得到水深、水跃位置与模型试验结果基本一致。研究结果将为房屋合理布局,减少漫滩洪水淹没损失提供参考依据,亦可用于检验水动力学模型的计算精度。     

特征流量级对窜沟形成和发展影响的数值研究

分汊河道心滩常常出现窜沟,使滩体活动性变强,影响河势稳定。窜沟的形成与发展主要是对不断变化的径流流量的综合响应,为了探究窜沟对于不同流量级径流响应的敏感程度,基于平面二维水沙耦合数值模型,研究不同流量级条件下初始为完整高大心滩的冲淤过程,数值再现了窜沟的形成和发展。研究表明,窜沟的形成与发展和特征流量紧密相关：①流量较小、水流不能漫滩时,水流走心滩左右两汊的主槽,窜沟无法生成;②中等流量、水流能漫滩,但滩面水深较小时,左右两槽水流交换在低洼的滩面发生,冲刷生成窜沟;③在大流量下,心滩基本没于水下,左右两槽水流交换减弱,没有窜沟生成。研究结果还显示,在不同的特征流量下,窜沟发生的位置会有摆动,且窜沟生成和发育的特征流量的量级在一定程度上取决于滩体的平面形态。在分汊河道心滩滩体稳定性研究方面,方法及结论具有参考价值。     

黄河下游河道河床阻力计算研究评述

河床阻力是河流动力学基本问题之一。黄河下游含沙量高,泥沙颗粒较细,河床调整变化快,水沙条件的特殊性和河道形态频繁剧烈的变化给准确计算河床阻力带来很大困难。过去针对黄河下游特性的河床阻力计算已有较多研究成果,但黄河下游水沙及河道特性本身难以把握,床面形态测量难度大,导致目前河床阻力计算研究成果仍较为分散,未能从理论和计算方法上取得较好的共识。本文分析了影响黄河下游河道河床阻力大小的因素,对河床阻力计算研究方法进行总结,并指出进一步研究的方向。     

不同流量条件下弯曲河流颈口裁弯实验研究

颈口裁弯是弯曲河流演变过程的突变现象,其过程和机制尚未形成统一认识。本文采用室内水槽实验概化模型法,研究恒定流量和变化流量条件下裁弯前颈口缩窄过程、新河道形成及裁弯条件。结果表明,无论流量变化与否,颈口上、下游河岸的侵蚀是触发裁弯的主要因素。弯曲河流的模型河道的弯曲系数为6 ~ 7,颈口段宽度与河段河宽比值约0.43,河槽物质为非黏性沙,在单宽流量为0.0039 ~ 0.0069 m2/s,纵比降为1‰的条件下,经历足够长时间的河岸侵蚀后可发生颈口裁弯现象。裁弯即将发生时,连续河湾弯曲系数有所增加,河道的平面形态向下游发生旋转。颈口裁弯后,新河道形成经历以纵向冲刷为主、以横向展宽为主和缓慢发展三个阶段。     

黄河下游河道洪水冲淤与水沙搭配关系

本文总结了以往对黄河下游河道冲淤临界条件的研究情况;利用1960～1999年422场洪水资料分析了影响洪水冲淤的各种水沙因素,建立了黄河下游4个河段洪水排沙比与综合水沙系数的关系,该水沙系数包括流量、含沙量、洪峰流量变幅、洪水沿程衰减系数、洪水历时等5个因素;利用4个河段的冲淤临界条件勾画出了4个河段洪水冲淤调整与来水来沙搭配(或组合)之间的关系;该关系可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

基于模糊综合评价方法的内河河网流量分配模型

内河河网水环境改善可通过水体置换实现,对于来流一定的内河河网可通过优化河网的流量分配来实现各河段水体置换。河网流量分配与河网几何特征属性存在着密切的河相关系,当河网流量发生变化,河流自动调整达到平衡后,其纵横剖面形态与流量之间就形成特定的主从变量关系,本文选取河长l、河底比降i、分汊角度а等关键几何特征属性作为流量变化的从变量,引入模糊数学理论及粗糙集理论,运用模糊综合评价法确定不同几何特征属性对河网流量分配的影响权重,用于预测内河河网各河段的流量分配。将该模型应用于福州市内河引水工程水动力环境研究,验证了所建模型的合理性,研究结果对河网配水方案规划或常规运行调度方案比选具有重要的参考价值。     

河道斜交桥墩壅水特性数值模拟研究

跨河桥梁因桥墩阻水引起上游河道壅水,影响泄洪;目前桥涵水文学对于桥梁-河道正交情况的壅水计算已形成大量实用成果,河道斜交的桥梁水流结构更为复杂,已有理论和经验公式对斜向因素影响规律总结不足。建立模拟桥墩壅水的二维水流数学模型,实验验证后,数值模拟研究了斜向布置桥墩绕流水动力结构和壅水特性,分析总结了桥墩阻水比10% ~ 40%时,最大壅水高度、桥墩绕流流场结构随桥墩尺寸、斜交角度、来流流速的变化规律;模拟结果表明,在顺流向阻水比一定时,最大壅水高度随桥墩斜向角度呈先增大后减小趋势,斜交还将引起河流水流流向偏转,造成两岸流速分布的显著不对称分布。研究成果为河道斜交桥梁壅水预测和护岸工程设计提供了科学依据。