珠江三角洲河网悬沙数学模型分析

物理模型对于复杂多变的河网河道的水力因素变化不易描述,数学模型已成为研究其河道水力、泥沙问题的重要手段。在线性化的Pressmann四点隐式差分法基础上,应用汊点分组思想求解河网流场,采用节点悬沙控制方法对珠江三角洲河网悬沙进行了数值模拟,利用实测资料对模型进行率定与验证,并分析了珠江三角洲流域河网悬沙输移特征。结果表明,数值模拟结果真实、可靠,与实测资料基本吻合,从而再次证明珠江三角洲河网是以径流输沙为主的平原河网。建立悬沙节点控制方法进行河网悬沙的数值模拟,实现了泥沙方程组的分级解法,提高了计算效率与精度。     

引黄灌区非均匀沙运动数学模型研究

泥沙问题是制约引黄灌区可持续发展的重要因素，灌渠的规划设计阶段和日常的运行管理中都需要掌握渠道的泥沙冲淤情况。本文根据一维水流非均匀沙运动方程，结合灌区灌溉特点和测量资料情况作了概化处理，建立了适合于灌区的非均匀沙冲淤计算的数学模型。模型中考虑渠系沿程的分水分沙和冲淤交换，将断面流量按渠段划分并计算，悬移质泥沙按粒径分组计算，根据分组水流挟沙力和非均匀悬移质不平衡输沙公式计算泥沙含沙量。模型采用山东簸箕李灌区的实测资料进行验证，表明模型可用于预测不同来水来沙条件下非均匀沙在渠道内的运动淤积分布情况。     

杭州运西河网沿程含沙浓度和淤积规律研究

为了研究泥沙在杭州运西河网内的沿程输移淤积规律,基于非均匀沙不平衡输移理论,结合黏性非均匀沙起动概率公式和非均匀沙水流挟沙能力公式,得到改进后的河网悬移质沿程含沙浓度计算公式。计算了杭州市从钱塘江引水至运西河网“四港四河”内的悬移质沿程含沙浓度及河网沿程淤积率。结果表明：河网引入钱塘江水后,河网内悬移质含沙浓度呈明显的沿程减小趋势。在引入流量相同时,河网淤积率随引入水体含沙浓度的增大而增大;当引入水体的含沙浓度相同时,河网淤积率随引入流量的增大而降低。研究结果可以为该区域河道清淤提供参考。     

非均匀沙分级推移质公式

根据近底泥沙交换的随机-力学模式及输沙率概率分布，从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率的新公式。采用作者提出的分级起动概率和颗粒跳跃速度表达式处理有关参数，而公式所及常数则由均匀沙输移试验资料确定。由此获得的非均匀沙分级推移质公式物理概念清楚、数学处理严密、能自动适应均匀沙情形。用非均匀沙分级输移试验资料的验证结果表明，理论能合理地描述非均匀沙推移质运动的客观规律。     

非均匀沙的推移质输沙率

本文对非均匀程度较大的推移质输移规律进行了研究.认为在分析输沙率与水流推移力之间的关系时,只有作用在运动沙粒上的有效推力才是有意义的,而作用在不动边界上的推力,不能推移泥沙运动;而且,沙粒所受水流推力的大小取决于沙粒投影面积的大小,而与本身的重量无关,从而求得了有效推移力的关系式.在此基础上,考虑了床面泥沙起动的随机性以及非均匀泥沙的起动规律,推得了非均匀泥沙的推移质输沙率公式.该式与其他学者的研究成果吻合尚好,并能够用于计算均匀沙的推移质输沙率.     

非均匀沙的运动机理及输沙率计算方法的研究

本文较为系统地研究了非均匀沙运动机理及输沙率的计算方法，在建立泥沙运动交换模式的基础上，指出现有非均匀泥沙动动流速公式存在的不足并对此作了修正，然后分别讨论了推移质分组输沙率、悬移南分组兵沙力和全沙输沙率的计算方法，得到的有关公式均用实测资料作了验证计算，结果表明它们是合理、可靠的，可在理论研究和生产实践中参考应用。     

三峡水库不平衡泥沙输移规律

通过观测资料分析与数学模型模拟,研究了三峡水库在大水深强不平衡条件下非均匀沙输沙规律。研究说明,三峡工程蓄水运用后,洪水以重力波的形式传播作用明显,寸滩站至黄陵庙站的悬沙输移时间比洪水传播时间滞后较多,考虑洪水的非恒定过程使计算水库泥沙淤积有所增加。三峡水库细颗粒泥沙不仅淤积比大,且不同粒径对计算结果影响不大,如不考虑絮凝作用,难以用不平衡输沙理论解释。考虑絮凝作用后,模拟三峡水库出库含沙量过程与观测良好,从侧面说明三峡水库可能存在絮凝现象,此问题值得进一步深入研究。     

荆江-洞庭湖河网泥沙数学模型研究

荆江-洞庭湖河网泥沙模型是准确描述江湖水沙输移规律的核心技术与基础.本文在河网水流三级解法基础上,借用河网水流分级解法的思想,结合汉点处沙量守恒方程与分沙模式,研究建立了荆江-洞庭湖河网非恒定泥沙模型;采用实测资料对模型进行了率定与验证,结果表明,模型能很好的反映荆江洞庭湖水沙输移规律,可用于三峡建库后坝下游水沙输移趋势预测研究.     

长江流域产沙分布及输沙沿程变化特性

应用长江流域水土流失遥感调查资料和干支流主要泥沙控制站的实测泥沙资料,分析了长江流域的产沙区分布、产沙的影响因素,含沙量和输沙量的时空变化,沿程泥沙粒径变化,输移比等输沙特性和规律及入海泥沙量,重点分析了长江中下游河道和洞庭湖、鄱阳湖冲淤变化特点,揭示了长江流域干流、主要支流与湖泊泥沙输移淤积特性.     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型，是根据以一维圣维南方程组，悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先，利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性，写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到得有节点的水位，再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水注的节点水位控制法，本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小，所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组，得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。     

河流泥沙水文学模型边界条件参数化方法探讨

针对河流泥沙水文学模型,在对基础方程(考虑上站来水含沙量的幂律函数公式)基本内涵(不平衡输沙理念、相对空间概念及自动调整作用)综合分析的基础上,从河道边界条件(河段长度、宽度、比降等)参数化角度出发,提出根据河道边界条件确定模型参数的方法。边界条件参数化方法途径主要包括:统计分析方法与理论比较途径。其中,统计分析方法宜先对同一河段选用同一进口断面,分别选取下游不同距离出口断面,通过实测资料统计回归,研究参数随距离的变化规律;理论比较途径主要基于对水文学、水动力学模型方程的理论比较分析,探求参数的计算方法。从断面质点系统跟踪角度来看,河流泥沙水文学与水动力学模型关于空间变化的基础方程,经过空—时变量变换均可表示为关于时间变化的滞后响应模型方程形式,两者区别在于对描述系统水沙组合的特征变量选择不同。河流泥沙水文学模型边界条件参数化最终结果转化为了水沙质点系统的调整时间与泥沙沉降时间,这从另一角度提供了对河流泥沙水文学模型方程物理意义的理解。     

黄河利用洪水排沙不必刻意拦粗排细

简要总结我国在黄河泥沙输移方面的研究成果,根据笔者多年的研究,得出如下结论:可以利用高含沙洪水输沙入海,适宜输送的不是低含沙量的水流,而是含沙量大于200 kg/m3的高含沙水流。黄河下游洪水期窄深河道多来多排的输沙特性是造成河道多来多排的机理,在低含沙水流时水流的流速达到1.8~2 m/s,床面进入高输沙动平整状态。不仅全沙如此,造床质泥沙(d>0.025 mm的粗泥沙)也存在着同样的输沙规律。小浪底水库的泥沙多年调节,充分利用下游河道的洪水输沙潜力输沙入海,是解决黄河下游泥沙问题和节省输沙用水的有效技术途径。平水年、枯水年小浪底水库不排沙,全部水量用于兴利和环境用水,利用洪水排沙不必刻意拦粗排细。     

可视化河网一维恒定水流泥沙数学模型

作者对复杂河网水流泥沙运动数学模型计算方法进行了研究，考虑各种进出口边界条件建立了通用模型，并编成了可视化软件。此数学模型操作简单，通用性强，具有很好的应用前景，可应用于防洪、水污染、河道冲淤计算等问题研究。     

塔里木河干流河道综合治理措施的研究（I）——干流河道演变规律

在全面分析塔里木河干流河道来水来沙特性及遥感地形资料的基础上，对干流河道的河床演变、输水输沙特性与河道冲淤等进行了系统的研究，提出了干流河道河型及划分标准、河道稳定性指标、断面水力几何形态及近期河势摆动范围等，建立了干流河道的挟沙能力公式，揭示了塔里木河干流河床演变的基本规律；通过深入分析干流河道的断面形态与输水输沙特征，考虑干流河道基础资料短缺和水量损失（洪水漫溢、引水跑水、渗漏蒸发）严重的特点，建立了适用于干流河道不同形态（枯水、平滩、漫滩）河槽的输水输沙计算模式，开发了干流河道-维泥沙数学模型，论述了干流河道的冲淤特点。     

塔里木河干流河道综合治理措施的研究(Ⅰ)——干流河道演变规律

在全面分析塔里木河干流河道来水来沙特性及遥感地形资料的基础上,对干流河道的河床演变、输水输沙特性与河道冲淤等进行了系统的研究,提出了干流河道河型及划分标准、河道稳定性指标、断面水力几何形态及近期河势摆动范围等,建立了干流河道的挟沙能力公式,揭示了塔里木河干流河床演变的基本规律;通过深入分析干流河道的断面形态与输水输沙特征,考虑干流河道基础资料短缺和水量损失(洪水漫溢、引水跑水、渗漏蒸发)严重的特点,建立了适用于干流河道不同形态(枯水、平滩、漫滩)河槽的输水输沙计算模式,开发了干流河道一维泥沙数学模型,论述了干流河道的冲淤特点。     

珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量的模拟

本文利用一、三维水动力与泥沙耦合模型,计算珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量,构建其收支模式,并分析水沙迁移路径与泥沙沉积特征。研究表明,西江为最主要的水沙输入源,磨刀门为最主要的水沙输出口门,蕉门次之。夏季泥沙以淤积为主,上游汇入的泥沙,有39.4％沉积于河网区,其余60.6％经八大口门输入珠江口后,有59.5％发生沉积,另外1.1％输入外海。河网区的水沙输送由径流控制,而河口区则由径流、潮汐、季风等因素控制。河网区各区域的沉积特点因动力条件的差异而呈现不同的规律,大量泥沙在西江干流、虎门水道淤积。珠江口中以内伶仃洋与磨刀门海域的沉积量最大,泥沙在西滩周边和磨刀门海域快速沉积,其中磨刀门海域淤积最为强烈。     

一二维耦合河网水沙模型研究

借鉴河网水流的三级解法,将二维河段概化为河网内部河段,通过河网节点流量和输沙量的平衡,建立一二维耦合河网水沙模型。模型采用全隐式方法建立二维河段以首末断面的水位和含沙量为中间变量的矩阵追赶关系,进而建立整个一二维河网的节点水位及含沙量的矩阵方程组。对方程组的求解,可实现一二维水沙模型的耦合求解。通过对长江下游大通至镇江概化河网的验证计算,表明模型具有很好的实用价值。     

利用海洋动力减缓黄河口淤积延伸速率的研究

利用黄河口平面二维波流输沙数学模型、实测资料等,计算、分析了渤海流速、波流挟沙能力、黄河三角洲滨海区冲淤和粒径的变化。结果表明:①黄河三角洲浅水区的波流挟沙能力大于深水区的;②波流海洋动力能把浅水区较细的泥沙输送到渤海深海,而不能把此区较粗的泥沙输送到深海,深水区泥沙无论粗细,很难再被海洋动力带向渤海深海;③黄河单一流路入海方式易造成更多细泥沙淤积在深水区,不利于减缓黄河口淤泥延伸速率;④减缓黄河口淤积延伸速率的新思路是利用多流路把黄河泥沙相对均匀地输送到滨海区的浅水区,以充分利用海洋动力把较细的泥沙输送到渤海深海,同时结合三角洲社会、经济、生态等需求合理处理粗沙。     

交汇河道水沙运动与河床响应研究进展

汇流是平原河网常见的河道形态,河网交汇处伴随着水流、含沙量、地形、水温、生态和环境等的突变,是控制水、沙、污染物输移的重要节点,因此了解汇流处水、沙等物质输移和特殊床面形态对日益恶化的河网水环境的综合治理有非常重要的理论和实际意义。笔者主要从交汇河道的特殊水流结构、泥沙运动规律以及河床对水沙运动的响应分别进行概述和总结,提出了目前交汇河道研究中存在的一些问题,并对交汇河道水沙运动与河床响应研究的研究方向提出了展望。