移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟北大核心CSCD

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。     

三峡水库蓄水对长江中下游航道影响分析

三峡水库蓄水改变了长江中下游水沙条件,进而影响洲滩演变,两者均会对航道产生影响。基于实测资料分析表明:三峡建库后,水沙过程变化有利于航道条件好转,具体表现为,最小流量增加、最枯水位抬高,浅滩冲刷时间延长,沙量减少加快浅滩冲刷,增加了航槽水深;三峡建库后,崩岸、切滩更为频繁,低滩呈较为明显的萎缩趋势,但并非所有的洲滩变形均会导致水道碍航,只有当归槽河宽超过某一临界河宽时,洲滩变形才有可能导致浅滩碍航,长江中下游临界归槽河宽为900~1900m,随设计水位及航道尺度不同而有所变化。     

基于流量过程的若尔盖黑河下游崩岸规律研究

岸坡侵蚀及岸滩崩塌对河道泥沙输移与弯道横向迁移具有重要影响。通过2017—2018年野外测量、流量频率分析和崩岸数值模拟,采用岸坡形态的原型观测数据,研究恒定和非恒定流量条件下,若尔盖高原黑河下游一个“?”型弯道的崩岸过程及其坡脚冲刷和岸坡崩塌的变化规律。恒定流量下,坡脚冲刷速率及河岸崩塌宽度随流量增大而增大。非恒定流量下,改变流量过程线的形状、峰值流量和离散度,当平均流量相同时,岸坡冲刷速率及河岸崩塌宽度基本一致,二者随平均流量的变化趋势与恒定流量下一致。这说明岸坡侵蚀的作用效果受流量大小的量级及其频率的共同作用,坡脚冲刷与岸坡崩塌主要受平均流量控制,流量过程线的形状及峰值影响较小。     

岸滩崩塌影响的典型分汊型河道演变数值模拟

以荆江监利河段为例,采用三维水沙模型与二元结构岸滩崩塌力学模式相结合,构建了考虑边岸、洲滩崩塌的分汊型河道演变三维数值模型。依据2003年11月～2006年7月监利河段的实测资料对模型进行了验证,模拟结果与实测结果吻合较好,能够模拟岸滩崩塌及深槽摆动的特点。以此为基础,对三峡水库蓄水运用初期,该河段在不同岸滩抗冲性条件下的演变进行了概化模拟分析,结果表明：上游水库蓄水运用后,该河段河床将会进一步产生冲刷;岸滩可冲条件下,河道冲刷的同时还伴随着岸滩坍塌、河道摆动的发生;岸滩不可冲时,将以河床下切为主,横断面形态逐渐向窄深方向发展;在一段时期内,右汊将仍维持为主汊。     

水沙条件变化对河型河势影响的三维数值模拟研究

以概化水槽为例,采用考虑岸滩崩塌变形的三维水沙模型,对不同水沙及岸滩抗冲性条件下的河型河势变化特征进行了数值模拟研究。模拟结果表明:不同流量过程对河床的塑造作用存在显著差异,大水的造床作用往往大于长时期小流量的造床效果,不同的流量过程甚至可能产生不同的河型;黏性细沙的加入有助于稳固边滩(临界剪切应力增加),从而促进曲流的形成;边岸抗冲性弱、大量加入床沙时,主流易散乱,有助于游荡型河道的形成与发展。考虑岸滩崩塌变形的三维水沙模型为河型河势变化的深入研究提供了一有效技术手段。     

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。     

渭河下游河段平滩流量的变化

平滩流量是河道主槽过流能力的一个重要指标,在河床演变学上具有重要意义。部分学者认为河段平滩流量更能反映整个河段的过流能力,然而,对于河段平滩流量研究范围及其影响因素的研究尚不多。本文以渭河下游咸阳-潼关河段为对象,研究河段平滩流量以及收敛长度的变化。断面平滩水位根据基于几何标准的WOL方法确定,河段平滩流量则采用收敛法估算。根据渭河下游河道长序列水沙过程的模拟分析发现,河段平滩流量与入口水沙条件呈现良好的相关关系,能很好地反应河道平滩特征的变化。同时,用于获得河段平滩流量的收敛长度与河道的冲淤变化密切相关,对实际估算河段平滩流量具有一定意义。     

三峡水库蓄水后荆江典型分汊河段演变机理及发展趋势研究

分汊河段水动力轴线受水沙及河床边界等的影响易于摆动,主流摆动为主支汊易位提供动力条件,也使得分汊河段心滩及边滩的演变趋于复杂。三峡水库蓄水后,水沙条件变异使得下游分汊河段主流摆动现象及其影响更加显著。本文以荆江典型分汊河段——沙市河段为例,分析了分汊河段的演变特点及机理,明确了水动力条件、来沙及洲滩相互作用对浅滩演变的重要影响。在此基础上,结合三峡水库蓄水后水沙条件变化特点,研究河段演变趋势。     

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。     

系统仿真技术在河道非恒定流研究中的应用

应用混合编程及可视化技术,将一维非恒定流运动的数学模型与系统仿真技术相结合,开发系统仿真计算平台,并将其应用到观音岩水电站下游河道非恒定流的仿真计算研究中,得到了在不同日发电流量条件下各取水口处的水位、流量变化过程。仿真计算结果表明,观音岩水电站下游河道现状地形条件下,水流下泄基流为439m3/s时,河道下游各取水口都能取到水,但每小时的水位最大变幅值均较大,部分取水口的取水将受到影响。工程实例应用表明,建成的仿真平台基本功能齐全,操作简易,运行快捷,适用于河道非恒定流数值计算研究。     

基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中,交汇区水流结构十分复杂,对干、支流交汇流场的研究具有重要意义。研究采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术,观测不同汇流比条件下非对称型交汇明槽的三维水流结构,分析交汇区流场的演变规律。试验结果表明,交汇口上游的水面比降随汇流比的增大而减小,交汇口处及下游合流掺混区水面比降随汇流比的增大而增大。交汇口上游各断面垂线时均流速随汇流比的增大而增大,各断面时均流速随汇流比的增加而受到顶托效应的影响越大,交汇口各断面垂线的时均流速随汇流比的减小而减小,分离区随汇流比的减小而增加。PIV技术能良好的观测交汇区水流结构,可应用于明槽交汇区的流场试验研究。     

黄河下游平滩河槽形态与水沙搭配之关系

概括总结了对黄河下游断面几何特征与水沙关系(断面河相关系)的研究现状,基于"记忆"效应提出了几何特征与前期水沙的公式,利用1969～1996年水沙资料以及1973～1996年花园口～利津河段统测断面资料进行了统计分析,建立了花园口～高村、高村～艾山、艾山～利津河段平滩几何特征与前期水沙参数的(沿程河相)关系,认为各河段断面平滩几何特征与前期(前4年)水沙搭配条件有关,前期冲淤对断面形态的影响可以通过水沙搭配来反映,边界条件对断面形态的影响可以通过水沙参数的指数来反映.     

河道溃堤水波的物理模型实验研究

河道堤坝溃决是我国易发灾害之一。溃堤将引发河道外洪水灾害和河道内水位流量的波动。现有溃堤研究多集中于应用数学模型模拟,现场观测和物理实验等直接观察获得的成果非常有限。本文通过在大型室内水槽中进行的物理模型实验,模拟了溃堤后洪水在溃口外洪泛区内的演进和落水波在河道内的传播过程。通过压力传感器阵列和声学多普勒流速仪对溃堤引发的水位、流速等变量进行了测量,并对溃堤波演变过程进行了研究。实验结果表明:(1)河道内的流速对于溃口下游洪水波的传播速度影响不大,但对溃口外水位的分布有一定的影响;(2)溃堤引发的河道内落水波在溃口上下游的影响不对称,落水波向上游传播较慢但幅度较大,而向下游传播较快但幅度较小;(3)溃堤发生后溃口流量随时间发生变化,水流稳定后溃口流量主要和上下游流量差有关,即溃口水流处于稳定分流状态。实验成果可为溃堤洪水动力学分析提供可靠的数据,为数学模型提供较为完整的验证资料,进而对河道溃堤洪水的预防和灾害控制提供科学的支撑作用。     

特约文章：三峡水库下游河床冲刷与水位变化

为探析三峡水库下游河床冲淤与水沙输移之间的关系以及河床冲淤对洪枯水位的影响,采用三峡水库运用前后长江中下游水文泥沙和河道地形资料,分析归纳了主要水文站水沙变化、沿程河道冲淤分布和洪枯水位变化特征。研究表明：冲刷集中于枯水河槽既与洪水频次减少、中等流量持续时间加长有关,也与中等流量下河道冲刷率大、洪水流量下河道冲刷率小的特点有关;主冲刷带自上而下推移,目前仍位于荆江河段;粗沙（d > 0.125 mm）的年均输移量至监利基本可恢复至蓄水前的多年均值,城陵矶以下长河段冲刷主要是细颗粒冲刷导致;河道冲刷导致中枯水位明显下降,并在城陵矶以上沙质河段呈现加速下降趋势,但当流量大于平滩流量附近的临界值时,高水位变化不大,初步预估这种变化特点将在较长时期内保持。     

美国迈卡伦湿地河流主槽-洪泛区水力连通特征

基于先进的Ad H水动力学计算模型,以美国内华达州塔基河迈卡伦研究域为例,从主槽-洪泛区系统的流场特性、不同河道形态下的跨界流量分布以及粒子在系统内运动传输规律三个方面,详尽地分析洪水过程下主槽与洪泛区之间的水力交互连通关系。研究结果表明,在洪峰流量期间,有接近60%的洪峰流量从洪泛区经过,约为主槽流量的1.52倍;主槽-洪泛区之间的跨界流量交换方向和量级受到河流形态和洪峰流量的共同影响;粒子示踪统计结果表明绝大数(85%)粒子能够至少一次穿过河流边界,揭示出主槽和洪泛区之间存在较强的水体交换,此外,粒子运动轨迹和停留时间分布特点反映主槽-洪泛区系统水力交互关系具有较强的时空分异特性。     

基于河流阻力参数与活动指标的河型判别法

冲积河流在行进过程中受阻力作用,河道断面形态及平面形状参数将作调整,以适应不同的水沙条件,并趋向河流的相对平衡状态,由此导致不同河型的产生。决定河型两个主要因素：一个是水流推动力,一个是河流活动性。河流水流所受到的阻力与河流水流推力,是一个问题的两个方面,是作用力与反作用力。基于河流阻力规律,考虑植被对河岸强度的影响,通过引入河床与河岸活动指标构成的河流活动指标,分析得到了表征河型变化的判别标准曲线,经模型小河资料和天然河流资料检验发现,提出的河型判定参数能够很好地区分河型类别。     

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。