黄陵庙水文断面垂线流速分布特性研究

  为进一步利用天然河流实测资料检验垂线流速分布的指数与对数规律,采用多普勒剖面流速仪在黄陵庙水文断面中实测的不同垂线与不同流量情况下的瞬时流速资料,计算了时均流速的垂线分布,并与指数和对数流速分布公式计算的结果进行了比较分析。结果表明,黄陵庙水文断面不同垂线水流的时均流速分布符合对数与指数分布规律。然而,在不同水流与边界条件下,其指数公式中的指数大小与对数公式中的有关参数有所不同。通过对黄陵庙水文断面垂线流速分布特性的研究,丰富了对天然河流垂线流速分布规律的认识。     

天然河流纵向离散系数确定方法的研究进展

对天然河流纵向离散系数的确定方法进行综述,详细分析了理论公式、示踪试验、经验公式这3种方法的研究现状和发展趋势。讨论了基于断面流速分布的理论公式的适用范围以及国内外学者对该公式使用的拓展;阐述了利用现场示踪试验数据计算纵向离散系数的矩量法、演算法、直线图解法和多种优化方法,并分析了它们各自的优缺点;列举了一些具有代表性的经验公式。探讨了弯道和死水区对天然河流纵向离散系数的影响;阐述了针对传统一维纵向离散方程的缺点提出的一些其他模型,并提出了天然河流纵向离散系数研究中一些有待深入研究的问题。     

走航式ADCP在河流测流中的应用

近年来采用走航式ADCP进行河流流量的测量方法已得到了广泛地应用,与传统的流速仪法相比效率更高。以某专用水文站流量观测为例,介绍了走航式ADCP在河流流量测量中的应用,以及与流速仪法测得的结果对比情况。实际施测结果表明,ADCP在流况简单、含沙量较小、河床稳定的河流流量测量中是可行的。但在含沙量大、河底推移质运动明显的河流使用是否可行,以及如何减小误差还有待探讨。     

基于船载式浮动平台的ADCP垂线流速分布测验研究

江河湖泊等自然紊动水体流速数据对水环境和生态研究具有重要意义,针对当前ADCP使用的现状,开展了基于船载式浮动平台的ADCP垂线流速分布测验研究。基于不同水流条件下的现场测验数据,分析了浮动平台上获取数据的可靠性,并对比了脉冲相干和非相干2种测量方式获取的垂线流速分布数据。结果表明,在船载式浮动平台上应用ADCP测验垂线流速分布是可行的。在浅水区,脉冲相干测量方式的精度和垂线的分辨率都较非相干测量方式有显著提高,应尽可能采用脉冲相干测量方式。测验研究结果可供这类浮动平台上ADCP流速测验提供借鉴。     

大型深水库流速比测方法研究及比测结果相关性分析

ADCP测流具有快捷、方便等优点,ADCP测流方法、及其与常规流速仪对比测试是一个值得研究的课题,也是全面推进ADCP在测流中应用的基础。国内开展了一些ADCP与常规流速仪在天然河道中的对比测试研究工作,获得了ADCP与常规流速仪测试成果之间的相关关系。由于ADCP与常规流速仪在水库中对比测试的实例较少、缺乏可借鉴经验,因此本文依据ADCP与常规流速仪、动船与定船ADCP在不同调节性能水库中的对比测试结果,初步得出:在水库流速较小的条件下,ADCP与常规流速仪、动船与定船ADCP对比测试相关性较好,随着流速的增大,两者相关性显著提高。     

ADCP数据综合处理方法及软件系统研制

由于仪器本身的限制和水文测验的实际需要,ADCP自带的数据处理软件WinRiver需要同时解译若干个R文件,并对解译数据进行垂线时间和空间插值,才能获得整点时刻特定起点距的垂线数据。为了弥补上述不足,通过对ADCP原始文件R文件进行解译,并根据ADCP数据处理的理论,研制了ADCP数据处理软件系统。该系统在长江口水文测验的实际应用效果表明,软件在数据的预处理和后处理方面均取得了良好的效果,可以进一步推广。     

ADCP在感潮水文站的使用

感潮水文站河流自然流态在潮水涨、落的影响下,顺逆变化,给流量测验带来很大影响。传统流速仪测量方法,测次多,误差大,为此采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）进行流速和流量的测量。比较了传统流速仪与ADCP测流的优缺点,介绍了ADCP的测量原理、安装、使用,详细分析了ADCP流速、流量比测和率定,并进行评定,以探索定点式ADCP测法在感潮水文站进行潮流量测验的可行性。黄屋屯水文站使用结果说明ADCP比较适用于感潮水文站的流量测验。     

基于ADCP实时指标流速的感潮段断面流量计算

长江下游感潮河段水位-流量关系曲线无法确定。针对传统测流方式存在的监测频次偏少、无法实现流量过程推求等问题,建立了ADCP在线测流系统。根据一段时期内在线测流系统中ADCP实时指标流速监测值与断面平均流速实测值,建立了两者间的多元线性回归模型,并进行求解,获得了模型的回归系数。以南京水文实验站2010年11月至2011年12月之间的监测资料为例,通过以上方法计算实时指标流速的回归系数,并结合水位和河底高程求得过水断面流量。与实测流量对比表明,该模型具有较好的拟合效果,计算精度较高,可广泛地应用于流量的实时报汛及整编。     

基于流速幂级数解的明渠纵向离散系数计算方法

针对纵向离散系数计算多直接采用经验公式或在流速分布的求解中引入经验公式,不能完全反映离散物理机制的问题,基于矩形断面一维水流控制方程,利用幂级数求解流速分布的理论解,提出了矩形断面明渠纵向离散系数的计算方法,并进一步将其推广至天然河流。利用该方法计算了104条天然河流的纵向离散系数,结果表明计算值与实测值处于同一量级,计算结果在可接受范围内。     

ADCP流量测验随机误差分析Ⅰ：随机不确定度预测模型

本文对ADCP流速测验随机误差引起的流量测验随机误差进行了分析，考虑了表层及底层盲区流速插补引起的误差以及由于走航测验对单砰标准差的放大，给出了ADCP流量测验随机不确定度预测模型。该模型表明，影响ADCP流量测验随机不确定度的参数可以分为三类：即ADCP系统性能参数、河流水力参数、测验作业参数。本文详细地分析了ADCP系统性能参数对流量测验随机误差的影响。本文提出的随机不确定度预测模型可以用于指导ADCP流量测验作业以保证测验精度满足要求。     

垂直管固体物料水力输送浓度的研究

在前人实验研究的基础上,通过实验与理论分析,研究了垂直管水力提升中的固体颗粒浓度特征。在分析颗粒受力及颗粒运动规律的基础上,利用扩散方程推导了垂直管水力提升颗粒浓度分布的计算公式,并通过实验进行了初步验证。另外,通过实验分析了颗粒群体滑移速度与提升速度的关系,纠正了颗粒群的滑移速度为颗粒群的沉速,输送浓度一定小于当地浓度的认识,认为输送浓度、当地浓度与提升速度有关。     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

河道中受侧壁影响的断面流速分布规律研究

断面水流流速分布是研究河道水流泥沙运动规律的基础。天然河流断面形态不同,其流速分布特性也有差别:对于比较宽浅的河道,侧壁对断面流速分布的影响较小,流速沿垂线分布梯度较大,垂线上最大流速一般位于水面,垂线平均流速沿河宽方向(横向)分布较均匀;对于较窄深的河道,侧壁对流速分布的影响较大,流速沿垂线分布较均匀,垂线上最大流速一般位于水面以下,垂线平均流速沿河宽分布梯度较大,因此,对于较窄深的河道必须考虑侧壁对流速分布的影响。本文在分析天然河道流速分布特性的基础上,从紊流的雷诺方程出发,推导获得了水流受侧壁影响的横断面流速分布公式和垂线平均流速沿河宽分布的公式。公式计算结果与水槽试验和天然河流实测流速分布资料的比较分析表明,公式能较好地反映流速沿垂线和沿横向的分布特性,具有较好的理论和实用价值。     

CES模型计算复式河槽过流能力及方法对比

复式河槽的洪水漫滩后,滩槽水流相互作用,在滩槽交界处形成动量交换,若直接采用曼宁公式进行水力计算将产生很大误差。应用CES(Conveyance Estimation System)模型首先计算了不同复式河槽的垂线平均流速,并结合英国科学工程研究理事会洪水水槽设备(SERC-FCF)的试验资料进行了验证,进而分析了不同形态复式河槽的水流特性;然后通过对比分析CES模型与经验方法(湿周修正法、断面分割法)和理论方法(谢汉祥法、刘沛清法、河槽协同度法)计算流量时的精度,论证了该模型在复式河槽水力计算中的优越性。结果表明,由CES模型计算的断面垂线平均流速分布符合复式河槽的水流特性且与实测资料吻合良好,较之其他模型方法,该模型能适用于任意形态复式河槽的流量计算且精度较高。     

声学多普勒流速仪盲区数据处理及其在长江河口区的应用

本文基于边界层理论，在估算声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）水表和底部的观测盲区流速作了初步探索。根据长江口南港定点观测获取的ADCP潮周期流速剖面数据的分析结果，在涨急和落急阶段整个水层均为边界层，流速剖面呈对数分布。因此，利用卡门-普朗特公式外插，计算ADCP盲区的流速，与在盲区放置的直读式流速仪测得的数据相比，平均相对误差分别为2.3%～2.9%。某些数据点的偏离可能是由于悬沙浓度分布的变化而引起的。     

长江下游河道河床阻力分布特征及影响因素分析

河床阻力是河流动力学的基本问题之一,与河流的泄流能力及挟沙能力息息相关。利用2014—2016年长江下游九江至河口段河床的多波束、ADCP及底质沉积物的同步采集数据,通过计算沙粒阻力和沙波阻力,分析不同河段河床阻力的分布特征,探讨河床阻力与宽深比、粒度及流速3个因素之间的相关关系,并对比三峡蓄水前后主要河段河床阻力及其与影响因素之间相关性的变化特征。研究结果表明:三峡蓄水前后,总体上,长江九江至吴淞口河段最大河床沙粒阻力和平均沙粒阻力分别减小57％和63％。长江下游河道河床阻力在蓄水前后均以沙粒阻力为主,沙波阻力在河床阻力中占比不足1％且随着三峡工程的运用有减小的趋势。三峡蓄水前,长江下游河道河床阻力与3个影响因素相关性从大到小依次为粒度、流速和宽深比,相应的平均决定系数依次为0.48,0.30,0.25;而三峡蓄水后,长江下游河道河床阻力与3个影响因素相关性从大到小依次为流速、宽深比和粒度,相应的平均决定系数依次为0.71,0.41,0.30,但各河段河床阻力在不同时期主要影响因素又有所区别。研究结果可为长江下游航道整治、航运安全和防洪提供参考依据。     

卵砾石河道摩阻流速计算方法探讨

通过水槽试验,采用6种方法:对数流速分布回归法、外延雷诺应力分布法、三维紊动能法、垂向紊动能法、韩其为经验公式法和拖曳力系数法,计算了卵砾石河床的摩阻流速。以韩其为计算摩阻流速的经验公式为标准,分析了各种方法中参数取值对计算结果的影响及其在不同水力和床面条件下各种方法的适用性。提出了2种可行的计算途径:光滑床面条件下各方法计算摩阻流速所得结果最大均方差为2.15,其中对数流速分布回归法较准确,三维紊动能法计算值普遍偏小;相对粗糙床面条件下各方法计算摩阻流速的结果均方差最大达到8.84,其中对数流速分布回归法和三维紊动能法较准确。     

天然河道浑水流速分布研究

通过对有关学者得出的几个典型的垂线流速分布公式的分析认为:现有的用于天然河道的流速分布公式都存在不同程度的缺陷,且这些公式仅能用来计算不受侧壁影响的二维情况下的垂线流速分布,当用于峡谷河段时计算值与实测值差别较大。实测资料表明,对数或指数型流速分布公式可用于描述宽谷河段的垂线流速分布。由水流阻力公式导得了天然河道垂线平均流速沿横向的分布,引进重线流速分布,即得到断面点流速的分布公式。公式既可以用于清水水流,也可以用于挟有泥沙的浑水水流,含沙量对流速分布的影响主要反映在指数m发生变化这一点上。与实测资料比较发现,公式较好地反映了天然河道流速分布的实际情况。     

倾斜岸河库水面污染源下浓度分布的理论分析

从保守物质横向和垂向扩散系数不相等的静止水体中瞬时线源二维扩散的解析解人手,分析推导出半无限水面瞬时污染源下二维扩散的浓度计算公式。在顺直倾斜岸坡大宽度深水情况下,借助于横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射原理,进而推导出倾斜岸水面瞬时污染源下角形域中二维扩散浓度分布的理论公式。在简化条件下该理论公式与可对比理论解完全一致。结果分析与讨论表明:角形域倾角对污染物的浓度分布影响较大;角形域内浓度分布具有倾角参数n(180/)为奇数和偶数不同的双重特性;计算点距离岸坡顶点越近倾斜岸坡对浓度分布的影响越大;横坐标越大影响越小;水深越大影响也越小。该理论公式可为河库水质监测布点与数据的归纳分析、水质模型的验证和污染混合区浓度估算提供有力的工具。     

长江口枯水期最大浑浊带形成机制

用ADCP获得了长江口最大浑浊带内的高频率和高分辨率流速和悬沙浓度数据,对不同定点站位和走航断面的悬沙浓度、流速和盐度数据进行了分析,同时对不同站位的再悬浮通量以及悬沙输运机制也进行了计算,进而讨论了长江口枯水期最大浑浊带的形成机制。结果表明,枯水期的长江口处于淤积状态,再悬浮通量较小,其数量级介于10-4-10-7kg·m-2s-1之间;平均流输运在整个悬沙输送中占主导地位,斯托克斯漂移效应、垂向环流和潮振荡的垂向切变作用对悬沙输运也有着重要作用;通过分析走航断面的数据确定了枯水期中潮期内最大浑浊带的显著分布区域,“潮泵”作用和河口重力环流作用均在该地区最大浑浊带形成中都发挥着重要作用。