基于树木年轮的弯曲河流河湾迁移速率估算

针对河流源区缺乏长期的河流监测数据,难以确定河湾迁移速率的问题,通过2016年和2017年2次对黄河源区的实地考察和采样情况,以典型弯曲河流白河的9处河湾为例,根据河湾凸岸淤长与植被演替的关系,利用树木年轮分析判断树龄,依据树木位置和树龄的关系估算弯曲河流河湾迁移速率。估算得出白河9处河湾迁移速率为0.38～6.10 m/a,迁移速率与水流流速、河道比降、凹岸滩高和河谷宽相关,最大迁移速率出现在河湾弯曲度最小的9号河湾。     

黄河源区弯曲河流滨河植被与河湾迁移的关系

为了解滨河植被对河湾横向迁移的作用,以及河湾迁移对滨河植被群落分布的影响,对黄河源区兰木错曲弯曲河段崩塌块、凹岸植被生物量和凸岸植被多样性进行现场调查统计,给出了河湾迁移速率的估算方法。结果表明:其迁移速率与凹岸植被生物量呈指数关系;河湾凸岸边滩的泥沙沉积在不同重现期洪水作用下,形成不同的植被条带,对应于5种典型的植被群落;河湾的横向迁移对滨河植被生态系统具有调节作用,形成一种牧草先增多后减少再增多的草场更新机制,原生演替不断循环进行,以维持草场的长期可持续放牧功能。     

非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响

广泛分布于天然河道浅滩的植被能够改变河流局部的水力特性和泥沙运移过程,为了解植被对弯道水流特性的影响,针对特定流量下凸岸侧含有刚性挺水植被的弯道,对植被密度、位置不同时水流特性的沿程分布规律开展试验探究。通过建立弯道水流概化模型,利用ADV采集三维流速数据,对比无植被和有植被（植被密度分别为0、2.2%和4.5%）条件下的流速分布,定性分析不同工况下植被对弯道水流紊动特性的作用,确定弯道环流的结构及强度。结果表明,凸岸侧植被的存在（在0°~90°弯段,1/4河宽区间内均匀分布）能有效削弱弯道环流强度,但对凸岸区的消减效果并不随植被密度的增大而加强。非植被区上下不同流向水层的分界点位置随植被密度变化而变化,且植被分布对弯道各断面不同水深处的环流结构也有影响。     

弯道水流的能量耗散规律及其应用

天然河湾的弯曲平面形态和离心力作用,引起弯道的水流能量重新分配和耗散规律发生变化.基于弯道水流能量平衡方程,总结了弯道水流的能量耗散主要原因,推导了弯道水流的横向与纵向能量耗散率的表达式,并采用弯道水槽实验数据验证和率定表达式的参数.运用弯道水流能量耗散规律,本文初步解释了三峡水库建成蓄水后,下泄清水将使得荆江河湾的水流能量横向耗散增强,凹岸区域严重冲刷,凸岸区域显著淤积,单个河湾的弯曲度将变大.     

弯道水流的能量耗散规律及其应用

天然河湾的弯曲平面形态和离心力作用,引起弯道的水流能量重新分配和耗散规律发生变化。基于弯道水流能量平衡方程,总结了弯道水流的能量耗散主要原因,推导了弯道水流的横向与纵向能量耗散率的表达式,并采用弯道水槽实验数据验证和率定表达式的参数。运用弯道水流能量耗散规律,本文初步解释了三峡水库建成蓄水后,下泄清水将使得荆江河湾的水流能量横向耗散增强,凹岸区域严重冲刷,凸岸区域显著淤积,单个河湾的弯曲度将变大。     

弯道悬沙特性试验研究

本文重点研究弯道悬沙水流的水力特征和泥沙特征变化以及弯道半径对其影响。试验表明,弯道悬沙水流水面横比降与清水相比略有差异,悬沙水流较清水时弯道水面横比降小,弯道半径越大,差异越小。水流入弯道后,水流流速、水流含沙量以及悬沙粒径均进行了重分布。弯道凹凸岸最大流速调整位置随弯道半径的减小而下移。弯道内凸岸含沙量逐渐增加,悬沙粒径也逐渐增粗,在弯道末端断面,凸岸含沙量与凹岸含沙量比值达到最大值,相应凸岸悬沙中值粒径与凹岸悬沙中值粒径比值也达到最大。弯道半径不同,泥沙在横向调整程度也不同。     

含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响，采用水槽试验的方法，在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群，设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况，采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量了在不同工况下植被附近及U形弯道水槽内水流的流速和水位，研究不同密度(株数/m²)的柔性水生植被对水流运动规律的影响。同时，利用测量结果对水位变化、水流流速分布、横比降变化、水头损失、水力坡降等规律进行分析。试验结果表明，弯道凸岸的水流在不同植被密度下各个断面(25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°)的流速大小变化均呈先下降后趋于平稳的趋势；凹岸的水流在不同植被密度下各个断面的流速大小变化情况差异较大，在60°断面密集植被的流速小于稀疏植被的流速，同时在150°断面大幅度上升后再下降并在弯道出口处大于稀疏植被的流速；植被群增大水头损失和水力坡降，其中密集植被群影响最大。     

黄河大柳树河段水情实测结果分析

对黄河大柳树河段19个典型代表断面的流速、水深分布等情况进行了分析。结果表明:1大柳树河段各断面水位从上游至下游呈下降趋势,相对窄深的断面水流相对湍急,相对宽浅的断面水流相对平稳,天然弯道河段的河床变化符合凹岸冲刷、凸岸淤积的水沙基本运移规律;2大柳树河段河面相对狭小,水流相对湍急,部分河段的平均流速可达2m/s;3大柳树河段弯道上的流速分布符合自由涡和强迫涡定律,断面流速与水深基本保持正相关关系,且弯道入口处靠近凸岸的水深相对较深,流速也较大,当弯道中心角较大时平均流速的最大值逐渐由凸岸向凹岸转移。     

弯曲河道纵向垂线平均流速平面分布的研究

本文以弯道水流运动方程作为分析的基础，根据弯道水流纵向流速沿垂线分布在凸岸区域眼从对数分布律，在四岸区域眼从抛物分布律，导出了分区域变自率动床弯道水流纵向垂线平均流速计算公式，并从理论上对河湾纵向垂线平均流速的横向分布和沿程变化规律进行了分析，同时给出了适用于定半经弯道的纵向垂线平均流速平面分布公式的简化形式。最后采用美国ＦａｌｌＲｉｖｅｒ野外水流观测资料对纵向垂线平均流速计算公式进行了验证计算，结果令人满意。     

连续微弯弯道水流结构试验研究

采用水槽试验,对连续微弯弯道的水流结构进行研究。通过整理分析枯水和平滩两种典型工况的试验数据,对连续微弯弯道水流的纵向垂线平均流速、水流动力轴线、纵向和横向流速及垂线环流强度分布规律进行研究探讨。研究表明,连续微弯弯道水流具有主流偏向凸岸侧、凹岸近壁处易发生水流分离现象、凹岸侧纵向流速最大点靠近床面、横向环流呈非对称的双环流结构、断面凹岸侧垂线环流强度大于凸岸侧等特点,展现出与一般弯道水流不同的特征。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

插有缓变曲线弯道水流运动的三维数值模拟

若能够有效地利用数值模拟来揭示弯道水流运动和床面冲淤流变规律,将可以节省大量的人力、财力和时间。为此,通过引入可以舒缓水流冲击力和离心力作用的缓圆缓和对称凸型这2种新的弯道型式,减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。数值模拟结果表明缓圆缓弯道和对称凸型弯道的水面超高及横比降较圆弯道大幅减少;除弯道进口外,插有缓变曲线的2种弯道的凹岸近底流速均小于圆弯道,凸岸的弯道进口附近及过弯顶断面后,这2种弯道的近底流速较圆弯道明显减小;插有缓变曲线的2种弯道的深槽明显比圆弯道的要浅。     

长江乌江交汇口水力特征数值模拟分析

采用SMS水动力学软件构建二维数值模型,对长江乌江交汇口水域在不同汇流比下的水面形态、流速分布及交汇口处分离区、滞留区等位置进行分析可知,计算河段水面存在横比降,弯道处凹岸水位壅高,凸岸水位跌落,且在上游交 汇角处形成滞留区;交汇口下游水文断面支流侧形成分离区,分离区外侧水流流速明显增大,形成最大流速区.其成果可 ...     

岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征

河岸崩塌(又称为崩岸或塌岸)是水动力作用下岸坡失稳的一种主要形式,属于一种典型的水力与重力的复合侵蚀。本文采用黄河上游宁蒙河段的磴口黏性河岸沙为实验用沙,通过实施8组弯道水槽实验模拟塌岸过程与河道冲淤演变过程,重点观测并分析崩塌近岸水位、流速、颗粒粒径及河床冲淤形态等水力-泥沙-河床三方面因子变化特点,揭示黏性岸坡崩塌过程水流剪切力分布特征及其对河道冲淤形态影响机制,结果显示崩塌体头尾部的剪切力突增,形成较大剪切力区,尾部剪切力大于头部剪切力,尾部形成涡流,流速分布混乱,加快崩塌体的分解和崩塌进程。实验进一步揭示了崩塌过程河床形态对水流剪切力的响应关系,为建立崩塌河段泥沙输移模型提供了基础依据,并可供河道整治工程规划设计参考。     

冰期河流弯道冰水动力学行为研究

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征。结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式。     

黄河源弯曲河流的河段尺度横向冲淤特征研究

弯道横向迁移是弯曲河流周期性演变的主要特征,也是横向冲淤的累积性结果。为认识弯曲河流年际时间尺度下的河岸迁移规律,2018—2020年在黄河源麦曲和兰木错曲河段开展了连续3年的无人机航测。通过影像后处理技术生成高精度地形,对河段尺度的河岸迁移和弯道冲淤特征进行探讨。结果表明:边滩的淤积外延驱动边滩-凹岸宽度的变化,所以弯道河宽变化值超过0.1B（B为河宽）的河段总是位于弯顶段。两个弯曲河段凹冲凸淤特征明显,凹岸侵蚀峰值与凸岸淤积峰值在弯道出口段呈对称分布。麦曲河段的凸岸边滩冲淤共存,但整体淤长,凹岸岸线的冲退宽度反映了河岸侵蚀状况。     

黄河什四份子弯道冰下环流特性研究

为分析弯道冰下水流结构与环流分布特征，利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对什四份子弯道的冰下流场进行了测量，通过测量弯道的冰厚、水深、流速，分析了弯道断面冰情与冰下环流分布情况。结果表明：弯道冰下水流并不完全呈现双螺旋结构，冰封期环流集中在弯顶凹岸侧和弯顶后凸岸侧，易产生在相邻冰塞之间或是冰塞与河岸之间；环流区域环流旋度沿水深线性增大，非环流区域环流旋度则线性减小，同一位置的不同流层环流旋度大小分布基本一致，弯道后半段大于前半段，弯顶前凹岸侧大于凸岸侧，最大环流旋度位于弯顶凹岸侧，约为0.91。