基于最小熵产生与耗散结构和混沌理论的河床演变分析

阐述了最小熵产生、耗散结构和混沌理论的基本原理和研究方法,并介绍了如何应用这些理论和方法对河床演变过程进行分析。认为：河流只可能处于近平衡态和远离平衡态。河流处于近平衡态时,遵循最小熵产生原理或最小能耗率原理,其演变过程表现为逐渐趋向于与外界条件相适应的相对平衡状态,在相对平衡状态水流的熵产生或能耗率为最小值。当作用在河流上的约束条件发生变化后,河流就会离开原来的相对平衡状态,寻求与新的约束条件相适应的相对平衡状态。在这个调整过程中,熵产生或能耗率并不是单调减少,而是有增有减,直到新的相对平衡状态,水流的熵产生或能耗率一定是与新的约束条件相适应的最小值。河流处于远离平衡态时,其演变过程可以经受突变,导致河型转化发生。河型转化是在外界条件缓慢变化过程中,超过某一临界值而发生的突变,这种突变相当于热力学中的非平衡相变,因而可以用耗散结构和混沌理论解释河型转化。     

塔里木河干流河型分类及判别模式研究

将河型从稳定到不稳定进行分级量化,采用多元线性回归分析法建立了河型判别式,对塔里木河干流河型的计算表明,阿拉尔站属游荡型河段,新其满站属过渡型河段,英巴扎站以下河段属于弯曲型河段,计算值和量化值吻合较好.与塔里木河干流河道演变与整治研究成果的对比表明,新疆干旱内陆河与内地湿润地区河流的河型成因及河道演变规律在本质上是一致的.     

基于协调发展度的冲积河流的河型判别式

借鉴社会与经济或环境与经济的协调发展理念,利用长江、黄河等12个河段的实测资料,研究了河型的影响因子对河型的影响权重,建立了河流系统的协调发展度判别式,用来判断冲积河流的河型.研究认为:河流边界条件对河型的影响大于来水来沙条件;弯曲河流的协调发展度大于游荡河流和过渡河流.根据协调发展度大的河流比协调发展度小的河流稳定有序,可以为冲积河流的河型分类与判别提供有力的理论依据和具体的计算方法.     

入湖河流尾闾河段河型问题研究进展

回顾和总结了国内外入湖河流尾闾河段河型问题的研究进展,阐述了入湖河流尾闾河段范围的界定方法,分析了入湖河流尾闾河段的平面形态与演变特征,对比了入湖河流尾闾河段河型与冲积河流河型的异同,进一步探讨了不同类型尾闾河段的河型成因以及河型转化影响因素。针对目前入湖河流尾闾河段河型问题研究中存在的不足,指出今后可从入湖河流尾闾河段的河型特征、河型成因机理和河型转化影响因素的定量化等方面加强研究。     

大凌河锦州段河型稳定性分析

对基于非平衡态热力学理论的河型稳定判别式进行了改进,并提出了河型稳定因子的概念,从而使计算结果更为直观。以大凌河锦州段为实际案例对该方法进行了应用,对该河段的河型稳定因子时间序列、滑动平均值、综合特征值以及影响因素等进行了计算与详细的分析,从而为河型稳定判断方法的改进及其实际应用的拓展提供了参考,并为该河段的管理提供了科学依据。     

澜沧江源扎那曲莫云段河型判别初步分析

澜沧江源地处青藏高原唐古拉山北麓,比邻长江南源当曲,人迹罕至。为了进一步认识澜沧江地貌特征、尤其是河流地貌,得出河流地貌演化、河床冲淤演变的一些基础资料,通过实地考察,采集数据与图像,结合现有河型判别方法,对澜沧江西源扎那曲莫云河段的河型进行判别。结果表明:莫云河段河道边界约束较弱、河床稳定性较差,在顺直-弯曲-分汊-游荡的河型分类体系中,各家判别式一致判定莫云河段为游荡河型;在顺直-弯曲-辫状的河型分类体系中,则一致判定为辫状河型;最后结合国内的河流特点和主流分类体系,可以确定莫云河段属于游荡河型。实地考察资料和河型的判别,可为进一步研究澜沧江源的河流地貌提供参考。     

三峡、丹江口水库运行前后坝下游不同河型稳定性对比分析

通过计算丹江口、三峡水库运用前后坝下游不同河型的河床稳定系数,分析了建库前后坝下游河床稳定性的变化情况及不同河型稳定性的差异,结果表明:坝下游不同河型的综合稳定系数表现为,分汊河型的稳定系数最大,蜿蜒河型次之,游荡河型综合稳定系数最小;同一河型在不同的河流甚至同一河流不同河段上的综合稳定系数存在差异;丹江口、三峡水库运用以后坝下游不同河型的综合稳定系数均呈增大趋势,河道总体呈现渐趋稳定的态势。     

应用耗散结构理论分析河型转化

运用耗散结构理论分析探讨了河型转化。指出河型转化是在外界条件变化超过某一临界值而发生的突变。河型在转化过程中，既可以从外界获得负熵流，也可以获得正熵流。负熵流促使河流朝有序化方向发展，正熵流促使河流朝无序化方向发展。有序化过程可能产生耗散结构，无序化过程可能产生混沌态。耗散结构与混沌态在河型转化过程中交替出现，就可能会形成不同的河型。     

流体最小熵产生原理与最小能耗率原理(Ⅱ)

本文是“流体最小熵产生原理与最小能耗率原理”的第Ⅱ篇。在这篇中，一是阐明了最小熵产生原理等价于最小能耗率原理；二是基于最小熵产生原理，利用流体力学的3个基本方程，即连续方程、运动方程和能量方程以及热力学的吉布斯公式，推导出了流体最小能耗率原理数学表达式。该式适用于：(1)具有稳定边界的任何开放的流体系统，如河流；(2)恒定非均匀流或均匀流；(3)层流或紊流。     

河流最小可用能耗率原理和统计熵理论研究

河流是一个具有能量紊动粘性热耗散结构的开放系统 ,依照热力学熵差和统计熵定义了河流水力熵差和统计熵 ,根据耗散结构动平衡稳定的熵和能耗理论 ,建立明渠流和冲积河流的水力熵和统计熵理论 ,提出了明渠流和冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式 ,该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性 ,不仅在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理———自动调整作用原理 ,而且还反映了床沙质和冲泻质的划分标准、高含沙水流和挟沙力等特性 ,并用该理论解释了冲积河流水沙运动和河床演变的各种现象。     

岗曲河二级水电站消能防冲试验研究

通过模型试验,对岗曲河二级水电站泄洪消能方式、消能工体形和下游护岸措施进行了研究。在此基础上,提出了一种新的联合消能防冲体系(推荐方案),即闸后跌坎+齿坎消力池+钢筋笼防护。试验研究表明,这种新的消能防冲体系泄洪流态良好,消能效果理想,下游护岸安全稳定,成功地解决了该工程的消能防冲问题。     

河流系统能量分配耗散关系的分析

根据冲积河流发展趋向性法则，从系统角度探讨了冲积河流自我调节机制及河流能量分配耗散特点，引入河流熵和变分原理，推求了河流系统的能量耗散规律；研究分析了人类活动对河流系统的干扰以及反映在河床调整上的能量分配耗散关系     

基于多元时间序列的河流混沌特性研究

以混沌理论为基础,提出了河流混沌特性分析方法。选择对河流演变有重要影响的宽深比时间序列和水沙时间序列,首先对这些时间序列进行相空间重构,计算不同河型的宽深比、径流量和含沙量时间序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数,然后通过求这些时间序列的饱和关联维数的加权平均值和最大Lyapunov指数的加权平均值,得出不同河型的混沌特性。以黄河下游的6个河段3种河型为例,对宽深比、径流量和含沙量时间序列,分别进行混沌特性分析。研究结果表明,河流演变具有明显的混沌特性,但不同河型表现出的混沌特性不同,游荡河型混沌特性较强,弯曲河型混沌特性较弱。通过对河流混沌特性分析,有助于加深对河流演变预测的进一步认识。根据混沌理论,混沌系统短期行为可以预测,而长期不能预测。所以,河流演变预测是短期可行,长期很难预测、甚至是不可预测的。     

黄河下游高村-陶城铺河段边界阻力能耗与河床稳定性分析

从河床边界阻力能耗角度研究河床形态调整规律,引入河床稳定性指标,探讨与边界阻力能耗率的相关性。以黄河下游高村至陶城铺河段为研究区域,采用实测资料、理论解析与数值模拟相结合方法,基于不同年份河道地形,计算出不同流量条件下的水力要素与边界阻力能耗率,分析河床形态调整过程及边界阻力能耗率响应,讨论了边界阻力能耗率与河床稳定性关系。结果表明：边界阻力能耗率沿程均值和波动强度随着流量增大而增大;阻力能耗率随着过水面积或宽深比呈先减小后增大趋势,且与河床稳定指标呈正相关关系,但能耗率趋近最小值时,河床也可能发生下限失稳。通过优化河床断面形态,维持河床稳定情况下寻求边界阻力能耗率最小,能够提高河槽的输水输沙能力。     

基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。     

不同组合连接体形下旋流式竖井水力特性试验研究

通过物理模型试验和理论分析相结合的方法研究了不同组合连接体形下旋流式竖井的水力特性,总结出竖井涡室内的4种典形流态,其中,自由旋流流态最适合于旋流式竖井.通过进一步研究进口体形和消力井深度对流态和消能率的影响,得出折流角变化对消力井侧壁及底板压强影响不大,消力井边壁及底板均不会出现负压;流量的增加会减小消能率,折流角和...     

流体最小能耗率原理的热力学基础

针对学术界一直存在争议的流体在运动过程中到底是遵循最大熵原理还是遵循最小能耗率原理或最小熵产生原理问题,以热力学理论为基础,分析最小熵产生原理和最小能耗率原理,同时澄清一些容易混淆的问题,指出:热力学中的基本原理、基本概念同样适用于流体运动;流体在运动过程中遵循最小能耗率原理或最小熵产生原理。