含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

黄河下游滩区水动力条件及阻力特性变化分析

黄河下游滩地是蓄滞洪水的主要场所，滩区边界的条件对滩区水动力条件和阻力特性产生了较大影响，通过系统分析漫滩洪水期典型滩区实测资料表明，近年来滩区阻力建筑物增多，局部水头损失增大，水动力作用明显减弱，滩区水面比降仅为大河比降的1/3～1/2。同时；滩区面积增大，植被增加，滩地阻力也增大，若直接采用大河比降反求滩区糙率系数，结果比实际糙率偏大很多。因此在用水文学和水动力这学数学模型进行黄河下游排洪能力计算过程中，应注意滩区比降与糙率的率定及匹配。     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

不同加糙方式对明渠水力要素的影响探究

渠道糙率的变化会造成渠道各个水力要素产生相应的改变。通过对梯形渠道进行不同方式的加糙,并用电磁流速仪测量流速,分析在不同加糙方式下流速变化、不同形状的加糙形式对水流流速引起的变化以及糙率和各水力要素之间的关系。分析结果表明：当流量不变、加糙方式一定时,糙率随着设计水深的增大而增大;断面平均流速随着糙体间距的增大而增大;当流量不变、水深一定时,糙体布置间距越小,水流的纵向紊动强度越大;水深和糙体间距不变时,随着流量的增大,水流的纵向紊动强度增大,但变化不明显。     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.     

糙条对溢洪道连续弯段水流特性的影响

为探究溢洪道连续弯段水流特性及糙条消能工水力学特性,通过开展27组正交模型试验,结合消能率和超高变异系数筛选最优工况,采用RNG k-ε紊流模型与体积分数法（volume of fluid,VOF）对布设糙条和不布设糙条的溢洪道进行水流特性数值模拟对比研究。结果表明：糙条的布设使溢洪道沿程水深增加且变化剧烈;糙条能够抑制菱形波和折冲水流的产生,通过改善两弯段流态使水面均匀性提升38.0%和44.7%;布设糙条后,两弯段纵向流速均值被降低了45.16%和44.83%,各断面凹岸纵向流速的最大值沿水深下移;糙条的存在加剧了水流紊动,使两弯段纵向紊动强度均值增加了117.98%和71.05%,纵向紊动强度集中在凹岸衰减、凸岸增强,且各断面凹岸的最大值沿水深上移;糙条增大了床面动水压力,减小了两岸压力差,对压力分布形式有显著改善效果,有助于保护底板和边壁不易被冲蚀。研究成果可为溢洪道连续弯段设计及安全运行提供参考。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

为分析植被排列走向与水流方向的夹角对坡面地表水流阻力的影响,设计了3种植被排列走向与水流方向成不同夹角的底板、7种不同的坡面比降,通过试验研究不同植被分布对坡面流水流阻力的影响。结果表明:在非淹没状态下,在一定坡面比降范围内,同一平均水深下,随着水流方向与植被走向夹角减小,糙率系数增大;同一下垫面条件下,坡面水流流向不同则坡面地表糙率系数不同,植被走向与水流方向的夹角越小则糙率系数越大。     

不同密度滩地植被作用下的复式河槽水流特性

利用刚性竹签模拟非淹没滩地植被,在非对称复式河槽中进行了不同滩地植被密度作用下的水流特性系列试验。结果表明:主槽中心流速符合对数分布,滩地中心流速沿垂向垂直向上分布;主槽和滩地中心垂线平均流速受植被密度影响,垂线平均流速增长率与植被密度呈线性关系;主槽中心横向和纵向的紊动强度均呈S形分布,滩地中心处3个方向的紊动强度均不呈S形分布。     

悬移质挟沙能力水槽试验研究

利用0.03 mm黄土和卵石碾成粉末制成的0.03 mm人工沙,0.06 mm黄土,0.13 mm黄沙,共计4种沙样,在槽长33 m,宽1.25 m,深0.5 m,可以调节坡度的钢板水槽内按系统试验方法进行饱和含沙量试验.进槽含沙量较高,含沙量沿程降低,底部泥沙淤积,形成沙波,待水流中含沙量在1～2 h内保持不变时,定义为极限或饱和含沙量.每次试验测定含沙量、流速、水深、水面比降、悬沙颗粒级配、槽底泥沙淤积比降、槽底泥沙颗粒级配等数据,探求细粒泥沙在一定条件下的饱和悬沙含量,即悬移质挟沙能力.试验观测及理论分析表明,在恒定均匀水流条件下,浑水悬沙饱和含沙量取决于悬浮泥沙的沉速、水流流速、水深、水力半径、水面比降、底部淤沙粒径各水沙因子.在寻求挟沙能力经验公式中,除水流本身紊动挟沙外,还应考虑底部含沙量,淤沙粒径,包括糙率(沙波高度)和底沙运动,对输沙的影响,所求得的经验公式包括Velikanov公式诸因子以及底沙受水流剪力流速和底沙粒径的比值的因子.天然渠道资料检验说明了公式的适用性.     

桩墩影响下的水动力数值模拟

建立平面二维数值水槽模型,将桩墩作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩墩形状,计算分析缓流河道中单排桩墩影响下水位和流速的变化,并探讨了方墩与圆墩对水流变化的影响差异以及糙率与紊动黏性系数对壅水数值的敏感性。研究结果表明:①桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布形式,沿横向呈波状分布。墩身上游主要表现为水位壅高,流速减小;墩身下游则表现为水位跌落,流速在墩间区域增加,而在墩后区域减小。②方墩对水流变化的影响比圆墩大;上游壅水随糙率变化较小,但对紊动黏性系数的变化较为敏感。     

明渠水流含沙量沿垂线分布研究

本文在分析天然河道高含沙水流实测含沙量分布的基础上，得到泥沙紊动扩散系数εs沿垂线分布的规律是：河底为零；河底至相对水深Y／H＝0.2范围内εs随水深增加而变大；Y／H＝0.2至水面区间基本是一常数，这与Anderson整理分析一般低含沙水流资料得到的结论是一致的，然后用分析所得的紊动扩散系数εs的表达式代入泥沙扩散方程求解析解，导出二维均匀明渠水流在平衡情况下悬移质含沙量沿垂线分布公式，该公式克服了经典的Rouse公式的两个缺陷，且与天然河道实测资料吻合较好。     

非淹没丁坝下游回流长度及最大回流宽度研究

本文基于二维水深平均水流运动方程组，对一些因素如主回流紊动切应力、主流流速横向分布规律、紊动粘滞系数等作了与前人不同的假设，推导得到了非淹没丁坝下游回流长度及最大回流宽度计算公式，公式计算结果与实测资料进行了对比，研究成果表明：回流长度与坝长、水深、糙度、面积缩窄率，河宽缩窄率有关，最大回流宽度与河宽，面积缩窄率及河宽缩窄率有关，对于矩形河槽，河宽缩窄率等于面积缩窄率，而对于天然河道，两者并不相同。     

含植物河道水流紊动特性研究

基于河流的修复、河道的管理及水资源可持续发展的理念,从对含植物水流的阻力特性、紊动 机理特性研究、水流涡量场及数值模拟研究四个方面开展含植物河道紊动特性的研究。研究结果表明: 在非淹没状态、淹没状态、淹没与非淹没状态共存三种情况下,植物增加了河道糙率,对泄洪不利;植物 在河道中顶部紊动强度和剪切力最大;含植物河道中水流能量耗散随着涡量值的增加而增加,拟熵也随 着涡量值增加而增加。以期为含植物水流的实验与模拟研究提供参考。     

挟沙水流综合糙率系数的研究

在现有研究成果的基础上,通过分析大量天然河道实测资料和他人的水槽试验资料,发现在挟沙水流中,综合糙率系数与水深、流量的相关性较差;与含沙量的相关性较好,并且糙率系数随含沙量的增加先减小后增大;在一定佛氏数条件下,糙率系数与佛氏数的相关性最好,且随佛氏数的增加而减小,可以根据佛氏数来计算糙率系数,但在较大佛氏数后,二者关系出现“向上翘”现象。     

不同糙体对水流和糙率特性影响试验研究

利用三维ADV进行光壁石和塑料草加糙后的流速测量,比较加糙后流速、紊动强度和雷诺应力等垂向与横向分布.结果表明:加糙后流速垂向分布呈"J"型,紊动强度略呈"J"型,雷诺应力呈">"型,且塑料草对水流特性变化的影响较大;相同参数条件下加糙间距、水深越小,流量越大,流速呈"J"型分布越明显、紊动作用也越强、雷诺应力的最大值...     

黄河下游糙率奇小的原因分析

在系统回顾已有成果的基础上,通过理论分析和实测资料计算,对黄河下游糙率奇小的原因进行了探索,认为黄河下游糙率之所以小到脱离原有物理含义的程度,其主要原因有:①采用曼宁公式来反求糙率;②含沙量引起流速分布图形改变,具有"减阻作用";③黄河下游水文泥沙测验精度较差,尤其水面比降难以观察,从而直接影响由曼宁公式反求糙率系数的精度。     

含沙量对冲积河流河型的影响

黄河下游泥沙输送的机理随含沙量的变化很大。黄河下游的河道一般呈游荡型或弯曲型，显著特点是在低含沙量和高含沙量条件下都存在着强烈的河道侵蚀及游荡型河道形态，而淤积和游荡则多发生于中等含沙量条件下。一维数值模型揭示了某些河床形态可能与泥沙密度的垂向层状分布及其阻碍沉降效果有密切关系。泥沙含量不大的情况下水流是次饱和的，流速呈对数曲线分布，泥沙容重呈层状分布，次饱和水流造成河床冲刷和弯曲型河道；高含沙水流情况下，水流的紊动结构造成的含沙量纵剖面变化，形成超饱和水流；在更高含沙量（10—100kg／m^3）情况下，悬移质泥沙可造成垂向几乎为常数的宙沙量纵剖面及对数流速分布。这些可以由泥沙引起容重效应的IDV模型进行验证，而河道形态变化可由3D模型模拟。河流形态模拟揭示了在相对低含沙水流中形成游荡型河道，主要是由于河道淤积、壅水、分汊形成新流路造成。当存在高含沙水流时，河床受到冲刷，水位降低，大堤约束河道，从而减小了游荡强度。另外，落淤速度的降低造成河道淤积减弱，形成冲刷，结果高含沙水流却形成了弯曲型河道。     

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草，通过水槽试验，探讨了不同滩地植物作用下的浸滩水流紊动特性。试验结果表明，纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布；时均流速与采样时间的长短有关；横向动量交换比垂向动量交换大，横向动量基本上是主槽向滩地传递；不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后，水流的紊动强度增强。纵向和垂向的紊动强度相当，都服从S型分布。     

刚性非浸没式植被对弯道水流特性的影响

该文采用180°U形矩形截面弯道玻璃水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimeter,ADV)研究刚性非浸没式植被(密度4.47%)对弯道水流纵向流速分布,横向环流及湍流动能(turbulence kinetic energy,TKE)的影响。实验结果表明,当水槽流量较小时,植被对水流的阻碍作用较小,由流速降低而导致的水深增加现象不明显,当水槽流量增大时候,植被对水位的抬升现象明显;水流受植被"阻滞"作用,弯道处纵向流速沿水深分布不再服从"对数型"分布规律,且原本水流受弯道作用后呈现的"上减下增"效果也消失;植被加快了最大流速区向凸岸转移,到达弯道出口时,最大流速区逐渐转移至断面中部区域;在植被的影响下,各断面弯道环流消失;植被会加剧水流紊动效应,导致湍动加剧,TKE增大。上述实验结论将增进研究者对植被对弯道水流特性影响的理解,同时也为泥沙疏浚,河道生态系统恢复提供指导。