山区河流植被洲滩河段水沙运动特性试验研究

山区河流受水沙条件和河流形态影响,植被洲滩发育丰富,显著改变局部河段的水沙运动及其演变特征。基于室内洲滩模型自然生长植被的水沙试验,探讨了植被与泥沙补给对洲滩河段水流结构及冲淤变形的影响。试验结果表明：植被茎叶加大对水流扰动,减缓水流流速,上游补给泥沙在植被周围形成小型沙丘,以波状输移为主;大量来沙条件下,泥沙多落淤洲头及洲尾,促使洲滩的快速发育;淹没植被枯萎,茎叶凋落,加剧洲头及洲滩两侧坡脚冲刷;植被与上游来沙显著影响洲滩汊道分流特性,加沙和植被茎叶部分促使左汊分流比降低。因此,山区河流植被与上游泥沙补给调整洲滩汊道过流能力及发育过程,对植被洲滩河段的水沙运动产生较大影响。     

山区河流河床形态与水沙变化下的水位响应机理研究

山区流域暴雨山洪、滑坡、泥石流等灾害频发,大量泥沙以不同方式进入河道,河床形态在极短时间内迅速调整。在宽窄相间河段水流输沙能力差异较大,展宽段常因挟沙能力的降低而淤高河床,致使水位陡增,引发洪水灾害。为探讨山区河流宽窄相间河段与泥沙补给变化下的水位变化致灾机理,以室内物理模型系列试验结果为依据,分析不同流量定床清水时河床形态参数与各水力参数的变化关系,以及泥沙补给变化对河床形态及水流参数的影响。试验表明：上游泥沙补给量及河床形态是影响水流流态、水位变化的重要因素;定床清水条件下,河宽与比降的局部急剧调整影响水流参数变化,水流对河床变化的响应具有滞后性;当上游有泥沙补给时,水深变化较清水来流明显;随着来沙量的增大,大量泥沙淤堵河道且呈现溯源淤积的趋势,并淤高河床;在淤积段顶端,水流发生水跃现象,水位陡增,甚至出现漫滩致灾。由此可见,上游来沙及水流挟沙能力的降低将引起河床不同程度的落淤,造成河床形态改变,特别是在宽窄相间河段泥沙易落淤,水位增幅较大,为洪灾泛滥区,应作为水沙灾害的重点防治区域。     

边滩漂石河流水沙输移及河床响应数值分析

山区流域地表松散破碎,在地震、暴雨等动力条件影响下大量松散碎屑物质进入沟床,使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显,泥沙易在局部河段淤堵,河床剧烈调整,水位显著抬升,这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现,在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出,河道主槽冲刷强,边滩淤堵少。在此基础上,为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响,采用CFD-DEM（计算流体力学CFD,离散单元法DEM）耦合模型,针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究,重点分析了流量、沟道来沙量以及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明,山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹,使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移,进而减少颗粒在河道两岸淤积。此外,边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程,控制来沙强度和来沙量,减少泥沙在保护河段落淤进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低以及沟道内来沙质量的增大,边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好,对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。     

山区河流河床对漂石的突变响应及其近底水流结构特征

山区河流受暴雨洪水、滑坡和泥石流等灾害的影响,漂石颗粒在河床不断集聚,从而改变局部区域的河床形态及其水流结构。本文基于对野外典型漂石河段的调查和室内概化水槽试验,指出了河床变形及水流运动对漂石的突变响应特征。试验床面分别预铺粒径为2.5mm和7.5mm的均匀沙,并在其上放置粒径为15.7cm的天然漂石,利用声学多普勒测速仪和全站仪测量漂石局部区域的水流结构及河床冲淤地形。试验分析表明：漂石河床局部调整受相对淹没度和床沙粒径的影响,随着相对淹没度的变化,冲坑深度及范围也随之调整,但淤积的最大高度值则趋于稳定;床沙粒径与冲坑深度、范围呈现出较好的线性正相关关系,但其对后者的影响要远大于前者。漂石河床的局部响应主要是因为漂石的存在促使了其局部区域的水动力条件变化。在无床沙工况下,漂石局部近底流速分布随着相对淹没度的变化而变化,而在有床沙工况下,其对相对淹没度的变化却并不敏感,但它们都较为符合对数分布。漂石局部的紊动强度及紊动耗散均在漂石下游的△x≤1.5D范围内出现陡增现象,且随着床沙粒径的增加,紊动强度陡增的幅度变小,其影响范围也随床沙粒径及相对淹没度的变化而变化。因此,山区河流河床漂石对水流运动及河床变形的作用主要表现在局部近底水流结构及紊动统计特征出现陡变特征,从而引起局部冲淤程度加剧,对河床的水沙运动及其稳定形态产生较大影响。     

不同来水来沙条件下山区河流的河床响应试验研究

山区河流受季节性水文条件及产沙过程的影响,水沙条件变化频繁。尤其是暴雨山洪频繁挟带大量泥沙进入河道,从而引起河床急剧调整。本文以龙溪河典型河段为研究对象,通过调查天然河道的地形、床沙组成及来水来沙特性,开展了系列水沙模型试验,突出分析了来水来沙条件变化的河床响应。试验包括不同流量下清水冲刷和恒定流量下改变泥沙补给条件两种对比方案。以泥沙起动条件的沙莫夫公式判定方法,分析比较了不同工况条件下的断面泥沙起动流速和水流运动平均流速的关系,揭示了不同断面间泥沙冲淤特性及河床变形特点。在此基础上,探讨了河道沿程水位变化及致灾范围,对比分析表明,龙溪河在清水来流条件下,即使通过最大流量300m3/s,洪水位也未超过龙池镇堤防高程,即清水来流条件一般不会影响龙池镇的防洪安全。若大量泥沙下泄至主河道,龙池镇段由于河床比降变缓与河道展宽等床面形态的变化,水流平均流速显著降低,携沙能力减小,引起大量泥沙淤积,致使水位陡增,甚至出现漫滩现象,存在显著的防洪安全隐患。随着泥沙补给量的不断增加,河床不同区域输沙动力的调整制约了泥沙的输移距离,从而引起局部区域河床的淤堵,并导致洪水位的增加,甚至产生漫滩洪水并诱发洪水灾害。研究表明,山区河流泥沙补给对河床响应及水沙灾害具有重大的影响,来水来沙变化下的水沙运动致灾机理急需深入研究。     

山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

山区河流漂石阶梯阵列对水流结构影响的试验研究

漂石阶梯阵列是山区流域暴雨山洪过程常见河床形式,能显著影响水流结构,增大水流阻力和河床抗冲刷力,同时也制约着漂石河床演变过程。基于野外典型漂石河段调查,通过水槽试验,探讨了山区河流漂石阶梯阵列内的水动力特征。试验结果研究表明：不同的漂石阶梯行距对于水流流速及紊动强度影响明显,三向紊动强度大体呈现先增大后减小趋势,v及w方向紊动强度峰值点位置都位于0＜y/h≤0.2水深处,近底逆流在垂向及主流方向的作用范围分别为1D与2D（D为漂石粒径）,漂石下游的近底逆流作用范围与漂石粒径呈正相关。漂石阵列对近床湍流具有“均匀化”作用,试验资料表明随着漂石排列密度的增加从而显着降低了近底的湍流强度。     

山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究

受水沙耦合致灾作用,暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害3种模式,不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异.传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以"雨量–径流–成灾水位"雨水情分析为主,缺乏"雨–水–沙"变化系统研究,未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易发区的成...     

Water demand for ecosystem protection in rivers with hyper-concentrated sediment-laden flow

Sediment transport is one of the main concerns in a river system with hyper-concentrated flows. Therefore, the water use for sediment transport must be considered in study on the water demand for river ecosystem. The conventional methods for calculating the Minimum Water Demand for River Ecosystem (MWDRE) are not appropriate for rivers with high sediment concentration. This paper studied the MWDRE in wet season, dry season and the whole year under different water-and-sediment conditions in the Lower Yellow River, which is regarded as a typical river with sediment-laden flows. The characteristics of MWDRE in the river are analyzed. Firstly, the water demand for sediment transport (WDST) is much larger than the demands for other riverine functions, the WDST accounts for the absolute majority of the MWDRE. Secondly, in wet season when the WDST is satisfied, not only most of the annual incoming sediment can be transported downstream, but also the water demands for other river functions can be satisfied automatically, so that the MWDRE in wet season is identical to the WDST. Thirdly, in dry season, when the WDST is satisfied, the water demands for other river functions can also be satisfied, but the low sediment transport efficiency results in significant waste of water resources. According to these characteristics and aiming at decreasing sediment deposition in the riverbed and improving the utilization efficiency of water resources, hydrological engineering works can be used to regulate or control flow and sediment so that the sediment incoming in dry season can be accumulated and be transported downstream intensively and thus efficiently in wet season.     

Water demand for ecosystem protection in rivers with hyper-concentrated sediment-laden flow

1IntroductionTheriversystemisoneofthemostimportantnaturalecosystems,andithasquiteintimaterelationshipwithhumanbeings.Theprimaryriverinefunctions,suchaswatertransfer,sedimenttransportation,floodrelease,self-purification,landscapeforrecreationorasbiologicalhabitats,navigationandsoon,havegivenmuchconveniencetohumanproductiveactivitiesanddailylife.Ontheotherhand,thenaturalriversystemhasbeeninterferedextensivelyinrecentyearsbyhumanactivities,andthustheriverecosystemhasbeendamagedandriverinefunction…     

岩滩水库泥沙淤积计算数学模型

河流上修建水库后,由于水位抬高,流速减小,来自上游的泥沙在库区大量落淤,直接威胁着水库的使用寿命和大坝安全.采用一维恒定非均匀不平衡输沙数学模型,计算了红水河上岩滩水库1994-1999年的冲淤过程,得到了河床纵剖面淤积形态、干流累积淤积量等结果,并与实测资料进行比较.对比分析表明,在模型参数按常规经验取值条件下,计算的库区淤积量远小于实测值.然后分析干密度、水流挟沙力参数、恢复饱和系数等参数调整对模型计算结果的影响,结合库区实际来沙及淤积情况调整了这些关键参数的取值,使得库区泥沙淤积计算结果与实测值较为接近.     

长江中游典型分汊河段河床演变

戴家洲河段来水来沙特点分析表明,本河段具有明显的平原河流特征,水流易受地形影响,河段年际间来水来沙存在较大的变化,来沙以流域产沙为主,河段内造床起主导作用的是悬移质泥沙运动.河段演变特点主要表现为:洪水河势基本稳定而中低水滩地则冲淤变化不定,池湖港心滩基本稳定,巴河边滩发育和冲蚀交替,戴家洲洲头不断变化,直港直水道和微弯水道特征不断转化交替,巴河边滩的消长、戴家洲洲头的进退和直港滩槽演变密切相关,戴家洲直港浅滩位置多变且呈洪淤枯冲规律.结合三峡水利枢纽的蓄水运用,对戴家洲河段河床演变趋势进行了预估.