黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响

本文根据黄河主要干支流冲积河段实测高含沙洪水的输沙资料，从黄河下游河道比降、河宽、流速沿程调整、洪水非恒定性等方面分析研究了冲积河道输沙特性与河床冲淤特性。分析了动床阻力与输沙特性间的关系。当水流流速大于1．8～2．0m/s时，床面进入高输沙动平整状态，河道输沙特性呈现“多来多排”状态，是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。从洪水期作用在床面上的剪力或功率的变化，引起底沙输移强度的变化，论证了涨水期河床强烈冲刷与落水时迅速淤积的必然性。指出底沙运动速度比洪水波传播慢是造成河道长距离冲刷的根本原因。     

波、流共同作用下的近底泥沙输移及航道骤淤预报

波、流(包括潮流和风吹流)共同作用下的输沙机理是波浪轨道速度掀沙与挟沙，波浪传质速度、潮流速度和风吹流的合成速度输沙。根据波动水流能量及泥沙运动原理，参考窦国仁推导底沙输沙率的方法，推导出波浪、潮流和风吹流共同作用下的底沙输沙率公式。对于细颗粒泥沙，底沙输沙实质上是近底泥沙(包括浮泥)的输移；应用本文公式对大风期黄骅港外航道的骤淤进行验证计算，得到与天然较符合的结果。另外，根据近年的实践，改进以前的浮泥输沙公式，给出二种输沙的计算模式。本文是作者1987年以来研究此问题的总结。     

波浪作用下非恒定输沙规律研究进展

为了准确计算一个波浪周期内净输沙率的大小和方向,需要研究波浪作用下非恒定泥沙输移规律。介绍了过去20多年国内外学者在大型往复流水道和波浪水槽中开展的非恒定输沙试验以及原型观测结果,总结了相位滞后效应参数的定量刻画以及不同半-非恒定净输沙率模式的构建,探讨了现阶段需要着重解决的关键问题。指出未来需要重点研究不同波况(包括波浪破碎、长波、波流相互作用等)下颗粒的起动延迟或沉降延迟造成的非恒定输沙过程的动力机制,准确刻画泥沙在波浪前、后多个半周期内的交换关系并将其反映在净输沙率的计算公式中;此外还需要深入研究非均匀沙的非恒定输沙过程(包括垂向分选等),并构建相应的净输沙率计算公式。     

黄河下游"多来多排"的输沙机理与不淤河槽设计

冲积河道的水力几何形态在不同流量时的变化,是床面形态由沙纹逐渐进入高输沙动平整床面,引起的动床阻力变化的结果。当床面形态处于不稳定状态时,河床阻力的变化使水流处于不稳定状态,形成假潮。床面处于高输沙动平整状态时,床面上存在着强烈的底沙运动,较床沙细得多的悬沙不会在河床上落淤,故形成了悬沙“多来多排”的输沙特性。因此,床面进入高输沙动平整的水流条件是控制河床不淤的临界条件。在黄河下游床沙组成的条件下,其流速1．8～2．0m／s可作为不淤设计参数,在比降一定的条件下,可设计出不同输沙流量时的河槽宽度。     

关于沉沙池计算中的水流挟沙力

一度流超饱和输沙法是考虑了超饱和输沙特点的泥沙沉降计算方法．沉沙池内水流挟沙力是一定水力和床沙组成条件下水流挟带床沙质的能力．从已建沉沙池沉降标准、池内设计水流水力以及床沙组成条件来看，沉沙池运行前期、中期水流挟沙力一般都很小．用一度流趋饱和输沙法计算沉沙池沉降率时可不考虑水流换沙力的影响．均匀流条件下，用不考虑挟沙力和考虑挟沙力的一度流超饱和输沙法分别计算沉沙池的沉降率，二者相对误差取决于挟沙力与进口含沙量之比，该比值小于0．2时，相对误差小于20％．沉沙池内挟沙力与进口含沙量之比小于0.2时，用一度流趋饱和输沙法计算沉沙池的沉降率，可不考虑水流挟沙力的影响．     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

黄河利用洪水排沙不必刻意拦粗排细

简要总结我国在黄河泥沙输移方面的研究成果,根据笔者多年的研究,得出如下结论:可以利用高含沙洪水输沙入海,适宜输送的不是低含沙量的水流,而是含沙量大于200 kg/m3的高含沙水流。黄河下游洪水期窄深河道多来多排的输沙特性是造成河道多来多排的机理,在低含沙水流时水流的流速达到1.8~2 m/s,床面进入高输沙动平整状态。不仅全沙如此,造床质泥沙(d>0.025 mm的粗泥沙)也存在着同样的输沙规律。小浪底水库的泥沙多年调节,充分利用下游河道的洪水输沙潜力输沙入海,是解决黄河下游泥沙问题和节省输沙用水的有效技术途径。平水年、枯水年小浪底水库不排沙,全部水量用于兴利和环境用水,利用洪水排沙不必刻意拦粗排细。     

不均匀沙的推移质输移规律的研究

本文详细地分析了不均匀沙与均匀沙起动和输移规律的主要不同点,指出:不均匀沙的起动和输移过程又是一个床沙粗化或细化过程,两者互相制约,具有不恒定的特性(如间歇性、阵发性和运行轨迹Z形性等),使得不均匀沙的起动和输移复杂多变,与同粒径的均匀沙相比较,较细颗粒的起动流速高于均匀沙;较粗颗粒的起动流速又低于均匀沙,这一临界粒径的大小,随不同的床沙而异,床沙越粗、组成越不均匀,粗化作用越大,这一临界粒径也越大, 文中以实测资料揭示了目前我国常用的起动和输沙率公式计算值与实测值难于符合的问题,对文献[5]、[6]提出的不均匀沙的起动和输沙率公式的主要参数进行了分析和肯定,不足之处予以修正,并用常规测量或同位素追踪测量沙波形态、连续性、运行速度和波体容重所得的推移质输沙率和坑测输沙率资料进行分析验证,结果吻合良好,最后对本研究领域需要深入研究的关键问题提出建议,     

珠江三角洲西、北江干流水道水沙净输运机制分析

珠江三角洲西、北江干流水道是三角洲主要的输水输沙通道。该区域洪潮交叠、海陆交汇,水流特性复杂。对珠江三角洲西、北江干流水道枯季大小潮实测数据进行物质输移量分解,计算分析区域余流值及悬沙输运机制。结果表明:研究区域受径流影响程度超过潮流,而北江干流受潮流影响程度超过西江干流;悬沙输运中,欧拉余流悬沙输移为区域悬沙输移的最主要控制因素,斯托克斯漂移、潮汐与悬沙含量潮变化相关项、垂向净环流对悬沙输移也有一定影响。     

推移质动床模型中模型沙运动比较研究

模型沙的选择是推移质动床模型试验中一项关键技术,直接影响推移质运动的相似性和河道冲淤趋势与量级的判断。整理以往的研究成果,结合概化动床模型试验,从起动条件、输沙强度和沙波形态三个方面对比精煤和天然沙这两种典型模型沙的运动特性。研究表明,精煤为代表的轻质沙与天然沙在起动条件和输移强度方面基本类似,都能模拟天然河道中的推移质起动和输移现象,但是在较大水流强度时形成沙波形态后,在波高、波长等几何形态上存在明显差异,对床面阻力的准确模拟有一定影响。因此,遇超过沙波临界条件的较大水流强度时,宜采用天然沙作为动床模型沙模拟推移质运动。该研究成果可为推移质动床模型选沙和设计提供参考依据。     

伶仃洋洪季悬沙分布特征及变化过程分析

根据珠江三角洲伶仃洋河口2003年洪季(7月)潮流、泥沙和盐度现场观测资料,通过对悬沙分布特征及变化过程进行深入分析,结果表明:伶仃洋河口洪季的悬沙浓度在径流、潮流作用下具有明显的潮周期变化,泥沙再悬浮多发生在落急、涨急后1～2小时;在0303站附近形成最大混浊带,在最大混浊带上游段,呈现涨潮优势沙,泥沙净向陆输移,而下游段,呈现落潮优势沙,泥沙净向海输移;泥沙纵向输移机制分析表明,拉格朗日输沙、潮汐捕集输沙和垂向净环流输沙是伶仃洋泥沙运动的主要形式.     

博贺湾海域悬沙输移机制分析

根据博贺湾海域大潮期间的水文泥沙实测资料,采用悬沙通量机制分解法将悬沙净输移通量分解为多个动力项,并分别从平流输沙、潮泵输沙和垂向净环流输沙三方面分析了悬沙输移机制。结果表明:博贺湾海域大潮期间拉格朗日余流基本沿涨潮方向,离岸越远,余流值越大,欧拉余流大小与拉格朗日余流相近,斯托克斯余流接近于零;平流输沙在悬沙净输移中占主导作用,其中欧拉余流输沙作用方向与涨落潮优势流相关;博贺湾海域潮泵效应输沙作用不强,潮泵作用由涨落潮潮流和含沙量在潮周期的不对称性引起;垂向余环流输沙作用很弱,垂向净环流输沙和拉格朗日余流和含沙量的垂向分布有关。     

水下移动射流冲蚀沙床的试验研究

为研究移动射流冲蚀效果和泥沙输移的影响因素,开展了不同射流喷嘴移动速度和沙床坡度条件下的二维平面移动射流冲蚀沙床试验研究。试验记录了不同射流工况下的泥沙输移过程及异重流的运动规律,分析了泥沙输移及异重流运动随射流喷嘴移动速度、沙床坡度的变化规律,讨论了异重流运动和泥沙淤积形态的物理机制。结果表明:水下移动射流冲蚀沙床能够形成异重流,可实现淤积泥沙的起动并输移一定距离。泥沙淤积轮廓剖面具有相似性,各工况平均输移距离近似相等,沿程累计泥沙相对输移量分布与泥沙粒径分布相似。泥沙相对输移量与射流喷嘴移动速度和沙床坡度呈正相关,但当沙床坡度大于10‰后,坡度影响不再显著。     

椭圆余弦波作用下沙纹演化的试验研究

在波浪水槽中对椭圆余弦波作用下沙纹形成及动力机制进行试验研究。采用不同粒径(0.16mm、0.4mm、1mm)的3种非粘性泥沙在相同的条件下进行试验,随着粒径的增大,泥沙越难起动,观测范围内的沙纹个数也越多,相应的尺度越小。对粒径为0.4mm的泥沙进行研究,得出沙纹波长、波高与时间成正弦周期关系。对比平底和沙纹波谷的近底剪应力,沙纹波谷处的剪应力是平底时的1.4倍。沙纹的成因不单是水流与泥沙相互作用的结果,其周期性还受反射波的影响。沙纹波陡与波浪水质点近底床水平运动方向的轨迹直径、波浪流的无量纲切应力等呈函数关系,其对称性与波浪的底部质量输移速率和水质点近底床的水平方向运动速率的比值有关,随着比值的增大,沙纹的不对称性增大。     

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题，及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响，本文给出出非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组，并考虑了移质不和饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。在求解水流泥沙运动方程时，采用控制体和只法及动边界技术，对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长度尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边变化等等困     

Einstein均匀沙推移质输沙率公式的修正

为更好地完善推移质输移理论,采用无后效的Markov过程描述床沙、推移质和悬移质运动的随机性,推导了新的推移质输沙率公式结构.引入隐蔽角的概念,进一步量化分析床沙位置分布特性.采用全概率泥沙起动概念,推导了考虑水流条件随机性和床沙位置分布特性的泥沙起动全概率.基于垂向脉动流速,得到了泥沙起悬概率,最终构建了新的推移质输...     

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。     

均匀流条件下沙卵双峰型推移质输移特性试验研究

根据长江上游宽级配不连续床沙结构,概化为沙卵双峰泥沙。通过推移质输移特性水槽试验,体现了沙粒和卵粒的相互隐暴作用。对比分析了采用王兴奎公式和孙志林非均匀沙分级输沙率公式计算沙卵双峰泥沙输沙率的方法。在王兴奎公式的基础上引入考虑隐暴系数的水流参数来计算沙卵双峰泥沙输沙率,通过误差对比分析说明修正后的王兴奎公式计算结果与实验数据更加吻合。     

黄河三角洲强侵蚀岸段海域的悬沙输运机理研究

基于2010年10月黄河三角洲强侵蚀岸段海域各站位的现场水文观测资料,分析了各站位流速和悬沙浓度的垂向分布,并采用水深对瞬时物质输移量分解法,估算了各站位的余流、单宽净输水量和悬沙单宽净通量以及潮流输沙各影响项的贡献。结果表明:研究海域潮流为流向与岸线大致平行的往复流,各站位潮周期内垂向流速的空间分布表现为十八井外海域的最大,其次为刁口河外海域,最小的为五号桩外海域。潮周期内单宽输水量的空间分布为十八井和五号桩外海域的较大,刁口河外海域的较小,且输水方向与欧拉余流方向一致。悬沙输移量分解计算表明各站位潮流输沙的主要贡献项为平均流输移项(T1)和斯托克斯漂移项(T2)。研究海域13m水深以浅区域的底沙可在相应区域的常见波浪作用下起动、悬浮,被潮流输运,造成水下三角洲侵蚀,这与根据1976-2005年的实测水深资料分析的结果相吻合。     

长江河口北槽近期盐淡水混合与悬沙输运研究

基于2013年枯季大潮期间在长江口北槽河道现场定点观测数据(包括潮流、悬沙浓度、盐度),通过对盐水入侵影响水流结构及泥沙运动过程的分析,对北槽河道盐淡水混合与悬沙输运进行了研究。结果表明:观测期间,北槽河道纵向及垂向受不同程度的盐度梯度影响,涨落潮过程中垂线流速不再保持无潮河流的分布规律,河口水流结构发生改变,促使出现上层水流向海、下层水流向陆的河口环流。在多重因素作用下,特别是环流阻碍了河流泥沙的正常下泄,并有利于底层泥沙上溯,出现上层输沙向海、下层输沙向陆的现象。各段河道中,垂向净环流项均向陆输沙,但向海的平流输沙及潮泵输沙作用更强,所以观测期间悬沙表现均为向海净输移。