长江口河段近期冲淤演变过程及未来趋势预测

随着三峡及其上游梯级水库的相继运行使用,长江中下游输沙量锐减,坝下游河道发生长时段、长距离的冲刷,并快速向河口地区发展。研究长江口近期冲淤演变过程及主控因子,并对未来演变趋势进行合理可靠的预测,是当前河口演变及治理研究的一大难题。利用GIS方法定量分析了长江口河段(徐六泾至横沙)1997年以来的冲淤演变特征,在此基础上使用经充分率定和验证后的长江口年代际冲淤演变数学模型(Delft3D),预测至2030年和2050年长江口河段冲淤演变趋势。根据实测冲淤过程定量分析可知,1997—2015年长江口河段局部河势发生显著调整,整体呈冲刷下切态势,冲刷强度随来沙量减少而增大;其中,2010—2015年年均净冲刷量达0.75亿m3,且冲刷主要分布于10 m以下的深槽,浅滩以淤积为主。数值模拟预测结果表明:现状来沙量(1.25亿t/a)条件下该河段2015—2030年保持强烈冲刷;2030—2050年冲刷有所减弱,但在极端低来沙量(1.00亿t/a)条件下维持强烈冲刷,且存在由"淤滩刷槽"转变为"刷滩刷槽"的趋势。在自然条件及人类活动的双重影响下,河口冲淤演变过程复杂多变,作者所给出的演变趋势预测结果可为长江口综合整治提供技术支撑。     

黄河河口泥沙控制的模拟研究

为了深入研究河道治理和引渠设计等工程中的冲淤控制问题,根据泥沙冲淤的自组织特征,即河流所具有的冲刷与淤积间的反馈自调节机制,建立了河流网上泥沙输移的动力学模型.利用该模型通过调节输沙比例对黄河下游河道的减淤控制进行了数值模拟.分析表明,在清水期,干流河段的状态近似于稳态,此时可以通过调整某一支流的流量来减少下游的淤积;在由清水向浑水的过渡期,河流的冲淤状态处于瞬态,此时可以通过向位于开始淤积河段处的支流注入清水的办法,使下游河段由淤积转变为冲刷.该方法类似于近几年黄河上实施的调水调沙试验,即"大水冲刷,"但差别在于该方案是引清水,而调水调沙试验是加浑水.研究结果表明,针对不同时期的2种控制手段都能实现对下游河段的减淤增排,能够对相应的工程问题提供启示和借鉴.     

淮河中游蚌埠闸至老子山段断面法冲淤变化分析

根据河道实测资料,采用断面法分析淮河中游蚌埠闸至老子山段冲淤变化情况。结果表明,蚌埠闸至洪山头间的河道段,主槽在1971年—2001年间均呈冲刷状态,其中1983年-1992年间冲刷幅度最大,造成主槽冲刷下切的原因有自然冲刷和人工采砂两个因素。滩地在1971年-1992年间呈淤积状态,1992年—2001年间趋于稳定;洪山头至老子山间的入湖河口段,主槽和滩地在1992年—2001年间均呈淤积状态。     

利用涨落潮水流冲刷河口闸闸区淤积

河口挡潮闸闸区及其上下游河段淤积是冲积性河流河口比较常见的现象 .通过水槽模型试验 ,探讨了利用涨潮与落潮产生的潮位差冲刷闸区及其上下游河段河床淤沙的水力冲淤方式 ,对不同水力条件下水闸冲淤方式及冲淤效果进行了比较系统的研究     

黄河宁夏河段泥沙冲於变化计算分析

对黄河宁夏河段来水来沙、大断面、风积沙等实测资料进行了系统的整理分析,采用沙量平衡法和实测断面法分别计算了宁夏河段的冲淤量,两种方法计算的冲淤量非常接近.结果表明,黄河宁夏河段河道泥沙呈微於状态,其中下河沿至青铜峡段冲淤基本平衡,青铜峡坝下至石嘴山河段呈淤积状态.建议加快大柳树水利枢纽工程的审批力度,加强宁夏河道淤积观测,加速清水河的综合治理.     

平面二维全沙数值模拟方法及其应用

采用有限体积法对正交曲线坐标系下的平面二维水沙微分方程进行了离散,建立了平面二维全沙数学模型.在一概化的单边突然扩宽河道中对河床冲淤过程中悬移质含沙量及其级配、推移质输沙率及其级配、床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析,并模拟出了由河床冲刷引起的床沙粗化、抗冲层的形成过程以及河床淤积过程等泥沙特性的变化.数值计算结果表明,该模型在定性上能正确地模拟水流以及河床的冲刷、淤积过程.     

干容重取值对冲淤量影响的水槽试验

在系列室内水槽试验中,运用黄河天然沙,中值粒径0.072 mm,通过11组水流挟带泥沙自然淤积的方式分3种固结历时研究了淤积固结过程中干容重的变化,并用清水进行冲刷,重点探讨了干容重取值对冲淤量的影响.结果表明:淤积物干容重随淤积历时的延长而增加,并且越靠近出口,淤积物中值粒径越细,干容重稳定所需要的固结时间越久;计算冲淤量时选取实测值越多精度越高;而经验取值误差较大,甚至有可能出现定性错误;对于相同的淤积体积,淤积历时越长,淤积量越大;在淤积体积相同的条件下冲刷相同的体积,淤积历时短的冲刷量大.     

三峡水库回水变动区重庆河段泥沙淤积影响及治理

三峡工程按175 m方案蓄水后,随着水库运行时间的增长,重庆主城区河段的泥沙淤积将成累积性增加,边滩加高加宽,河床发生一定的演变,泥沙淤积将会对该河段的港口、航道和沿江市政基础设施和生态环境等造成一定的负面影响。综合各方面的研究成果,进一步加大长江上游的水土保持力度、采取建库拦沙及蓄水攻沙、根据泥沙淤积情况规划调整河道岸线,实施港口改造和航道整治等综合措施,是减少重庆河段的泥沙淤积,降低其负面影响的有效途径。     

长江分汊河口水力几何形态

为了揭示潮汐河口中居显著地位分汊河口的演变机理,减轻长江口深水航道淤积.基于积分形式二维连续方程、二维阻力公式、无因次宽深比关系与时变水流挟沙能力公式,建立分汊河口水力几何形态理论关系,且表明汊道与单一河道平均水深之比为分流比的2/7次方.据此计算获得了长江口拦门沙顶部最大平衡水深为6.91m,与长期实测的自然水深相一致,显示了水力几何形态关系的合理性.引入主槽流量比例概念,进一步修正水力几何形态关系,使之适合于丁坝作用河段.据此计算得到在一、二和三期治理工程后北槽的最大平衡水深分别为8.40、8.91和9.92m,为制定长江口治理方略提供了理论依据.     

河口节制闸下淤积及冲淤效果耦合模型计算

在潮汐作用下河口地区具有挡潮功能的节制闸闸下引河泥沙淤积现象十分普遍,泥沙淤积严重影响了其行洪排涝能力,危害极大.因此,研究闸下淤积规律、探讨科学的清淤措施具有重要的工程实践意义.分析闸下淤积规律,并预估了闸下淤积,在吸收经验模型和水沙模型的优点的基础上,建立了二者的耦合模型,模拟了部分开闸冲淤时闸下引河水沙运动.该模型与平面二维水沙模型相比简化了计算,且其计算精度满足工程应用的要求.通过计算比较多孔闸闸门全开及部分开闸的冲淤效果表明:对闸门上下水头差和闸内水量较小、闸下引河较短的情况,采取开启中孔闸的冲淤方式比多孔全开的冲淤效果好.     

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。     

黄河下游河道1952～2000年特征大断面变化特性

黄河下游河道滩区防洪形势的严峻性使下游滩区的治理受到广泛关注.针对这种现状,作者搜集整理黄河下游各大断面历年汛期实测资料以及断面资料,用Visual FoxPro程序建立数据库;采用断面法计算汛期特征断面冲淤量;通过分析各断面历年汛期冲淤面积和平均冲淤深度变化,分析了近50 a不同来水来沙条件下河道冲淤演变特点,得到不同来水来沙对河道冲淤影响的几点认识.     

水库下游清水冲刷影响下的河道调整规律研究

水库修建后,改变了河道来水来沙条件,建成初期,由于泥沙被拦截在库内,下泄水流基本为清水,一般会对下游河道造成一定程度的冲刷调整.采用平面2维水沙数学模型研究了大渡河某水电工程修建后,对下游河道的清水冲刷影响,分析了水位、流速、河床冲淤等参数在常遇洪水作用下的变化.研究表明,清水下泄可以带来下游河道断面形态的调整,河床总体冲刷下切,流速分布趋于均匀,水位明显降低.     

基于SFM地形测量多尺度河工模型结构变化研究

水沙运动造成的河床冲淤演变是自然界普遍存在的现象,常造成河道淤积、河岸变形、海岸后退、水库淤积库容减少等实际工程问题,其与水利工程的设计、建设和运行紧密相关。研究精确、高效的河床三维地形测量方法并分析冲淤量变化,对河工模型试验及实际工程应用具有重要意义。本文开展不同水流条件下的推移质输沙试验,基于SFM(Structure from Motion)方法,对动床床面冲淤前后分别进行三维地形重构,获取地形稠密点云。在此基础上,插入相同控制点获取实际地形三维坐标,并将三维点云坐标内插值在床面网格上,冲淤前后相减以精确获取整个动床床面冲淤变化。本文对应用SFM测量河床地形所涉及的拍摄方法、控制点选取、河道区域网格化及插值方法进行了介绍并总结了关键技术方法。研究结果表明：（1）通过SFM方法,首先通过对有无块状模型的棋盘格进行体积计算,验证本方法相对误差小于4%。（2）将SFM方法计算所得水槽试验冲淤量与实际称量值对比,其结果值相对误差小于5%。（3）本方法应用于大型河工物理模型试验时,其河床冲淤量计算相对误差小于10%。以上研究结果表明,该方法可应用于水槽试验和河床物理模型试验,能够快速高效重构冲刷前后河床三维地形,具有较高精度,为研究河床冲淤变化及水利模型试验开展提供新的思路和参考。     

堆积体作用下的河道冲淤规律

受地震、暴雨的影响,破碎的山体易发生滑坡、泥石流等,在河流岸边形成堆积体,改变了河道水流边界条件,引起堆积体附近的河道冲淤变化。本文通过动床水槽试验,结合前期堆积体定床试验研究成果,研究了堆积体附近河床变形与堆积体附近流速分区的对应关系,探讨了不同来流条件下受不同堆积体作用的河道冲淤范围、最大冲坑位置等的变化规律。得到以下主要认识：(1)受堆积体作用,靠近堆积边缘线略下游侧一般将形成明显的冲坑,淤积主要则集中在堆积体下游回流区;（2）河道的冲淤范围随堆积体尺度和来流流量的增加而增大;（3）堆积体附近水流的挤压,绕流掺混是形成堆积体附近河床变形的主要原因,水流的扩散调整则影响冲坑出现的位置。（4）最大冲淤位置主要受流量影响,而最大冲淤位置的间距则主要受堆积体尺度的影响。     

四面六边透水框架防护层稳定性试验

通过破坏性试验和冲淤水槽试验,对四面六边透水框架防护措施的稳定性进行研究.破坏性试验研究防护层破坏发展过程和破坏临界条件下来流摩阻流速与防护层参数之间的关系,冲淤试验研究防护层附近床面的冲淤变化特性.结果表明,防护层的稳定性与其布置形式及参数有关.流线型迎流面有利于框架群稳定.破坏临界条件下,来流摩阻流速与框架群密度呈正相关关系;且随来流水深与框架群厚度比值的增大先增大后趋向定值,分界点比值约为4.相对于实心体边缘的集中淘刷,框架群表现出"冲刷后移"现象,对边缘处的稳定相当有利;框架群内部产生的淤积现象亦增加稳定性,建议将防护对象置于框架群内部淤积区域,以达到更好的防护效果.     

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。     

三门峡水库蓄清排浑运用调洪演算预报的方法

近几年来 ,三门峡水库为了减少库区淤积 ,实现冲淤平衡 ,在运用中不断降低蓄水位和洪水起调水位 ,在洪水期敞泄排沙 ,使入库潼关站以下库区已非完全水库调节 ,而是河道调节与水库调节相结合。其调洪演算预报的方法 ,采用了“马斯京根河道流量演算法”和“蓄率中线调洪演算法”联合预报 ,并针对库容随洪水冲刷和蓄水淤积的改变的情况 ,用实时校正法加以解决 ,从而提高了预报精度     

交汇角度对黄河上游高含沙交汇区淤堵影响的试验研究

黄河上游支流——十大孔兑的高含沙洪水在入黄交汇区形成沙坝、淤堵干流的过程是一种典型的干支流交汇现象,对交汇区河床演变、防洪和工农业生产有重大影响,因此研究减轻高含沙交汇区沙坝淤堵的治理措施是一项十分必要和迫切的工作。本文通过模型试验研究了干支流不同交汇角度对孔兑与黄河高含沙交汇区沙坝淤堵规模的影响。模型试验以产生的高含沙洪水淤堵黄河干流次数最多、危害最大的孔兑之一——西柳沟与黄河交汇的干支流河段为模拟对象,采用黄河高含沙水流动床模型相似律进行模型设计,选取90°、60°、30°和15°作为试验交汇角度,分别开展了清水和浑水交汇试验,获取交汇区水流分区特性和沙坝淤堵规模特征。研究结果表明：随着交汇角增大,支流对干流的顶托作用增强,交汇口上游壅水区流速逐渐减小,水深增大;交汇角较小时交汇口下游形不成回流区,交汇角增大到30°以后回流区形成并随交汇角增大而增大,伴随着高流速带向对岸移动;壅水区和回流区沙坝尺度随交汇角增大而增大,交汇角较小时形不成壅水区淤积体和回流区淤积体,但易形成交汇口对岸淤积体,其尺度随交汇角增大而减小,与回流区淤积体互为消长。交汇口以上主槽的淤堵由壅水区淤积体构成,交汇口下游主槽淤堵由回流区淤积体和对岸淤积体共同构成,当交汇角为30°时交汇口上下游主槽总体淤堵规模最小。从河道淤堵规模和河岸稳定方面综合分析认为,在现状河道和水沙条件下,30°是有利于减轻孔兑与黄河高含沙交汇区淤堵的较优交汇角,这对交汇口河道整治具有重要指导作用。     

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。