天然河流沙质河床上器测推移质输沙率含义的商榷

作者基于天然河流沙质河床上的推移质和悬移质两类运动形式的泥沙,不存在一个能够截然划分的界面,认为在沙质河床上利用推移质采样器实测的推移质输沙率,其组成不都是推移质泥沙,其中尚包括悬移质中的床沙质泥沙。为此,本文分析了长江中游干流宜昌和汉口水文站河段利用推移质采样器实测的推移质输沙率和与之相应测次的、按测时水沙条件计算的临底流层内悬移质中床沙质泥沙输沙率的相关关系,论证了沙质河床上器测推移质输沙率中推移质泥沙和悬移质中床沙质泥沙组成的机理。     

怒江中游河段推移质输沙率计算公式的试验研究

采用五类推移质输沙率公式中各具代表性的公式对怒江中游河段推移质输沙率进行计算,同时,通过推移质泥沙输移水槽模拟试验,对怒江中游河段的不同流量级的推移质输沙率进行了分析研究,并与上述推移质输沙率公式计算结果对比分析,得出了适合怒江中游河段的推移质输沙率公式,为该河段推移质输沙率计算提供了可行的计算方法.     

北江下游推移质输沙研究

采用数值模拟与实测资料相结合的方法研究了北江下游推移质输沙率公式的适用性、洪枯季推移质输沙率及空间分布。结果表明以切应力为主要参量的推移质输沙率公式较适用于北江下游河道,洪季Bijker公式、枯季Van Rijn公式计算误差较小。石角断面洪季推移质输沙率为9.06万t/月,枯季为2.43万t/月,年推移质输沙量为49.54万t。推移质输沙主要集中在大塘以上河段,洪枯季均在山塘上游、廻岐洲、界牌洲等处出现输沙率峰值,大塘下游推移质输沙较弱。水面比降是推移质输沙率沿程变化的主导因素。     

非均匀推移质瞬时输沙率试验研究

推移质输沙率是泥沙运动力学的重要内容。目前,推移质输沙率的研究大多集中于时均输沙率,对瞬时输沙率的研究则相对较少。首先,介绍了Ballio提出的均匀沙瞬时输沙率的计算方法,对其进行推导得到非均匀沙瞬时输沙率计算公式;其次,通过非均匀沙水槽试验中得到不同颗粒泥沙的瞬时运动速度,代入改进的Ballio输沙率公式中,计算得到瞬时输沙率;然后,采用定义方法计算瞬时推移质输沙率,并与Ballio方法进行比较,结果表明两种方法得到的推移质瞬时输沙率较为接近,说明采用改进的Ballio方法计算非均匀推移质瞬时输沙率是可行的。同时,通过大量试验,揭示了非均匀推移质瞬时输沙率在时间上不稳定性、在空间上不均匀性以及运动过程中间歇性等特性。     

沙质河床推移质输沙率计算研究

沙质河床推移质输沙计算无论在河流动力学的基本理论研究,还是在工程应用方面都有重要意义。本文回顾了前人主要研究成果,认为因推移质输沙率测验精度低而使现有公式多不适用于典型沙质河床,故在阐明推移质与悬移质泥沙交换运动机理基础上,借助因测验精度较高而在学科研究较成熟的悬移质含沙量垂线分布公式,通过向河底外延推求出推移质泥沙输沙率,并充分考虑泥沙粒径、水流强度及水力摩阻特性对沙质推移质输沙厚度的影响,得到了物理概念清晰、形式较为简明的沙质推移质输沙率公式。通过黄河细沙河床实测资料验证结果表明,本文建立的公式比前人推移质输沙率公式具有较高计算精度,可以应用到推移质输沙率测验精度不能保证的沙质河段的河床变形计算。     

总输沙量与实测悬移质输沙量比值的计算及其应用

一、问题的提出 目前施测推移质输沙率的方法虽然很多,但都存在着不少问题.特别象山丘地区一些暴涨暴落的中小河流,推移质测验更难以取得满意成果.所以许多河流至今仍然缺少实测推移质沙量资料.同时在悬移质输沙率测验中,由于受采样器条件的限制,实测临底悬沙资料亦多尚付阙如.     

推移质输沙率公式比较与分析

推移质输沙率是河流动力学中一个十分重要的问题。本文在前人研究推移质输沙率的基础上,总结了6个典型的推移质输沙率计算公式。把单宽输沙率都统一转化成推移质输移浓度的形式,并运用大量的试验水槽资料验证比较。比较结果表明,相对误差最大的是恩格隆公式,高达118.6%;相对误差最低的为梅叶-彼德公式,为39.1%;精度由高到低依次为Meyer-Peter公式,窦国仁公式,Ackers and White公式,Yalin公式,Sharmov公式,Engelund公式。该研究可为工程人员选择公式提供参考。     

岷江都江堰河段推移质输沙率和输移量的分析

本文用统计方法分析岷江都江堰河段1975年至1983年的卵石推移质实测成果,得到了该河段的卵石推移质输沙率分布函数的表达式和年输沙量的频率分布,初步揭示了该河段卵石推移质运动的随机特性,可供都江堰工程改建设计和分析其他河流卵石推移质实测成果的参考.     

沙质推移质干、湿沙重量系数的率定

推移质输沙率的测验是直接测出单位宽度(采样仪器进口宽度)的推移质输沙率。因此,在进行这项测验工作中,经常遇到的一个很难解决的问题是沙量多,难以处理。目前应用较广泛的y-78-1型采样器测一次全断面推移质输沙率,每根垂线至少要测三次,若三次测到的沙重相互比较超过了允许范围则要另加测次数。尤其是在沙峰时,每次采样沙重有十几斤重,整个断面的沙量就可想而知了。这样多的沙量倘若仍用烘干,”置换等老方法求得干沙重量,不但需要很多的人力,也不可能有如此多的设备,特别是在无电源和无烘箱的测站更是无法开展工作。     

河道输沙率的紊动

本文根据天然河道输沙过程实测资料的统计分析,得出了悬移质,沙质推移质与卵石推移质的输沙率紊动分布及其统一的分布律。从而进一步阐明了它们的紊动特征与运动图式,并据此分析了推移质的紊动对工程实际的巨大影响。     

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。     

考虑推悬运动特性的全沙数学模型

本文分析了推移质和悬移质的运动形式，运动区域、运动规范、能量来源、挟沙能力及其计算公式，造床作用大小、断面冲淤分布、冲淤同步性、孔隙率、泥沙级配的计算方法以及实测资料所提供的初始边界条件等的不同，提出一个考虑推移质和悬移质不同运动特笥的一维全沙数学模型，其建模地基本思路是：在水流部分计算之后，将程序分两个循环，采用各自的计算方法，分别计算推移质和悬移质在同一水流条件下的上游来沙量、水流挟沙能力、断面实际输沙量、断面冲淤面积、新泥沙级配、冲淤厚度的横向分布、泥沙孔隙率，然后半它们的冲淤厚度按其非孔隙部分为权进行迭加，作为冲冲淤厚度。本文还提出了悬移质冲淤厚度横向分布公式，冲冲淤厚度迭加公式，本模型的计算结果与重庆两江汇合口河工模型试验成果，进行了比较，符合程度较好。     

A method for improving predictions of bed-load discharges to reservoirs

Effective management options for mitigating the loss of reservoir water storage capacity to sedimentation depend on improved predictions of bed‐load discharges into the reservoirs. Most predictions of bed‐load discharges, however, are based on the assumption that the rates of bed‐load sediment availability equal the transport capacity of the flow, ignoring the spatio‐temporal variability of the sediment supply. This paper develops a semiquantitative method to characterize bed‐load sediment transport in alluvial channels, assuming a channel reach is non‐supply limited when the bed‐load discharge of a given sediment particle‐size class is functionally related to the energy that is available to transport that fraction of the total bed‐load. The method was applied to 22 alluvial stream channels in the USA to determine whether a channel reach had a supply‐limited or non‐supply‐limited bed‐load transport regime. The non‐supply‐limited transport regime was further subdivided into two groups on the basis of statistical tests. The results indicated the pattern of bed‐load sediment transport in alluvial channels depends on the complete spectrum of sediment particle sizes available for transport rather than individual particle‐size fractions represented by one characteristic particle size. The application of the method developed in this paper should assist reservoir managers in selecting bed‐load sediment transport equations to improve predictions of bed‐load discharge in alluvial streams, thereby significantly increasing the efficiency of management options for maintaining the storage capacity of waterbodies.     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

珠江磨刀门河口洪季悬沙与沉积物颗粒度分布及交换过程

基于洪季磨刀门河口实测水沙观测资料和河床表层沉积物数据,通过对不同区域不同时刻悬沙浓度和粒度、沉积物粒径组成分析,运用因子分析和粒度谱等统计计算方法,重点研究近期洪季磨刀门河口及滨海水域悬沙与河床沙交换过程及其动力机制。结果表明:磨刀门河口拦门沙内河道及汊道口区域的动力以径流为主的涨落潮流流系,悬沙与河床沙交换过程较弱;拦门沙浅滩区域泥沙运动表现为"波浪掀沙,潮流输沙"特性,再悬浮泥沙平均量占实测悬沙浓度的32%;拦门沙外滨海水域悬沙组成受径流与潮汐相对强度影响显著,构成上大潮时以再悬浮泥沙为主,小潮时则以径流下泄悬沙沉积为主,而悬沙输运方向受到东南向波浪和沿岸流控制。     

非均匀沙床面平衡浓度

根据近底非均匀沙交换的随机 力学模式首次从理论上建立起非均匀沙床面平衡浓度公式，将床面平衡浓度表示为起动、不止动和悬浮概率以及单步运动平均时间比B的函数关系。残差修正灰色系统模型和指数拟合关系用于悬移质平衡浓度竖向分布实测资料以获得床面平衡浓度值，据此确定理论公式中的参数B.床面平衡浓度计算与“实测”值比较结果令人满意，意味着本文提出的公式是合理的，可作为悬移质运动微分方程的底部边界条件。     

非均匀沙的运动机理及输沙率计算方法的研究

本文较为系统地研究了非均匀沙运动机理及输沙率的计算方法，在建立泥沙运动交换模式的基础上，指出现有非均匀泥沙动动流速公式存在的不足并对此作了修正，然后分别讨论了推移质分组输沙率、悬移南分组兵沙力和全沙输沙率的计算方法，得到的有关公式均用实测资料作了验证计算，结果表明它们是合理、可靠的，可在理论研究和生产实践中参考应用。     

长江上游泥沙输移比初探

首先阐述泥沙输移比界定的三个条件一是粒级 ,二是时间 ,三是空间 ,在此基础上讨论了长江上游泥沙输移比研究中存在的主要问题是缺少可靠的侵蚀产沙量 ,对悬移质和推移质的分界线不明确 ,对坡面侵蚀产沙和重力侵蚀产沙在总输沙量中的权重缺少量的概念 ;针对上述问题对河道及沟道泥沙输移比的推理分析 ,再根据反映泥沙输移比的形态指标的定性分析 ,认为长江上游除丘陵宽谷区泥沙输移比会小于 0 .5外 ,高中山区长时段的泥沙输移比都接近 1(不包括泥石流在内的重力侵蚀 )。     

山区河流河床形态对推移质输沙率影响的试验研究

为探索山区卵砾石河流推移质运动受水流条件和河床形态的影响规律,开展了大比降浅水流动条件下卵砾石输移的室内水槽试验,获得了两组泥沙组成的19个流量条件下的水流、泥沙及河床三维地形场数据。结合室内水槽试验及文献中的天然河流输沙观测数据,分析了不同水沙输移阶段水流阻力、河床形态与推移质运动之间的关系。试验结果表明:河床阻力系数随着河床形态强度参数增大而增大,形态阻力与河床形态强度参数相关性更强。在泥沙补给充分阶段,推移质输沙率与床面阻力、形态阻力及河床形态强度参数均呈正相关关系;在泥沙补给不充分的水流冲刷阶段,推移质输沙率随河床形态强度参数增大而减小。     

Analysis of Bed Load Equations and River Bed Level Variations Using Basin-Scale Process-Based Modelling Approach

Bed load transport is a key process in maintaining the dynamically stable channel geometry for restoring the form and function of river ecosystems. Bed load consists of relatively large sediment particles that are moved along the streambed by rolling, sliding or saltation. Currently, various empirical correlations are used to estimate bed load transport rates since no single procedure, whether theoretical or empirical, has yet to be universally accepted as completely satisfactory in this aspect. Bed load particles are primarily sourced from river bed materials or banks. The amount of bed load and its spatial distribution contributes significantly to river bed level changes. Hillslope sediment contribution, mostly available to the river in the form of suspended load, also plays an important role in river bed level changes. This study aims to analyse different bed load equations and the resultant computations of river bed level variations using a process-based sediment dynamic model. Analyses have revealed that different bed load equations were mainly deduced from the concept of relating bed shear stresses to their critical values which are highly factored by the slope gradient, water discharge and particle sizes. In this study, river bed level variations are calculated by estimating total surplus or deficit sediment loads (suspended loads and bed loads) in a channel section. This paper describes the application of different widely used bed load equations, and evaluation of their various parameters and relative performances for a case study area (Abukuma River Basin, Japan) using a basin-scale process-based modelling approach. Relative performances of river bed level simulations obtained by using different bed load equations are also presented. This paper elaborates on the modelling approaches for river bed load and bed level simulations. Although verifications were not done due to unavailability of field data for bed load, qualitative evaluations were conducted vis-à-vis field data on flow and suspended sediment loads as well as the bed loads presented in different past studies.