基于泥沙状态概率的推移质输沙率公式

在Einstein床沙和推移质泥沙交换分析的基础上,考虑泥沙起悬对泥沙交换过程的影响,改进前人对泥沙交换现象的处理方法,得到了新的泥沙状态概率计算式;基于床面泥沙相对暴露度概念,计入床面泥沙随机分布特性,采用滚动模型,得到了泥沙起动概率;比对分析各家推移质泥沙运动速度公式,选择了更为合理的推移质运动速度计算方法,得到了新的无黏性均匀推移质泥沙输沙率公式。实测资料验证表明,该公式不仅与Meyer-Peter的实验资料符合良好,且对于低强度输沙情况,也具有较高的计算精度。     

推移质平衡输沙率公式研究

将确定性方法和随机性方法相结合,以单位时间内单颗粒泥沙的交换次数代替交换时间,基于颗粒受力平衡推导了推移质颗粒的平均运动速度。结合Bagnold水流功率和Einstein起动概率的基本概念,推导了一个推移质平衡输沙率公式。该公式的系数在临界起动时较小,但随水流强度的增加而增大,从而避免了诸如Meyer-Peter、Einstein、Bagnold、Yalin及Engelund等经典推移质公式难以兼顾低强度和高强度输沙率计算的问题。利用经典的推移质输沙率实测数据检验了本文公式,表明该公式具有较好的适用性。     

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。     

床面泥沙的状态转移概率与质量交换率

本文首先根据床面泥沙状态转移的临界条件建立起不同状态转移概率的计算公式,进而对不同运动形式的床面泥沙之间的质量交换率进行了探讨,并导出相应的计算公式.作为质量交换率的初步应用实例,文章最后讨论了平衡输沙条件下的悬移质挟沙能力和推移质输沙率的计算方法。     

基于全概率的推移质输沙率公式

对于床面泥沙而言,起动过程中主要受水流随机性及床面泥沙颗粒相对位置的随机性等两方面因素的影响,其中床面泥沙颗粒相对位置的随机性用相对暴露度表示。在前人研究的基础上,同时将水流的随机性及泥沙相对位置的随机性考虑到起动概率的研究中,采用滑动起动模型,从理论上推导出泥沙起动的全概率公式,弥补了已有研究的不足。然后根据Einstein的假定,从单宽输沙率的定义出发,引入泥沙起动的全概率,得到了床面上泥沙起动的单宽推移质输沙率公式及输沙强度计算公式;通过水槽试验及野外实测资料验证表明,本文公式结构合理,计算精度较高,适用范围更广。     

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。     

推移质中的几个理论问题研究

研究推移质中泥沙起动的起动标准、颗粒在床面位置、细颗粒的成因起动等问题,非均匀沙输沙率规律中的研究内容、目前研究的三个方面、推移质不平衡输沙问题,卵石推移质移动速度问题,推悬比对推移质淤积的影响,悬移质向推移质的转化,卵石河床上沙质推移质估计以及沙质河床推移质估计等七个理论问题.     

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。     

推移层厚度研究综述

泥沙颗粒按其运动形式及能量来源的不同,可以分为推移质和悬移质.其中,推移层作为推移质的运动范围,对于近底层泥沙运动等研究具有重要意义.本文综述了以往出现的各类确定推移层厚度的标准,如泥沙跃移高度、沙波高度、层移区厚度、床面粗糙高度等,并根据泥沙输移发展的顺序,论述和分析了各类标准的合理性及适用性.同时,阐述了悬沙输沙率计算中参考面高度的取值与推移层厚度的关系.     

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。     

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。     

全沙数学模型在港口环境评价中的应用

本文提出了用两相流连续方程、运动方程描述底沙推移质运动模型的方法，建立了封闭求解的二维全沙数学模型方程组，对悬沙与底沙的交换问题进行了讨论。引入了平衡挟沙和非平衡挟沙交替计算的新方法。将此模型初步应用于港口建设的工程环境评价中，得到水流泥沙实测资料的验证，说明全沙数学模型方法是正确的。     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

Estimating Sediment Budget at a River Basin Scale Using a Process-Based Distributed Modelling Approach

The paper presents a process-based distributed modelling approach for estimating sediment budget at a river basin scale with partitions of suspended and bed loads by simulating sediment loads and their interactions. In this approach, a river basin is represented by hillslopes and a network of channels. Hillslopes are divided into an array of homogeneous grid cells for modelling surface runoff and suspended sediments. Channels are defined by incorporating flow hydraulic properties into the respective hillslope grids as sub-grid attributes for modelling both suspended and bed loads. Suspended sediment transport is modelled using one dimensional kinematic wave approximation of Saint-Venant’s principles of conservation of mass and momentum. Transport capacity of runoff or streamflow is used to set the limit of suspended sediment transport rate. Bed load in channels is estimated based on the instantaneous water and hydraulic parameters. Fractional interchange between suspended load and bed load is then back calculated. The performance of the model was evaluated through a case study application in a large river basin in Japan. The model satisfactorily calculated the sediment transport and total sediment budget in the basin. The simulated bed load was found to be reasonable and consistent with the water flow and suspended sediment flux. The results showed the bed load can be expressed as a linear function of the suspended load. The fractions of different sediment loads also exhibit linear relationships with water discharge for the rising and recession limbs of the flood hydrographs. The case study has demonstrated that the process-based distributed modelling approach can efficiently describe the basin-scale sediment budgets with due consideration of the suspended and bed loads and their interactions in the hillslopes and channels.     

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。     

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.     

平衡状态下非均匀沙级配的分析研究

本文基于底沙运动交换模式，在平衡状态下由沙量守恒关系建立了推移质级配和悬移质挟沙力配的计算方法，并经实测资料的检验，计算结果表明：无论推移质级配还是悬移质挟沙力级配，计算值均能与实测值基本相符，表明它们是合理的，可在理论研究和生产实践中参考应用。