黄河“02.9”洪水期下游引水对河道冲淤的影响

在系统分析黄河小浪底水库2002年9月异重流小流量排沙期水沙演进、河床冲淤与沿程引水引沙情况的基础上,采用非恒定流准二维水沙数学模型,计算分析了下游沿程引水对河道演变的影响.计算结果表明,虽然异重流排出的悬沙组成很细,但由于流量不大,水流仍处于超饱和输沙状态;洪水期两岸的引水量占水库下泄水量的比例很大,大量泥沙被引到堤外,与不引水相比较,河道淤积减少.     

异重流非饱和非均匀沙含沙量的沿程分布规律

从悬移质运动一般扩散方程出发 ,考虑到异重流沿程不断淤积 ,含沙量不断变化 ,而且粒径沿程也不断细化 ,通过简化方程 ,推导出一维非饱和非均匀沙异重流含沙量的沿程分布方程式 .通过水槽实验资料和实测资料验证 ,认为公式与实际符合较好     

考虑干支流倒回灌的小浪底水库异重流模拟

小浪底水库支流众多,支流库容占总库容的41.3 %,干支流倒回灌对干流洪水演进和库区淤积过程有重大影响,为此本文提出了考虑干支流倒回灌影响的水库一维明流及异重流耦合模型。推导了不同类型倒回灌引起的水沙控制方程附加项,并提出了相应的水沙耦合形式的浑水明流与异重流控制方程。针对不同的倒回灌形式提出相应的倒回灌流量计算方法：对于干流水位涨落引起的干支流倒回灌,提出了零维水库法在使用有限体积法的数学模型中的实现方法;对于异重流向支流的倒灌,采用考虑支流底坡影响的异重流倒灌流量公式计算。将这两种方法与已建立的水库一维明流与异重流耦合模型结合,模拟了2006年小浪底水库调水调沙实验的完整过程,对库区内水位下降、上游段冲刷及人工异重流形成与发展均做出了较为准确地模拟。模拟结果显示,干支流倒回灌过程对于异重流厚度变化过程和调水调沙出库沙量有显著影响,对于汛前泄水阶段库区水位下降速度也有一定影响,支流淤积在一次异重流过程淤积总量中可达43.5%。相对于简化干支流倒回灌过程的计算方法,该模型对异重流排沙比的预测效果更好,证明其有助于实现更加科学合理的调水调沙方案设计。     

支流入汇对汉江中下游的影响

在实测资料和前人研究的基础上研究了支流入汇对汉江中下游水沙条件、河床演变以及河流功能维持的影响. 支流的沿程汇入改变了干流的水沙条件,包括流量、流量过程、含沙量及来沙过程. 支流入汇和河岸、河底侵蚀一起,是影响下游河床演变、维持河道功能的重要因素. 南水北调中线工程实施后,支流入汇对汉江中下游的重要性更趋凸现,配合南水北调工程对支流进行适当的综合规划治理可兴利除害.     

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。     

数学模型在黄河下游河道洪水演进预报中的应用

采用非恒定输沙洪水演进数学模型,开展了黄河下游河道1997年汛期洪水演进预测、1998年汛期洪水演进实时作业预报、2002年调水调沙跟踪模拟、“04.8”洪水演进过程中洪峰异常增值现象模拟等计算,为当年汛期防洪调度提供了重要参考数据。计算结果与洪水过后当年实测资料对比认为,该模型能准确模拟出黄河下游河道洪水水沙演进传播过程、沿程水位变化过程及河道冲淤演变过程,并能较好的预测出洪水演进过程中出现的异常现象,计算精度能够满足汛期防洪的要求。     

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。     

珠江南河道平面二维非恒定流水沙数值模拟

基于贴体正交曲线坐标系下沿水深积分的平面二维非恒定水沙数学模型对珠江南河道水沙运动和泥沙冲淤进行了数值模拟,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响,针对河口泥沙双向交换的特点,对泥沙冲淤函数φ作了改进,对挟沙力级配公式进行了调整,改进了现有模型,并利用河段实测水文资料及原型观测数据对模型进行验证,结果表明,模型计算的沿程水位、流速分布和泥沙输移以及河床冲淤演变与资料符合较好。     

黄河下游河道汛期输沙水量及输沙效率分析研究

利用小浪底、花园口等水文站的水沙资料,计算黄河下游河道各水文站不同运用时期的输沙水量及其占对应时期径流量的比例,探究河道的输沙规律及影响因素。分析发现,黄河下游河道汛期冲淤平衡时,各水文站输沙水量与小浪底水文站的水沙指标具有较好相关性,总体上随径流量、流量和来沙量的增加而增加,随含沙量和来沙系数增加而减小并趋于稳定,输沙水量占径流量的比重随含沙量和来沙系数增加而增加并趋于稳定。这表明,黄河下游在汛期输沙水量较为稳定,且输沙水量较小,输沙效率高。通过小浪底水沙过程调配,达到了黄河下游河道水沙资源优化配置的目标。     

小浪底水库异重流特点分析

主要分析了2001年小浪底水库异重流的运动规律、潜入点位置、传播时间及来水来沙情况，并针对小浪底水库水沙情况，从增大排沙比方面提出了本次异重流小浪底水库下泄水沙的合理匹配关系。     

陡坡河道透过性坝阻水效应及沿程水深预测方法

透过性坝是一种泥石流防治工程措施。对于少沙陡坡河道,透过性坝主要发挥其阻水功能。本文开展概化模型试验,研究陡坡河道透过性坝的阻水效应。在不同坝体透水率与上游流量下,测量透过性坝上游自由出流区、坝前壅水区和下游水流充分发展区的水深。建立了上游自由出流区与下游水流充分发展区的水深预测模型。基于能量方程,提出了坝前壅水区沿程水深计算模型与壅水区长度预测方法。结果表明：坝体透水率和上游流量是影响坝前水深与壅水范围的两个关键参量。当透水率越小或/且上游流量越大,坝前水深越大,壅水范围越大。下游水流充分发展区水深主要与下泄流量和河道过流条件有关。采用本文30组试验数据对上游自由出流区水深、坝前壅水区长度与沿程水深及下游水流充分发展区水深的预测公式进行验证,结果表明公式可准确预测上述三个区域的水深及壅水长度。研究成果实现了透过性坝沿程水深、壅水区长度的准确预测,预测结果可为少沙陡坡河道中透过性坝的结构设计提供理论支撑。     

黄河下游河道泥沙粒径变化对小浪底水库调水调沙的响应规律

为研究黄河小浪底水库运用后泥沙粒径的变化规律,利用黄河下游花园口至利津间7个水文站的水文资料,分汛期、非汛期、调水调沙期3个时期,分析河道悬移质泥沙粒径变化与水库水沙调控的响应规律。结果表明:①悬移质中数粒径沿程变化不明显,7个水文站测得的年均中数粒径均集中于0.05 mm以下,河床质中数粒径变化呈现沿程衰减的趋势,各时期河床质平均中数粒径均变粗,河床存在不同程度的粗化现象;②小浪底水库坝前异重流以细沙为主,调水调沙期间各水文站测得的悬移质平均中数粒径低于全年的平均水平。孙口水文站以上河段测得的河床质平均中数粒径,调水调沙期的大于汛期的,孙口水文站以下河段测得的河床质平均中数粒径,汛期的大于调水调沙期的;③随着水库运用时间的增加,测得的悬移质中数粒径趋于稳定,孙口水文站以下河段测得的悬移质中数粒径与水库响应关系较弱。水库运用造成下游河道全河性冲刷,导致无论非汛期还是汛期与调水调沙期间,河床质中数粒径都逐年增大直至粗化现象停止。     

两步计算模式下的三门峡水库异重流模拟

摘 要：针对传统的水深平均异重流模型在实际应用中获取上游边界条件的困难,提出了两步计算模式下的水库明流与异重流耦合模型。浑水明流段与异重流段交替运算,利用潜入点弗汝德数与体积比含沙量的关系作为判别条件确定异重流段的上游边界位置与相应水沙条件,在设置下游边界条件时使用极限吸出高度公式计算异重流出流流量。采用该模型计算了三门峡水库两次异重流的形成、发展与消退全过程。模型预测的异重流潜入位置与观测结果一致,对库区内三个监测断面的异重流到达时间做出了较为准确的预测。计算的清浑水层交界面高程和含沙量过程与实测结果相符,模拟结果反映出浑水水库发生时异重流排沙效率降低的现象。因此该模型可用于水库异重流过程模拟和排沙方案设计。     

水沙两相流ASM模型在浑水异重流计算中的应用及模型试验研究

挟沙水流与清水相遇时,由于前者的密度比后者大,在条件合适的时候,挟沙水流就会潜入清水底部继续向前流动,形成浑水异重流,是泥沙运动的一种特殊形式。本文基于水沙两相流理论,将含沙浑水作为一相均匀流体处理,引入相间滑移速度的概念,建立混合相连续方程、动量方程、第二相的体积分数方程和相间相对速度方程的ASM（Algebraic Slip Mixture）两相流模型,并耦合求解水动力学计算的标准k-ε方程组。本文还介绍了针对异重流研究设计的多相流试验水槽及模型试验方法,对ASM模型计算的结果进行试验验证并分析模型适用条件。结果表明：该模型可以对异重流潜入,前锋形态及推进速度进行有效模拟;对Re数大于2000及含沙量高于1kg/m3的异重流条件可以进行较精确的模拟。研究为深入了解水库、湖泊及河流入海口水沙异重流问题提供了新的途径。     

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。     

水库异重流潜入运动数值模拟及影响因素

针对水库异重流的运动特性,采用变密度流方程结合RNGk-ε紊流数学模型建立了剖面二维湍浮力流模型,并对入库水沙条件对异重流潜入的影响进行分析.结果表明,模型能较好地模拟异重流的下潜过程,反映泥沙浓度场与流场的强烈耦合.引入的进口密度弗汝德数较好地反映了入库进口水沙条件,异重流潜入的特征参数潜入点水深、异重流厚度、无量纲潜行时间参数均随着进口密度弗汝德数的增大而增加,计算结果能为水库水沙调度提供定性参考.     

黄河下游漫滩洪水含沙量和级配变化研究

通过模型试验,研究了黄河下游夹河滩到高村断面河段漫滩洪水含沙量及颗粒级配的沿程变化规律。结果表明：（1）各种流量条件下,主槽含沙量沿程增大,但差别较大。（2）漫滩挟沙水流在滩区含沙量沿程衰减,在生产堤内及滩面衰减幅度较大,在二滩衰减幅度较小;同时,漫滩挟沙水流中的泥沙颗粒在落淤过程中有明显的分选作用。（3）二滩沿程含沙量衰减率与大河洪峰流量有关,流量越小,含沙量衰减越快。     

小浪底水库异重流持续运动条件的定量准则

异重流排沙是小浪底水库拦沙初期减少库区泥沙淤积的重要运用方式,异重流持续运动条件用于判断在不同水沙条件及库区地形条件下异重流能否运行到坝前而排出水库,是异重流排沙规律的主要研究内容之一.系统地总结了定性描述异重流持续运动条件的五方面内容,然后分析了现有异重流持续运动条件定量估计方法的不足.结合近年来小浪底水库异重流运行的观测资料,提出了用水流功率与库区平均水深定量表示异重流持续运动的临界条件,这种方法不仅考虑因素较为全面,而且能够充分反映库区地形特征对异重流持续运动的影响.     

单鳃片分离鳃有进出流时的水沙流场三维数值模拟

利用RNGk-ε两方程紊流模型和简化的多相流Mixture模型,模拟了单鳃片分离鳃装置有进出流时的水沙两相流流场．经分析表明,进出流的设置未破坏分离鳃装置中存在的垂向和横向两种异重流,不影响水沙分离效率,但泥沙大量淤积在分离鳃底部,未能及时有效地排出。     

底部倒灌异重流运动特性试验研究

以三峡水库支流库湾广泛存在的倒灌异重流为背景,构建室内物理模型,以入流量、初始水位、温度差3个主要影响因子,设计系列工况对底部倒灌异重流运行特性进行模拟试验研究,分析异重流头部移动速度、交界面高度、头部厚度等主要水力学要素的变化过程及受入流量、初始水位、温度差的影响规律.研究表明底部倒灌异重流头部移动速度沿程呈线性递减,头部交界面沿程呈线性升高,头部厚度沿程呈线性递减.异重流运动稳定后,同一断面处,异重流头部速度随入流量、初始水位及温差的增加而增大,交界面高度随入流量及初始水位的增大而升高;异重流头部厚度受初始水位变化影响最敏感,随初始水位升高而增加.