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。     

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。     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

山区松散排列泥沙床面河流阻力特性研究

河道阻力决定了河流流速与挟带泥沙的能力。然而与普通河流不同,山区河流的河道阻力比较复杂,床面泥沙排列密度对于河道阻力影响明显。试验资料表明,在低泥沙排列密度时,河道阻力随着排列密度的增大而增大,当达到最大值后,随着排列密度的增大呈现减小的趋势。利用程年生植被糙率尺度的概念,建立了适用于含有松散排列泥沙床面情形的糙率尺度。通过试验数据,确定了糙率尺度表达式中的待定参数,在f-r/k_v图上,建立的泥沙颗粒糙率尺度可以使所有的数据点归结到一条曲线上。最后,建立了适用于松散排列泥沙床面河道的达西阻力系数表达式。对于天然河流,本文建立的达西阻力表达式仍然具有较高的计算精度。     

山区多沙河流漂石河段洲滩发育特征试验研究

山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响,洲滩发育丰富,改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验,探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查,分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素,大量上游来沙在漂石河段落淤,河床内洲滩的大量发育。通过系列室内物理模型试验,分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给,导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径粗大,存在大量漂石,形成漂石河段。漂石河段水力要素多变,河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时,受漂石周围水流变化影响,漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主,下游段两侧淤积突出,极易形成漂石洲滩,从而增大局部河床比降,减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此,通过野外调查与室内物理模型试验,揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征,山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程,表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生突出影响。     

山区河流若干特性研究

本文在前人研究的基础上,从水道特性、汇流特性以及泥沙输移、级配特性等方面对山区河流作一初步研究,首次提出流域相对平均高差的概念以及单位面积上单位线单位时间上涨幅度的概念,并用来作为判别不同类型河流的主要依据;针对山区河流泥沙级配宽的特点,利用双曲正切函数曲线来模拟山区河流泥沙的宽级配曲线。     

山区河流河床形态与水沙变化下的水位响应机理研究

山区流域暴雨山洪、滑坡、泥石流等灾害频发,大量泥沙以不同方式进入河道,河床形态在极短时间内迅速调整。在宽窄相间河段水流输沙能力差异较大,展宽段常因挟沙能力的降低而淤高河床,致使水位陡增,引发洪水灾害。为探讨山区河流宽窄相间河段与泥沙补给变化下的水位变化致灾机理,以室内物理模型系列试验结果为依据,分析不同流量定床清水时河床形态参数与各水力参数的变化关系,以及泥沙补给变化对河床形态及水流参数的影响。试验表明：上游泥沙补给量及河床形态是影响水流流态、水位变化的重要因素;定床清水条件下,河宽与比降的局部急剧调整影响水流参数变化,水流对河床变化的响应具有滞后性;当上游有泥沙补给时,水深变化较清水来流明显;随着来沙量的增大,大量泥沙淤堵河道且呈现溯源淤积的趋势,并淤高河床;在淤积段顶端,水流发生水跃现象,水位陡增,甚至出现漫滩致灾。由此可见,上游来沙及水流挟沙能力的降低将引起河床不同程度的落淤,造成河床形态改变,特别是在宽窄相间河段泥沙易落淤,水位增幅较大,为洪灾泛滥区,应作为水沙灾害的重点防治区域。     

泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题,开展山区流域沙量补给条件变化下,山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理;探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件,是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。     

山区河流浅水河床漂石对局部水流结构影响试验研究

西南山区河道普遍分布着大量的卵砾石、漂石等大粒径床沙,漂石颗粒急剧调整局部水流结构与泥沙输移,从而制约着河床响应过程。以漂石河床水流结构为研究对象,结合野外典型河段调查和概化试验,利用3维多普勒流速仪（ADV）详细测量漂石区域的3维流速,探讨浅水条件下漂石颗粒对局部水流运动的影响。分析表明：漂石对水流结构的影响集中在其下游中心区域,尤其是远部尾流区内,其纵向范围主要集中在约–1<Δx/D<2区域,其中漂石附近的近底流速变化明显,远部尾流区边界高度也从受漂石影响较小的上游0.3～0.4倍水深发展到受漂石影响较大的下游0.5～0.7倍水深处;中心纵剖面紊动能和雷诺应力数值显著大于左右两侧,且其数值在漂石下游激增至1～10倍和1～16倍,两者出现峰值的位置都集中在漂石远部尾流区末端。研究还发现,漂石相对淹没度（H/D,平均水深与漂石有效直径之比）对漂石附近的水流结构有较大影响,随着相对淹没深度（H/D）的增加,其对流速、紊动能和雷诺应力的影响逐渐增强,在处于临界淹没度H/D = 1.2时最为强烈,之后强度递减。不同相对淹没度（H/D）下,流速、紊动能和雷诺应力恢复区长度相近,且与远部尾流区尺度变化基本一致。总体而言,漂石通过改变局部沿程流速、紊动参数和远部尾流区分布,从而显著影响浅水河床局部水流结构,其具体影响因子和响应规律有待进一步深入研究。     

山区河流水位流量关系曲线研究

受洪水涨落的水位流量关系呈现明显的绳套曲线,目前的研究大都基于平原河流,由于山区河流比降大、河床组成物质较粗,水流特性受到多方面因素的影响,故有些假设与实际河流情况不符,导致水位流量推求不太精确。因此本文考虑山区河流与平面河流的河床形态、泥沙粒径等方面的差异,引入了河道级别和泥沙粒径以区别山区河流与平原河流,结合简化后的圣维南方程组重新推导水位流量关系。通过山区河流和平原河流水文站的实测资料验证表明：该方法能较好地拟合相应河流横断面实测水位流量;在进行配线时,只需根据变化情况对参数做一些简单更正,具有实用性好、精度高以及适应性强等特点。     

青岛汇泉湾海滩地貌与沉积物变化特征探讨

2010和2011年两次对青岛汇泉湾海滩表层沉积物进行观察、取样,按照泰勒标准筛制对样品进行筛分与统计并作图分析,探讨了2种环境下的沉积物分布规律：在正常潮汐流作用下,在高潮线附近发育一个纵向沙堤,从岬角由近到远,沙堤的宽度与高度由大变小并逐步消失,沉积物粒度由粗变细;经过风暴流的改造作用后,原有沙堤被破坏消失,出现横向沙脊韵律地形,从岬角由近到远,沙脊规模先由小到大,然后再逐步变小。在横向上由岸到海,两种环境下形成的海滩表层沉积物均出现细→粗→细→粗→细的复杂变化。通过滨海潮间带海洋地质作用的影响因素综合分析,沙堤的纵向变化规律是在岬角地形背景条件下,不仅受沿岸流的控制,也受岬角物质供给的控制,具有双重控制特点;而在强大风暴流的改造下,海滩形貌被改造,原有沉积物经过搬运、再沉积,形成条形横向沙脊韵律地形;潮间带海滩表层沉积物粒度的复杂变化,特别是存在一个砂砾混合带,是潮汐进流与退流相互作用的结果。     

锁坝在河道整治、滩涂开发中的应用

结合实例,论述了锁坝在河道整治及滩涂开发中的作用及其经济和社会效益。     

山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究构想与成果展望

山洪灾害为全球重大自然灾害之一,本世纪全球因山洪灾害造成的经济损失已高达每年460多亿美元。我国山洪灾害防治区面积约占陆地面积的40%,山洪灾害造成的人员死亡约占洪涝灾害死亡人数的70%。近年来,我国全面开展山洪灾害防治项目建设,目前已基本建成了专群结合的山洪灾害防治体系,山洪灾害监测预警技术水平明显提升。山区暴雨山洪灾害实例表明,重大人员伤亡与重大财产损失的山洪灾害事件往往源于洪水和泥沙的共同作用,然而,以往在进行山洪灾害防治时,大多仅关注“洪水”的作用,忽视了“洪水和泥沙”共同作用将显著增大山洪灾害的致灾风险乃至出现“小洪水大灾害”。为了进一步提高山洪灾害防控能力和完善山洪灾害防御体系,亟需深入研究暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术。“山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究与示范”项目,以洪水和泥沙共同作用为切入点,凝练了四个需攻克的关键科学技术问题：1)山区暴雨作用下流域产流产沙异变机制、水沙过程与沟床剧变耦合致灾机制；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与致灾要素一体化智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)基于山洪水沙灾害动力过程的灾害风险动态评估与预警防控技术。围绕关键科学技术问题的内涵,提出五个需开展的重点研究内容：1)山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制研究；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)山区暴雨山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术；5)山区暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台构建与示范。研究成果将揭示山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制,提出山区暴雨山洪水沙灾害早期识别方法、山区暴雨山洪水沙灾害智能监测技术体系、山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术、山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术等,构建集早期识别、风险评估及综合防控一体化的暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台,提升我国暴雨山洪灾害监测预警与防控的实时性、精准度和智能化水平。     

刚性双层植物河道水流垂向流速分布试验研究

天然河道中植物高低不等,为了研究在淹没条件下含刚性双层植物河道的水流流速垂向分布规律,试验在矩形平底水槽中,采用PVC圆柱棒对刚性植物进行模拟,用三维多普勒超声测速仪(ADV)对流速进行测量,分析在两种不同高度植物存在的情况下流速的变化规律。试验结果表明:(1)高棒之后区域的流速分布曲线存在4个拐点,分布曲线分为5个部分,各部分水流特性各不相同。(2)短棒之后的区域的流速分布曲线存在3个拐点,分布曲线分为4个部分。这两个区域的流速分布曲线的形状在短棒之上、高棒之下的部分有所不同,其他部分大体相似。(3)短棒之下的水流速度大小不尽相同,但在高棒之上的水流流速分布逐渐收敛于一条对数曲线上,高棒之上的水流流速分布符合无植物水流水面附近的流速分布情况。     

磷酸盐在沉积物——水界面的吸附特征

磷是重要生源要素之一,作为环境地球化学循环中重要的研究内容,其在沉积物-水界面的交互作用受到了广泛关注。本文从湖泊、河流两个方面综述了磷酸盐在不同沉积物-水界面吸附特征的最新研究进展,介绍了吸附动力学过程和等温吸附曲线的吸附模型拟合情况,最后对沉积物磷吸附模型的研究方向进行了分析。