基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。     

河床演变的均衡稳定理论及其在黄河下游的应用

在系统分析有关河床演变均衡稳定理论的研究成果基础上,指出河流熵理论的最小可用能耗率原理及其表达式完整地表达了冲积河流河床演变的自动调整作用基本原理,应用河流最小可用能耗率原理的表达式封闭河床演变方程组,建立河床演变均衡稳定数学模型,应用该模型计算了黄河下游各河段在不同水沙条件下的河槽均衡稳定断面,并计算分析了小浪底水库下游的清水冲刷、拦粗排细和水温变化及涨冲落淤等因素对河槽均衡稳定的影响,分析了河道输水输沙优化的临界指标,提出了强化非恒定流调水调沙、调控60-100 kg/m3的不利来水含沙量和以滞洪拦粗排细运用为主等改善小浪底水库运用的措施。     

河流系统能量分配耗散关系的分析

根据冲积河流发展趋向性法则，从系统角度探讨了冲积河流自我调节机制及河流能量分配耗散特点，引入河流熵和变分原理，推求了河流系统的能量耗散规律；研究分析了人类活动对河流系统的干扰以及反映在河床调整上的能量分配耗散关系     

基于最小熵产生与耗散结构和混沌理论的河床演变分析

阐述了最小熵产生、耗散结构和混沌理论的基本原理和研究方法,并介绍了如何应用这些理论和方法对河床演变过程进行分析。认为：河流只可能处于近平衡态和远离平衡态。河流处于近平衡态时,遵循最小熵产生原理或最小能耗率原理,其演变过程表现为逐渐趋向于与外界条件相适应的相对平衡状态,在相对平衡状态水流的熵产生或能耗率为最小值。当作用在河流上的约束条件发生变化后,河流就会离开原来的相对平衡状态,寻求与新的约束条件相适应的相对平衡状态。在这个调整过程中,熵产生或能耗率并不是单调减少,而是有增有减,直到新的相对平衡状态,水流的熵产生或能耗率一定是与新的约束条件相适应的最小值。河流处于远离平衡态时,其演变过程可以经受突变,导致河型转化发生。河型转化是在外界条件缓慢变化过程中,超过某一临界值而发生的突变,这种突变相当于热力学中的非平衡相变,因而可以用耗散结构和混沌理论解释河型转化。     

对周筑宝先生再讨论意见的答复

<正>徐国宾和杨志达于2012年在水利学报第8期发表了《基于最小熵产生与耗散结构和混沌理论的河床演变分析》一文[1]。文中针对一些对最小熵产生或最小能耗率原理和耗散结构理论的误解或错误观点进行了澄清,其中涉及到周筑宝先生的一些观点,如最小熵产生原理或最小能耗率原理是否只适用于系统边界条件恒定的开放系统,而不适用于边界条件随时间变化的开放系统,如河流;最小熵产生原理或最小能耗率原理是否能推广到非平衡态非线性区;以及所谓"新最小熵产生原理或最小耗     

河流动力学极值原理与熵理论研究综述

通过总结分析河流极值原理和熵理论的发展历史,得出结论：阻碍河流变分理论研究与应用的主要问题是是否将河流系统作为开放系统和目标函数的约束条件意见上的分歧,说明了必须把河流系统当作开放系统来研究,而不同的约束条件则对应不同的极值理论（最大能耗或最小能耗原理）,两种极值理论之间并不矛盾。重点分析了20世纪90年代以来的河流极值原理最新研究成果,指出进一步的极值理论研究应该着重考虑泥沙参与河床塑造的作用机理,由该理论推导出的河流演变公式中的各项都要具有明确的物理意义。     

对周筑宝先生讨论意见的答复

<正>徐国宾和杨志达于2012年在《水利学报》第8期发表了《基于最小熵产生与耗散结构和混沌理论的河床演变分析》一文[1]。文中针对一些对最小熵产生或最小能耗率原理和耗散结构理论的误解或错误观点进行了澄清,其中涉及到周筑宝先生以下两个观点:(1)最小熵产生原理或最小能耗率原理只适用于系统边界条件恒定的开放系统,而不适用于边界     

冲积河流河床综合稳定性指标研究

根据河床演变理论，利用已有的基本公式，导出了冲积河流河床绝对稳定应满足的水沙床无量纲数（量）条件，由此建立了由水沙床因素构成的实用冲积河流稳定程度函数公式。基于该公式建立了冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则，然后利用黄河下游11年资料和渭河部分资料进行了初步验证。计算表明，建立的冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则是合理和有效的，可以利用该判别方法预测大型河流因水沙条件改变而导致的河型变化趋势。     

水利明渠紊流拟熵的实验研究

本文以模拟实验和科学分析的方式,开展水利明渠紊流拟熵的研究,探讨基于植物扰流的明渠紊流耗散特性及变化规律,为生态水利明渠设计和施工提供紊流参数参考。     

基于宏观系统的冲积河流自动调整研究评述

冲积河流自动调整作用体现了河流的自适应特征,是河床演变最基本的规律,这一规律在微观上表现为输沙量与挟沙力的相互趋近,宏观上则显示河道朝一定的平衡形态或水力几何形态发展。传统的牛顿力学方法并不能完全给出河流调整过程的理论解,从宏观河流系统角度出发的研究方法不失为一种有效的解决途径。本文选取热力学中的熵与极值假设、最小作用量原理、速率定律和突变理论为基于宏观系统研究的典型代表,对这些研究方法的概念和应用进行介绍和阐述,从多种角度出发探讨河流自动调整过程中水流能量的分配、输沙效率、系统的调整路径和变化速率等特点。     

分形理论在河型研究中的应用探讨

简述了当前河型研究现状、分形理论的特点方法及其目前在天然河道的应用现状,并结合分形理论对基于最小能耗率的河流演变理论进行探讨,研究了一定水沙条件下,河流能耗的分形理论表示公式,扩展了河道几何边界条件对于能量损耗的表述方法,推导了河型判别的分维数公式,并提出了目前的不足与进一步研究的方向。     

流体最小熵产生原理与最小能耗率原理(Ⅱ)

本文是“流体最小熵产生原理与最小能耗率原理”的第Ⅱ篇。在这篇中，一是阐明了最小熵产生原理等价于最小能耗率原理；二是基于最小熵产生原理，利用流体力学的3个基本方程，即连续方程、运动方程和能量方程以及热力学的吉布斯公式，推导出了流体最小能耗率原理数学表达式。该式适用于：(1)具有稳定边界的任何开放的流体系统，如河流；(2)恒定非均匀流或均匀流；(3)层流或紊流。     

黄河下游高村-陶城铺河段边界阻力能耗与河床稳定性分析

从河床边界阻力能耗角度研究河床形态调整规律,引入河床稳定性指标,探讨与边界阻力能耗率的相关性。以黄河下游高村至陶城铺河段为研究区域,采用实测资料、理论解析与数值模拟相结合方法,基于不同年份河道地形,计算出不同流量条件下的水力要素与边界阻力能耗率,分析河床形态调整过程及边界阻力能耗率响应,讨论了边界阻力能耗率与河床稳定性关系。结果表明：边界阻力能耗率沿程均值和波动强度随着流量增大而增大;阻力能耗率随着过水面积或宽深比呈先减小后增大趋势,且与河床稳定指标呈正相关关系,但能耗率趋近最小值时,河床也可能发生下限失稳。通过优化河床断面形态,维持河床稳定情况下寻求边界阻力能耗率最小,能够提高河槽的输水输沙能力。     

基于耗散结构理论的黄河健康生命内涵分析

应用基于热力学第二定律发展起来的耗散结构理论，对黄河健康生命的内涵进行了分析，认为：黄河是一个复杂的开放系统，具有非平衡有序结构、内部子系统之间存在非线性作用、通过结构与功能之间的涨落可达到有序和谐，因而满足耗散结构的4个条件。增大负熵流是维持黄河健康生命的根本途径，应根据不同子系统的特点采取相应措施，确保黄河向有序的方向发展，成为一种自组织的时间、空间和功能的有序耗散结构。     

闸后两种消能型式的试验对比研究

新疆渠首大部分修建在出山口位置,夏季河道洪水峰高量大,携带泥沙多、持续时间短,洪水对泄洪闸下游河床淘刷严重,威胁闸室稳定。工程建设中主要采用斜护坦+深隔墙和斜护坦+裙板两种型式进行消能防冲处理。为了分析这两种型式的消能效果,选择塔尔朗渠首工程,通过水工模型试验进行了对比研究。试验反映出,两种消能工都具有较好的消能效果。裙板的倒坡构造还能够使洪水产生部分回流,将河床质泥沙带回齿墙部位,从而减小了齿墙部位的淘刷。为此,试验中重点开展3种结构尺寸的裙板消能试验。试验结果表明:长度为6m的裙板消能型式与深齿墙消能型式的冲刷深度接近,冲坑深度最浅;但裙板消能冲坑最深处距离齿墙的位置却大于深齿墙消能型式。因此,裙板消能型式在满足消能效果的同时,能够较好地保护斜护坦齿墙不被淘刷,从而提高齿墙的安全性能。     

西南山区河流河床结构及消能减灾机制

青藏高原的持续抬升导致青藏高原周边河流下切。河流下切造成河床河岸失稳,崩塌滑坡及泥石流等灾害频发。通过十余年野外调查和试验研究发现,崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然坝实际上是河流下切的负反馈的结果。自然坝稳定后控制河流下切,保持河流稳定并且改善生态。这样的功能主要来自于自然坝上发育的河床消能结构。本文总结了河床结构和自然坝消能减灾的机理,归纳以阶梯-深潭为代表的河床结构消能率的量化计算方法,并提出下切河流综合管理中能量概算的理念及基本思路。本文还介绍人工阶梯-深潭系统防治泥石流灾害的成功实践,强调人工模拟自然坝消能结构应用在防灾减灾领域的可行性及有效性。最后,以消能理念为基础,提出西南下切河流开发和管理中应建立"串糖葫芦"式中型坝群库坝体系,以实现水电开发、消能减灾和改善生态的综合目标。