均匀推移质泥沙起动概率量化分析

采用泥沙滚动起动模式,考虑了床面泥沙暴露度及近底水流的随机性,从理论上推导出了推移质泥沙的起动概率公式。此起动概率是床面泥沙颗粒暴露度(或暴露角θ)和近底瞬时流速的函数,其大小随着泥沙暴露度和近底瞬时流速的变化而变化,这与以往学者得到的泥沙起动概率存在较大区别。经与实测资料对比,验证了本文所求的起动概率的正确性。依据冲刷率与起动概率之间关系,将本文所求起动概率转化为无量纲冲刷率,进一步通过实测资料验证了所求起动概率的合理性。     

生物膜泥沙床面对水体紊动影响的实验研究

泥沙床面生长生物膜后水流紊动特性将发生变化,进一步影响到泥沙的起动,悬浮和输移特性。本文采用d500.1 mm的天然沙,对相同水流条件下无生物膜生长和有生物膜生长床面以上的水流内部结构进行研究。实验中采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了垂向流速,对比分析了生物膜生长前后,时均流速、雷诺应力、紊动强度以及紊动猝发事件在垂向上的变化,并初步分析了这些变化对泥沙运动的影响。结果表明:生物膜生长后,同流量条件下的垂向平均流速增加,床面阻力减小;对比无膜沙床面,有膜沙床面在发生冲刷的水力条件下,雷诺应力、紊动强度均有所减小,从而会影响到悬沙的浓度分布;同时猝发事件发生率在垂向上的变化也使得生物膜泥沙床面的泥沙起动更加困难。     

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。     

强潮河口悬浮泥沙浓度垂向结构分析——以杭州湾乍浦水域大潮期为例

利用在强潮河口--杭州湾乍浦水域大潮期的现场实测水文、泥沙资料,分析了悬浮泥沙浓度的垂向结构.结果表明,在涨落潮周期内,除落憩前后较短的一段时间外,由于强潮河口强烈的水动力造成水体垂向混合均匀,研究区域悬浮泥沙浓度的垂向分布符合Rouse公式;如用六点法实测的底层悬浮泥沙浓度来代替近底悬浮泥沙浓度,会造成较大的误差;根据Rouse公式拟合,选取合适的近底距离,可求出对应的近底悬浮泥沙浓度,这比利用实测的底层悬浮泥沙浓度代替更为准确和合理;实测的底层悬浮泥沙浓度对近底悬浮泥沙浓度影响很大;实测的底层流速对近底悬浮泥沙浓度垂向分布的影响较大.     

长江口北槽泥沙起动流速研究

在大量实测资料分析、室内水槽试验和现场坐底观测试验的基础上,对长江口北槽泥沙起动流速特性进行了分析研究。首先分析了北槽河床质实测资料,明确了北槽中段河床组成特性。通过北槽天然沙的室内水槽试验研究了天然沙在浅水区的起动特性。通过北槽现场坐底观测的实测结果分析了北槽实际的泥沙起动特征,其中泥沙起动状态主要通过近底泥沙浓度变化和床面冲淤变化的判定。在以上实测资料的基础上分析了北槽的泥沙起动规律,推荐了在浅水区和深水区适宜的泥沙起动流速经验公式。     

悬移质近底参考面平衡浓度的一个计算公式--对Lane与Kalinske模式的改进

根据推移质与床沙交换、悬移质主要与推移质交换的物理背景，采用Einstein床面泥沙的起动概念及推移运动概率函数表征床面泥沙起动及推移运动，采用Lane与Kalinske提出的泥沙因水流垂向脉动而进入悬浮运动的模式表征推移质进入悬浮运动的过程，建议一个床面层高度，建立了一个悬移质近底平衡浓度的一个计算公式。公式的参数由实测资料确定，公式经过了独立资料的检验，计算精度在可以接受的范围内。基于本文建议的床面层高度及参考面平衡浓度公式，建立了悬移质输沙率计算方法，取得了满意的输沙率计算精度。对于细颗粒泥沙的悬移质输沙率计算，本文公式克服了Einstein方法的缺陷。     

泄水建筑物下游冲刷坑二维数值模拟

对巨亭水电站泄水建筑物下游局部冲刷过程进行了二维数值模拟。采用RNG k-ε湍流模型封闭N-S方程、有限体积法在计算网格上离散求解、VOF方法追踪自由水面;采用C语言编写用户自定义函数,以泥沙起动切应力作为床面泥沙起动判别标准,通过分析比较水流剪切力与泥沙起动切应力大小,用以控制冲刷坑底部边界变化;采用局部重构模型和弹簧光顺模型更新计算区域和网格质量,藉以模拟和追踪局部冲刷坑边界变化。研究表明,模拟结果与实测资料符合良好。在冲刷坑的冲刷过程中,床面剪切应力随着冲刷的进程急剧减小,湍动能随着冲刷的进程减小缓慢;床面剪切应力和湍动能沿程变化均较为剧烈,床面剪切应力沿程先增大后减小,床面湍动能则沿程减小。冲刷坑的纵向平衡形态或床面泥沙起动主要决定于床面剪切应力,床面湍动能对泥沙起动也具有重要影响。     

泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系.从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角 θ 不随拖曳力系数CD和上举力系数CL的变化而变化.当暴露角 θ 小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当...     

船行波作用下内河航道泥沙运动机理研究

内河航道中产生的船行波改变了原有的水动力条件，直接影响床面泥沙运动及河床演变。为认识船行波对泥沙运动的影响，针对泥沙起动和输移两个基本问题，采用理论分析和原型观测试验，重点研究航政艇和货船两类船舶引起的近底流速和床面剪切应力特性，以及船行波的挟沙能力。结果表明：航政艇产生的船行波次波对诱导的水流流速和床面剪切应力贡献最大，而货船产生的船行波主波贡献最大，凸现出两类船舶的船行波波列结构和能量分布的不同特征。以修正希尔兹参数为变量建立了船行波挟沙能力计算公式，可以计算出船行波作用下泥沙的悬浮量。研究成果对认识内河航道泥沙运动和断面演变规律具有一定的参考价值。     

竹粉模型沙特性试验研究

对竹粉模型沙物理特性(容重、干容重、水下休止角等)和运动特性(沉速、起动流速和糙率)分别进行了试验研究。物理特性试验表明:其容重受粒径变化影响较小;干容重随粒径增大而增大;水下休止角随粒径增大而减小,并提出计算竹粉模型沙水下休止角的经验公式。运动特性试验表明:竹粉单颗粒沉速随粒径增大而增大,相对沉速随含沙浓度增加先增大后减小;起动流速随粒径增大而增大,随水深增大而增大,并提出估算竹粉模型沙起动流速的经验公式;糙率随水深增大而减小,随流速增大而增大。     

长江口深水航道三期工程前后北槽中上段水动力及含沙量变化特征

基于长江口北槽深水航道长期定点观测的2006,2008和2011年洪季大潮、2006,2009和2013年枯季大潮水沙数据以及2006和2013年6—8月横沙和北槽中的潮位资料,分析三期工程前后北槽中上段潮汐、潮流及含沙量变化特征。分析结果表明:①中上段浅水分潮性质增强,且M_4分潮和M_2分潮的振幅变化幅度远大于M_2分潮;中段洪、枯季大潮平均潮差均减小;②中段M_2分潮流垂线平均长轴洪季大潮增大、枯季减小,长轴向均向北偏转且椭率减少;洪、枯季大潮涨、落潮平均流速均减小,优势流减小;③余流为中段含沙量贡献最主要的驱动力,其次是M_4分潮,随后为M_2分潮;中段洪、枯季涨落潮平均含沙量均增多,优势沙减小;④中上段潮动力非线性特征加强主要受三期工程中上段缩窄加深工程的影响;南导堤加高工程是中段流速减小的主要原因;洪、枯季优势流、优势沙的差异主要受上游来水来沙的影响;泥沙再悬浮是中段悬沙的主要来源,且洪、枯季含沙量差别主要受上游来水来沙及潮流动力强度控制。     

长江口南港水动力及悬沙的时空分布特征

通过2011年8月中旬一个大潮期间长江口南港某横断面上的5个定点水沙观测资料,分析了南港水动力及悬沙在潮周期及横断面上的分布特征。结果表明:在时间尺度上,南港潮位波动以半日分潮为主,日分潮较小;受径流及Stokes漂流的影响,涨潮流流速明显小于落潮流流速;含沙量随潮波动现象明显,波动频率是潮流的2倍;在空间尺度上,南港纵向流速最大值分布在南侧主槽,转流从北侧副槽率先开始;侧向流主要是由科氏力对纵向流的偏转作用形成;北侧副槽平均含沙量大于南侧主槽;半日潮流驱动下,平均含沙量在急流和憩流时刻将分别增大和降低;半日潮流和余流共同驱动下,在落急时刻和涨急时刻分别会增大和降低平均含沙量。     

长江河口悬沙浓度变化特征分析

2003年2、7月在长江口进行了枯、洪季大规模综合水文观测,本文以此次观测资料为基础,采用数理统计、水文学等方法以江阴-南通-徐六泾-南支-南港-南槽(北槽)的格局对长江河口悬沙浓度的时空变化特征进行了分析研究。分析结果表明:(1)徐六泾节点至江阴潮流界河段主要受径流影响,悬沙浓度比较稳定,而在徐六泾以下多级分汊区段,由于各汊道的分流比等因素的不同,悬沙浓度的分布也存在着差异;(2)悬沙浓度受径流、潮流作用影响具有明显的季节变化,潮周期变化;(3)涨、落潮悬沙浓度大小与流速大小密切相关,但存在着一定的滞后性;(4)单宽输沙量在时空上存在着复杂的变化;(5)在长江口南北槽拦门沙最大浑浊带中,泥沙的再悬浮过程比其他河段复杂多变,同时也存在着一定的规律性、周期性。     

博贺湾海域悬沙输移机制分析

根据博贺湾海域大潮期间的水文泥沙实测资料,采用悬沙通量机制分解法将悬沙净输移通量分解为多个动力项,并分别从平流输沙、潮泵输沙和垂向净环流输沙三方面分析了悬沙输移机制。结果表明:博贺湾海域大潮期间拉格朗日余流基本沿涨潮方向,离岸越远,余流值越大,欧拉余流大小与拉格朗日余流相近,斯托克斯余流接近于零;平流输沙在悬沙净输移中占主导作用,其中欧拉余流输沙作用方向与涨落潮优势流相关;博贺湾海域潮泵效应输沙作用不强,潮泵作用由涨落潮潮流和含沙量在潮周期的不对称性引起;垂向余环流输沙作用很弱,垂向净环流输沙和拉格朗日余流和含沙量的垂向分布有关。     

九龙江口-厦门湾悬沙浓度及多岔口潮汐汊道泥沙输运的数值模拟

基于环境流体动力学模型(Environment Fluid Dynamic Code/EFDC)水动力和泥沙模块,该文针对九龙江口-厦门湾水域潮动力强、浅滩面积大的特点建立二维潮流泥沙数学模型并利用实测数据进行校验。模型精简适用,成功反演了该水域的水动力场和悬沙浓度场,并能正确反映浅水区域的水沙运动特征。结果表明:在潮流作用下,厦门湾水体中悬沙浓度由外向内递增,悬沙随着潮流的涨落在湾内外作中-长距离的往复运动。湾内特别是浅滩区,大潮期悬沙浓度大于小潮期且浓度随潮变化明显,小潮期悬沙场则较为稳定。采用抓斗式挖泥船(源强Q=7.5 t/h)在翔安东南侧浅滩疏浚作业对邻近保护区基本无影响,但翔安南部"五岔口"型潮汐汊道存在能远程输运近岸疏浚泥沙的"泥泵式"水动力场,促使形成环绕厦门岛东海域的带状悬沙分布,该文进一步揭示了形成该分布的水动力机制。增大疏浚强度可导致白海豚保护区被污染,悬沙带宽度增大,浓度上升。     

Effect of the Three Gorges Reservoir on vertical distribution of suspended sediment concentration and estimation accuracy of depth-average concentration in downstream reaches

The sediment regime in the middle Yangtze River has been significantly changed from quasi-equilibrium to nonequilibrium since the impoundment of the Three Georges Reservoir (TGR). To understand the effects of the TGR on vertical distribution of suspended sediment concentration (SSC) and estimation accuracy of mean concentration, vertical sediment concentration and flow velocity data at the Shashi and Jianli hydrological stations in the reach before and after the impoundment were collected. Comparisons and analysis of vertical profiles of SSC before and after the TGR impoundment show that after the impoundment of the TGR, due to the coarsening of sediment particle size, the reduction in sediment load, and the significant decrease in sediment saturation, the vertical distribution of SSC in the downstream reaches became more uneven under medium and low water flows, which was reflected in the vertical gradient and the fluctuation degree of SSC significantly increased. In addition, the depth-average sediment concentrations were calculated by the selected-point method and the mean values calculated by the “multi-point method” were regarded as the “true mean” to evaluate the accuracy of the mean value calculated by the “few-point method.” It was found that the relative errors for the selected-point method were mainly positive before impoundment but mainly negative after impoundment. Additionally, the correction factors of one-point, two-point, and three-point methods and the position of the near-bed substituted point for the five-point method were given to reduce the error when the point measurements were used to calculate the depth-average sediment concentration in the downstream reaches.     

珠江磨刀门河口悬沙浓度变化特征分析

根据2011年枯季和2012年洪季在大、中、小潮期间的多点同步现场观测资料,分析研究了磨刀门河口悬沙浓度变化特征。结果表明:磨刀门口悬沙浓度纵向分布呈近岸高,远岸低的趋势;横向分布具有季节性差异,洪季主槽大于滩地,枯季滩地大于主槽;垂向分布洪季主要以斜线型分布为主,枯季主要以抛物线型分布为主。潮周期平均含沙量大潮普遍大于中、小潮;洪、枯季磨刀门口外落潮含沙量普遍大于涨潮含沙量。洪季含沙量混合较为均匀,落潮时含沙量增大,涨潮时含沙量减小,枯季含沙量分层明显,。受波浪潮汐作用,一个周期内有多次明显的再悬浮过程,涨潮时增大,落潮时减小。     

杭州湾沉积物宏观输运的数值模拟

用Delft3D模拟了杭州湾水动力和粘性沉积物输运过程,探讨了沉积物宏观输运和地貌演变的物理机制。忽略波浪作用,假设底质均一,不考虑粘性沉积物的底部固结作用,建立杭州湾粘性沉积物输运的数值模型。计算结果显示,模型能够反映杭州湾沉积物输运的宏观规律,再现了杭州湾悬沙浓度分布"三高两低"的特征、水体和沉积物"北进南出"的输运格局以及杭州湾总体上受控于淤积的地貌演变过程。杭州湾的沉积物输运主要受浅水分潮潮波变形引起的潮汐不对称性控制,该区潮波自东南向西北的传播方向、舟山群岛对涨潮流的阻隔效应、杭州湾喇叭形态的约束作用等因素造成"北进南出"的水沙输运特征。杭州湾与欧洲斯凯尔特河口狭长型的河口的沉积物输运路径有明显差异。     

江苏辐射沙洲陈家坞槽悬沙变化过程及垂线分布资料分析

本文对辐射沙洲陈家坞槽14号站位连续2个潮次的水文、泥沙测量资料进行了分析研究,论述了在非恒定流作用下泥沙的悬浮与沉降过程。定量分析了重力作用与紊动作用对含沙量和床面变形率的影响关系。对水体悬沙的垂线分布进行了拟合,给出了对数拟合关系式,并对该关系式进行了讨论和验证,初步明确了陈家坞槽主槽的悬沙垂线分布基本特征。     

崇明东滩水文泥沙过程分析

基于2005年9月在崇明东滩采集的现场观测数据,分析了水流和泥沙在潮滩上从光滩到植被区域的不同输运过程。研究结果表明,从光滩到植被带,涨潮和落潮流速逐渐变小,大潮时最大流速由113 cm/s(光滩)减小到8.1 cm/s(植被带);从光滩外侧(靠海)到内侧(靠岸),含沙量逐渐增加,至植被带再减小。潮周期内,流速和水体含沙量变化过程均呈现双峰,峰值出现在涨潮初期和落潮中期,最大含沙量高达7.7kg/m3。测点各潮周期内流速最大值、平均含沙量均与潮汐强弱显著相关。流速增大引起泥沙再悬浮,瞬时含沙量响应流速变化。表层沉积物由光滩外侧(靠海)到内侧逐渐变细,得出泥沙由光滩外侧区域再悬浮,经潮流输移至潮滩内部的泥沙输运模式。分析光滩和植被水沙数据差异表明,植被具有较强的缓流滞沙作用。