生物絮凝泥沙运动输移数学模型

近几十年来,河流中生物絮凝泥沙的运动输移对河流生态系统与水工建筑物等造成的影响,已逐渐成为一个研究热点。本文将泥沙运动输移模型与生物絮凝机理模型耦合起来,构建生物絮凝泥沙运动输移数学模型,以预测富营养水生态系统中生物絮凝泥沙运动输移过程中的浓度及水位变化。模型中,通过求解一维非恒定流圣维南方程来计算水流,将生物絮凝视为导致悬浮泥沙絮团粒径变化的主要因素,通过不饱和非均匀输沙(泥沙/絮团)方法来模拟生物絮凝泥沙的运动。利用文献数据和室内水槽实验来验证生物絮凝泥沙运动输移数学模型,模拟结果与实验数据吻合较好,表明所构建的一维数学模型可以较好地模拟生物絮凝泥沙的输移特性。     

近海与河口粘性泥沙输移过程——第六届INTERCOH 2000综述

第六届近海与河口粘性泥沙输移过程国际学术会议主要包括以下内容 :1)粘性泥沙与湍流的相互作用 ;2 )淤泥动力特性的现场观测 ;3)粘性泥沙输移过程的数值模拟 ;4 )絮凝作用和絮凝团沉降速率 ;5 )淤泥底床侵蚀、固结过程。主要进展表现在 :1)分形理论被应用于粘性泥沙运动 ;2 )水声学技术、PIV技术的应用 ;3)原位剪应力测量装置 (ISIS)被应用于测量淤泥表面、床体上的侵蚀剪应力分布 ;4 )生物对粘性泥沙运动影响的研究 ,即利用环形水槽实验等 ,探讨异养细菌、超细胞聚合体对粘性泥沙稳定作用的影响 ;5 )一种健壮、有效的适应有限元数学模型 ,考虑絮凝、非牛顿流及高浓度下的湍流耗散 ,被用来解决粘性泥沙的输移问题。     

强降雨情况下坡面泥沙输移量突增特性研究

为了研究震后松散泥沙颗粒堆积体在强降雨情况下的坡面泥沙输移特征,找到泥沙输移突增的临界条件,选取宽级配松散土石为样本模拟震后松散泥沙堆积坡面,采用人工降雨的方式,通过不同坡度和雨强的组合实验,对各坡度坡面在强降雨情况下的泥沙输移情况进行了模拟,同时结合数值软件FLOW-3D对试验进行模拟研究。主要成果及结论如下:由松散泥沙颗粒堆积而成的坡面在强降雨作用下存在泥沙输移量突增现象;泥沙输移量突增的临界坡度介于15°与20°之间,临界降雨强度约2.0～2.4 mm/min。泥沙输移突增的临界降雨强度随临界坡度的增大而减小;30°坡面工况(大于临界坡度),试验最小降雨强度1.2 mm/min都可以促使坡面产生泥沙输移量突增的现象。     

长江上游泥沙输移比初探

首先阐述泥沙输移比界定的三个条件一是粒级 ,二是时间 ,三是空间 ,在此基础上讨论了长江上游泥沙输移比研究中存在的主要问题是缺少可靠的侵蚀产沙量 ,对悬移质和推移质的分界线不明确 ,对坡面侵蚀产沙和重力侵蚀产沙在总输沙量中的权重缺少量的概念 ;针对上述问题对河道及沟道泥沙输移比的推理分析 ,再根据反映泥沙输移比的形态指标的定性分析 ,认为长江上游除丘陵宽谷区泥沙输移比会小于 0 .5外 ,高中山区长时段的泥沙输移比都接近 1(不包括泥石流在内的重力侵蚀 )。     

泥沙输移矢量式及其应用

本文基于Parker等人泥沙输移矢量式的分析和研究，增加了上举力的作用，并考虑了泥沙颗粒受力非平衡条件，采用牛顿力学的矢量分析法，推导了泥沙输移的通用矢量式。经对公式简化，且用Ikeda和笔者试验资料的验证，证明计算值与试验值吻合较好。     

明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究

应用大涡模拟、浸入边界法和有限元—离散元联合法,数值模拟了明渠紊流中2-3层紧密堆积的离散泥沙颗粒的起动和输移,计算了不同输沙强度下,泥沙颗粒运动和受力的统计特征、泥沙浓度、泥沙体积通量密度和输沙率,以及流场的速度剖面和紊动强度等。研究发现:泥沙颗粒的起动和输移对紊流的统计特征有明显影响;主流区的泥沙浓度和体积通量密度随高度的增加呈指数下降;颗粒所受平均升力与输沙强度关系不明显,其最大值约为0.6倍的颗粒浮容重;升力的紊动强度随输沙强度等增大而增大,且数值远大于其平均值,紊流结构引起的脉动升力是泥沙颗粒起动的主要原因。     

伶仃洋洪季悬沙分布特征及变化过程分析

根据珠江三角洲伶仃洋河口2003年洪季(7月)潮流、泥沙和盐度现场观测资料,通过对悬沙分布特征及变化过程进行深入分析,结果表明:伶仃洋河口洪季的悬沙浓度在径流、潮流作用下具有明显的潮周期变化,泥沙再悬浮多发生在落急、涨急后1～2小时;在0303站附近形成最大混浊带,在最大混浊带上游段,呈现涨潮优势沙,泥沙净向陆输移,而下游段,呈现落潮优势沙,泥沙净向海输移;泥沙纵向输移机制分析表明,拉格朗日输沙、潮汐捕集输沙和垂向净环流输沙是伶仃洋泥沙运动的主要形式.     

川中丘陵区小流域泥沙输移比研究

本文对泥沙输移比的概念做了进一步讨论,通过对川中丘陵区塘库淤积资料分析,认为川中丘陵区小流域泥沙输移比跟面积密切相关;对于面积小于1km^2的小流域而言,其泥沙输移比均小于0．7,得出该区的归槽率为0．48。同时分清了归槽率、侵蚀量和泥沙输移比的关系。     

三峡库区菱角塘小流域土壤侵蚀量和泥沙输移比研究

泥沙输移比对正确评价水土保持减沙效益具有重要意义。以三峡库区菱角塘小流域为研究对象,在应用~(137)Cs示踪技术测定塘库和谷地泥沙沉积量的基础上,计算了小流域1963-2013年土壤侵蚀量和泥沙输移比,并讨论了采用不同侵蚀量算法计算的小流域泥沙输移比差异特征。结果表明:菱角塘小流域塘库和谷地水稻田泥沙沉积量分别为1 835.75 t和3 781.80 t;基于本文的测定法、常用的插值法和模型法计算的小流域土壤侵蚀量分别为5 821.52 t、7 240.50 t和10 504.25 t;不同侵蚀量算法计算的菱角塘小流域泥沙输移比差异明显。应用本文提出的~(137)Cs测定塘库和谷地泥沙沉积量的测定法,计算的库区小流域土壤侵蚀量和泥沙输移比相对合理可靠,具有一定的参考价值。     

世界最大坝体拆除工程排沙引起的地貌动力演化

正泥沙输移变化会导致河流和沿海地区产生广泛而复杂的变化。在地貌学研究中,对来沙变化响应的定量化研究是一个长期问题,自然界泥沙运动的不确定性使得对泥沙输移过程的精细化测量与研究十分困难。美国华盛顿州艾尔华(Elwha)河上两座大坝的拆除工程,使3 000万t;淤积泥沙进入河道,可借此对大规模泥沙源扰动下河流和海岸的响应进行量化。分析了淤积泥沙输移期间和之后的地形变化,     

泥沙输移比尺度依存及分形特征

泥沙输移比是连接流域地面侵蚀与河道输沙的纽带,是反映流域侵蚀产沙及输移能力的指标,对正确评价水土保持减沙效益与生态建设宏观决策有重要意义。本文基于对国内外泥沙输移比研究的系统梳理,探讨了流域泥沙输移比的尺度依存及分形特征。分析认为：泥沙输移比在其内涵中深刻体现了对尺度的标定;国内外不同区域内流域泥沙输移比具有尺度依存性,并有严格的尺度域;泥沙输移比可以由分形维数来定量描述,即由1km2左右的典型流域单元的泥沙输移比值和流域的分形维数来建立尺度上推或下推的测算模型。本研究结果明确了泥沙输移比研究不能割裂“尺度性”这一学术认知,并为泥沙输移比尺度效应及转换研究提供了新的思路。     

爆破挤淤产生的悬浮物在潮流作用下的输移扩散研究

爆破挤淤填石是浅海工程中淤泥质软基处理中的常用施工方法.就围堤地基爆破挤淤处理产生的悬浮泥沙在潮流作用下的输移扩散过程进行数值模拟,并对不同时刻进行爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散对附近水域的影响进行了研究.研究结果表明,爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散运动与潮流运动密切相关,潮流的方向及水动力强度在一定程度上决定了爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散方向及范围;在该水域,爆破挤淤后,水体中由此而产生的悬浮泥沙浓度由于扩散和落淤而迅速减小,爆破挤淤6 h后,悬浮泥沙浓度增量基本降至10 mg/L以下,若在转流时段（憩流）进行爆破更有利于悬浮泥沙浓度的降低,对周边水域环境的影响较小.     

一维非均匀流对流方程高阶数值解法

本文在文献[1]所给出的二点六阶格式的基础上,考虑了速度变化,对该数值格式进行了进一步发展,使其适用于求解一维非均匀流对流输移问题.理论分析和模拟非均匀速度场上的单波对流输移验算结果表明,经发展后的格式在速度变化和浓度分布梯度较大的情况下,与现有格式相比能较准确地模拟浓度的输移,其精度高于现有常用格式,在解决实际工程问题中有较高的应用价值.     

三维水沙输移模型对深圳深水湾水沙输移的研究

运用三维水沙输移模型研究深圳深水湾的泥沙输移,经过实测资料的验证,计算值能够模拟实际情况,表明波浪对泥沙输移有重要的影响。为进一步研究深圳深水湾泥沙在潮流作用下的输移规律,模拟了1998年7月21日至1998年8月21日涨退潮期间的水沙运动,计算结果表明深水湾属于泥沙淤积区域。     

小流域治理措施对泥沙输移比的影响

以黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟小流域为对象,探讨了1953年以来水土保持治理措施对流域泥沙输移比的影响。结果表明:该流域土壤侵蚀、泥沙输移和沉积与治理措施有着极为密切的相关性。在天然下垫面条件下,韭园沟小流域的泥沙输移比接近1.00。经过50多年来规模性水土流失治理,泥沙输移比下降到0.27。该流域的泥沙侵蚀量减少、沉积和输移比的改变,在水土保持措施达到一定程度时才逐步显现出来,小流域泥沙输移比变化的影响因素中,流域内人为沉积汇(淤积)的作用明显大于坡面水土保持措施的效果。因此,现行生态环境建设中,在注重坡面治理措施合理配置的基础上,更要加强小流域沟道泥沙拦截工程的建设。     

荆江-洞庭湖河网泥沙数学模型研究

荆江-洞庭湖河网泥沙模型是准确描述江湖水沙输移规律的核心技术与基础.本文在河网水流三级解法基础上,借用河网水流分级解法的思想,结合汉点处沙量守恒方程与分沙模式,研究建立了荆江-洞庭湖河网非恒定泥沙模型;采用实测资料对模型进行了率定与验证,结果表明,模型能很好的反映荆江洞庭湖水沙输移规律,可用于三峡建库后坝下游水沙输移趋势预测研究.     

伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙数学模型

采用贴体正交曲线坐标下的水流运动方程及悬移质平衡输移方程等建立了伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙模型。其中泥沙输移的非均匀性采用分组粒径法来模拟，根据实测的泥沙级配资料，模型将泥沙分13组。针对河口泥沙双向交换的特点，对泥沙冲淤函数作了改进。并采用最新的实测地形资料和洪、枯两组水文组合条件对伶仃洋海区主要水文站点的实测资料进行验证，其水流、泥沙运动验证精度基本都能达到规范要求，海区含沙量分布与遥感图十分相似。     

淤泥质海滩泥沙交换输移形式及其判据的探讨＊

本文应用协方差分析结果揭示淤泥质海滩泥沙输移的两种形式:以横向为主的泥沙输移形式,以垂向和横向掺混交换并存的泥沙交换输移形式.前者反映出潮流作用下泥沙的运移.相应的海滩发生淤积;后者是波浪和潮流作用下泥沙的交换输移形式,相应的海滩发生侵蚀.此外,又采用参数估计的方法对参与交换的泥沙进行粒径区间估计,作为判断淤泥质海滩泥沙是否运移扩散的一种判据.     

坡面泥沙输移比时空分布式的构建与分析

坡面泥沙输移比分布式的构建是计算坡面输沙分布和吸附态非点源污染负荷分布的基础。在对已构建的坡面泥沙输移比式进行分析研究的基础上,鉴于降雨形成的地表径流是坡面泥沙输移的直接推动力,对现有的"流动连通性"指标进行改进,提出了"径流连通性"指标并以此构建坡面泥沙输移比时空分布式。将泥沙输移比式与修正的通用土壤流失方程结合,形成山地流域输沙模型。以三峡库区大宁河流域为例,通过对输沙量的模拟,对比分析了所构建的坡面泥沙输移比式的合理性。基于径流连通性指标的坡面泥沙输移比时空分布式,考虑了降雨产生的坡面泥沙输移比随时间的变化,更为合理、模拟精度更佳。     

地形突变条件下异重流运动失稳规律

由于目前异重流失稳研究相对匮乏,而其研究又对延长水库寿命和优化调度运行具有重要意义。采用Mike3建立三维异重流数学模型,包括水动力学模型、紊流模型和泥沙输移扩散方程,并采用水槽试验对该模型进行验证,结果表明异重流泥沙质量浓度分布实测值与模拟值吻合良好。以紫坪铺水库为例,采用该模型研究了异重流在地形突变条件下的运动失稳规律,分析水库底部障碍物和断面突扩对异重流运动规律的影响,得出这两种情形下的异重流失稳判别条件。底部障碍物情形的失稳判别条件为:(1)异重流运动速度减缓;(2)异重流中泥沙质量浓度降低;(3)前锋及异重流厚度减小。断面突扩情形的失稳判别条件为:(1)异重流运动速度减缓;(2)异重流中泥沙质量浓度的垂向分布由类似抛物线分布变为类似对数分布;(3)异重流厚度减小。