分汊河道的水流运动特性研究进展

分汊河道的水流特性是研究分汊河道分沙及污染物分配问题的前提.本文总结和评价了分汊河道分流比计算模式,回顾了分汊口和交汇口水流运动规律方面的研究成果,提出了分汊河道水流特性研究方面有待深入的问题.     

交汇河道水动力特性和污染物掺混规律研究综述

水流交汇广泛存在于天然河流中,通过交汇口作为节点连接大小河流形成水系乃至河网。交汇河道不同于单一河道,其交汇口上游壅水下游回流,存在分离区、最大流速区、压缩区等,具有独特的水流特性和污染物输移规律。从不同的角度对交汇河道进行了分类,强调了交汇河道的水动力特性和污染物输移特性研究的重要意义。从原型观测和模型试验、数值模拟和理论分析方面分析评述了交汇口水动力特性和污染物输移规律的研究现状和研究成果,讨论了研究现状存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。     

分汊河道三维紊流数值模拟研究

分汊河道水流计算方法研究,是准确模拟分汊河道水流运动,研究分汊河道泥沙运动、河道演变规律和水质变化规律的基础。选用三维RNG k-ε紊流模型,对长江镇扬河段世业洲汊道水流进行整体与局部的数值模拟,并采用刚盖假定法与VOF法分别对其自由表面进行处理,比较分析两种方法在分汊河道水流模拟中的差异。     

平滩流量下弯曲分汊河道水力要素的突变性特征

平滩流量下的水力特性对分汊河道的滩槽冲淤、分流分沙比及污染物的输移等均有较大的影响。以长江中游戴家洲河段为原型,通过开展概化定床模型试验,分析了弯曲分汊河道不同特征流量下水动力特性的沿程差异性和平滩流量下分汊河道不同区域水力要素的突变特性。试验结果表明:纵比降沿程变化规律为分流区小流量下沿程增加、大流量下沿程减小,凸岸汊道与之相反,而凹岸汊道沿程增加;在平滩流量附近,分流区水面纵比降出现极大值、沿程比降变幅出现极小值,主流线、最大床面切应力所处位置由凹岸汊道转移至凸岸汊道。试验结果为水沙变异条件下分汊河道冲淤机制的研究提供了基础。     

群汊河道出口汇流断面污染物混合特性研究

准确预报群汊河道中污染物扩散范围与混合过程，可为工业和市政排放工程的设计、取水口保护区范围的确定、水资源保护等提供科学依据。选取存在3～5个分汊岛的群汊河道，开展不同上游流量和排污位置工况的3种典型群汊河道污染物输移物理模型试验，在群汊段各汊道布置污染物浓度测量断面。选取代表断面并计算污染物混合偏差程度值，分析不同上游流量和排污位置条件下，污染物浓度分布在群汊段沿程变化情况。计算群汊河道出口汇流断面的污染物混合偏差程度值，分析上游流量和排污位置对出口汇流断面浓度分布的影响。结果表明，在相同流量、同一排污位置条件下，断面混合偏差程度值沿程减小；在同一排污位置条件下，随着分汊岛数量的增多，群汊段出口汇流断面混合偏差程度值越小。     

长江宜都段水流运动特性及河床冲淤演变分析

长江宜都河段为一典型低水弯曲分汊河段。利用2005年实测河道地形与水流资料，在5种不同入口流量条件下，计算模拟了河段内的水流。以此为实例研究了弯曲分汊河道水流的运动特性，包括河道流速分布的沿程变化、水面纵比降的变化和水流动力轴线年内的摆动等，并探讨了弯曲分汊河段水流运动与河床冲淤演变之间的关系。研究成果为航运、防洪、取水等部门提供了基本资料。     

长江中下游鹅头型汊道航道整治目标河型研究

鹅头分汊河型由于其汊道大幅平移及主支汊频繁交替,历来是碍航问题最为突出的河段,目前关于鹅头分汊河型的治理目标存在微弯分汊和微弯单一河型的争议。本文在总结鹅头分汊河型碍航特性的基础上,结合其滩槽格局成因,从分汊河道水流能量守恒原理出发,提出了鹅头分汊河道航道整治的目标河型:认为进口节点的挑流作用放大了水流的年内横向摆幅,使得边滩难以长期稳定;进出口节点的存在限制了汊道的延伸平移,因此保留分汊河型是适应这一特征的必然选择。同时保持两汊较大的阻力差异,削弱主支汊格局对进口水流条件的敏感性,将更有利于主航槽的稳定,即存在一定曲率差的分汊河型是鹅头型汊道航道整治的目标河型;具体河段的汊道曲率可根据进口水力特征及进出口河床高程差计算而得。     

河流分汊成因与演变机制研究综述

基于较系统的文献调研,介绍了分汊形成机制如中心沙坝沉积、横向沙坝转换、斜槽切断、复合沙坝切割和河道决口,水沙分配影响因素如汊道几何形态、汊道河床地形、汊道内的水力特性和潮汐等因素,和水沙分配计算方法等主要方面的研究进展,并以长江中下游分汊河段为例,总结了其分汊河道的水力特征和演变规律。最后探讨了分汊河道研究中还需解决的问题,以及数值模拟方法在分汊形成与演变研究中的应用及前景。     

长江中下游分汊河道稳定性与治理方略的探讨

长江中下游自城陵矶致徐六泾段长约１２３７ｋｍ，属 稳定江心洲的分汊河段。在大量实测河道泥沙资料的基础上，从长江中下游分汊型河道演变特点出发，通过分汊河道与蜿蜒型河道的稳定性比较，认为长江中下游分汊型河道比蜿蜒型河道稳定，在治理时应针对汊道存在的问题来稳定或改善双分汊河道的分流形式，对多汊河道要堵塞分流比较小的有害支汊，使之逐渐转化为双分汊河道。     

基于MIKE21的信江八字嘴顺直分汊河道水动力特性及河床演变分析

为阐明信江八字嘴航运段分汊河道岸堤水力特征及河床演变趋势，利用MIKE21水动力模块构建研究水域二维数学模型，并运用梅港站水文数据对模型进行率定和精度验证。在此基础上，开展信江顺直分汊河道不同水文时期的水动力特性分析，阐明分汊河道各段的发育演变趋势。计算结果表明：左汊是主要的过水汊道，该分汊河道的分流比随着流量的增大而下降。流速呈不规则分布，区域间流速变化显著，分流段左汊出现主流，收窄处出现最大流速，水位从分流区到汇流区均匀下降。河势发育演变整体稳定性较好，河道发育演变主要体现在分汊河道中河床冲淤的局部变化。所建模型能有效模拟分汊河道分流比及水位变化情况，可为河道安全防护及通航稳定研究提供科学依据。     

交汇角对明渠交汇口污染物输运特性影响的数值模拟分析

针对等宽矩形断面明渠交汇口建立三维两相流水动力-污染物耦合数学模型,将污染物视作保守物质,不考虑其降解作用。该耦合模型以雷诺应力模型为基础,定量研究不同交汇角工况下交汇口的分离区几何特性及污染物输运规律。计算结果表明：交汇口分离区几何形状、污染物分布特性均存在明显的三维特征,且受交汇角影响;交汇角较大时分离区的几何对称性更强,不同交汇角下断面环流的位置不同,污染物的分布也不同,污染带最大宽度、混合界面宽度均随交汇角的增大而增大;分离区及其上游污染物混合速率随交汇角的增大而加快,在流速恢复区及其下游,混合速率基本不受交汇角影响,其沿程变化符合指数函数关系。     

干支流交汇河段水流泥沙特性研究综述

水流交汇现象普遍存在于自然界和人类工程的多种水力系统中,交汇河段水流泥沙特性的研究对防洪规划、航运交通和生态环境等均具有重要意义。从流场分区、水面形态、螺旋流、水流结构、能量损失及泥沙特性等方面较为系统地总结了近70年来干支流交汇河段水流泥沙特性的研究成果,并对未来发展前景进行了展望。     

EXPERIMENTS OF THREE-DIMENSIONAL FLOW STRUCTURE IN BRAIDED RIVERS

The braided river is a typical river pattern in nature, but there is a paucity of comprehensive data set describing the three-dimensional flow field in the braided river. A physical model experiment was used to study the flow characteristics in the typical braided river with a mid-bar between two anabranches. In the experiment, two kinds of mid-bar with the ratios of its length to maximal width of 3 and 5 were considered. Moreover, the mid-bar could be moved to adjust the width of two anabranches. The detailed measurements of velocity were conducted using an acoustic Doppler velocimeter over a grid defined throughout the whole braided river region, including the bifurcation, two anabranches and the confluence. In two kinds of mid-bar braided models, a separation zone was observed in the anabranch of the model in which the ratio of length to maximal width of mid-bar is 3, however the separation zone was not found in another model in which the ratio is 5. In addition, the opposite secondary cells were observed at the bend apex of anabranch in two models, and different longitudinal velocity distributions in the entrance region of anabranch account for this opposite flow structure. Finally, turbulent kinetic energy were shown and compared in different situations. The high turbulence occurs at the place with strong shear, especially at the boundary of the separation zone and the high velocity passing flow.     

90°等宽明渠交汇水流污染物混合规律数值模拟

为研究明渠交汇水流污染物混合规律,针对90°等宽顺直明渠水流交汇口,建立三维水动力-污染物耦合输运数学模型,对6 种不同汇流比情况进行数值模拟研究。计算结果表明:交汇水流污染物分布存在明显的三维特征,且与二次流密切相关;水体表层污染带最大宽度与汇流比的关系和水体内部不同,表层水体污染带最大宽度在小汇流比工况下为主渠宽度,不随汇流比的变化而改变,在大汇流比工况下与汇流比呈良好的一次函数关系;中下层水体污染带最大宽度与汇流比呈二次曲线关系;汇流比越接近0. 5,污染物混合越不均匀,且汇流比越大,污染物混合速率越快。     

Analysis of pollutant transport in the Han River with tidal current using a 2D finite element model

Pollutant transport in the Han River, which is one of the most important rivers in Korea, was studied using the 2D advection-dispersion model developed in this research. The numerical model was developed based on the streamline-upwind Petrov-Galerkin (SUPG) where a finite element grid was used in order to treat the complex geometry of the natural water bodies. Velocity fields for the input data of pollutant transport simulation were obtained using a 2D hydrodynamic model, RMA2. The pollutant transport simulations in both the steady state flow and in the tidal currents were carried out to analyze the effects of tidal currents on the 2D concentration distribution in the region of application. The simulation results show that, with increasing water level period under tidal conditions, very large recirculation zones occurs and water flows in the upstream direction. Therefore, within the tidal currents, the polluted water goes back and forth with variations in the flow direction. As a result of this movement of pollutant, an oscillation in the concentration appears over time, which reflects both the significantly complex periodic variation in the flow pattern and large circulations.     

Avulsions in a Simulated Large Lowland Braided River

The understanding of the complicated braiding mechanisms in braided rivers is closely related to avulsions. They control the channel generation, migration and disappearance in large lowland braided rivers, and are considered to be the key factor that keeps the river maintaining a dynamic braided pattern. However, their occurring processes and mechanisms are still not well understood due to the lack of detailed measurements with sufficient temporal and spatial data covering multiple bifurcations. In the present study, a numerical model based on the physical process of hydrodynamics and sediment transport is used to simulate the suspended sediment transport and river channel evolution in braided rivers. The model predicted braiding processes are comparable to those observed in nature. Efforts are made to investigate the morphological processes that are key for river braiding. Three types of avulsions observed in natural rivers have been identified in the model predicted river and their evolution processes and controlling factors are examined based on the predicted flow velocity, sediment concentration, bed elevation and sediment size distribution. It was found that, a curving channel bend is the key factor in introducing a constriction avulsion, while the choking avulsion and apex avulsion are controlled by the water surface slope and bed elevation. They are mostly affected by the upstream channel pattern changes.     

中国冲积大河的河型分布与成因

结合遥感影像、野外调查和水沙数据,以冲积大河为研究对象,分析中国大河的河型分布及成因。中国大河的冲积河段以弯曲与辫状河型为主,局部河段为分汊与网状河型。综合考虑河型分布的一般性和特殊性,认为相对输沙率(来沙量与输沙能力之比)、相对河岸侵蚀切应力(近岸水流切应力与河岸临界抗冲切应力之比)和河谷地形控制(如节点和宽度)是决定河型成因的3个最主要的因素。     

柔性植物影响下水沙运动及物质输运研究进展

水生植物是河流、湖泊、滨海湿地环境中不可缺少的一部分,植物的存在使水动力条件发生了改变,进而影响了泥沙悬浮和污染物的输运。从恒定流和波浪两种水动力条件出发,针对柔性植物影响下的水流阻力、水流结构、紊动特性、特征流速、消波系数、泥沙运动、污染物输运等方面,综述了国内外的主要成果,并指出复杂水动力条件下的植物-水流-泥沙-污染物之间的相互作用规律是今后研究的重点和难点。     

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好。针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响。研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。     

分汊河段河中布置船闸水沙碍航特性研究

分汊河段的汇流口水沙条件复杂多变,为保证航道稳定及船舶航行安全,分汊河段水利枢纽平面布置时一般将通航建筑物布置于其中一个汊道的靠岸侧。受工程建设条件限制需将通航建筑物布置于分汊河段河中时,既存在流态碍航问题又存在泥沙淤积碍航问题。针对布置于分汊河段洲尾汇流段的已建桃源枢纽船闸存在的通航条件较差的问题,采用整体定床水流、定床输沙与遥控自航船模试验相结合的研究手段,开展了船闸下游口门区水沙碍航特性试验研究。结果表明:水流条件是导致流态碍航与泥沙淤积碍航的根本因素,左、右汊不同下泄水流在汇流段形成单边突扩或水流掺混交汇,致使下游口门区所处的汇流段水流流态差且推移质泥沙落淤碍航,分汊河段船闸河中布置应慎重考虑。