梯形透空丁坝局部冲淤演变对底栖动物群落的影响

依托长江南京以下12.5 m深水航道中梯形透空丁坝示范应用工程，建立泥沙运动数值模型，结合现场监测数据，分析了梯形透空丁坝周围底栖动物群落组成和栖息密度，采用香农-维纳指数、辛普森多样性指数和Pielou均匀度指数分析底栖动物物种多样性，揭示梯形透空丁坝局部冲淤演变对底栖动物群落的影响机制。结果表明：床面泥沙在梯形透空丁坝坝前淤积，以中值粒径0～0.25 mm的沙质底质为主，有利于双壳类、寡毛类等底栖动物的穴居；坝内空腔和坝后床面相对稳定，以中值粒径0～0.1 mm的浮泥底质为主，为摇蚊类、寡毛类等底栖动物营造了适宜的索饵场和缓流生境；梯形透空丁坝局部底栖动物群落组成相对稳定且多样，梯形透空丁坝能为不同的底栖动物提供栖息场所，并为鱼类等水生生物提供丰富的饵料和适宜的栖息场所。     

底栖动物与水生栖息地面积耦合机制研究

底栖动物对河流的生态状况反应比较敏感、迅速,当河流水生态发生变化时,底栖动物能够首先感受到这种变化,并在短时间内作出反应。从水生栖息地面积着手,通过采集、鉴定、分析南水北调西线调水区底栖动物样本,研究底栖动物生物多样性与水生栖息地面积之间的耦合作用机制,并分析了调水对底栖动物的影响。结果表明:底栖动物与水生栖息地面积之间存在着密切的关系,其物种数随着水面面积的增加而增加,并趋于稳定;当水面面积减小至原水面面积的45%时,底栖动物物种数开始减少,但减少速度缓慢;当水面面积继续减小至原水面面积的10%时,底栖动物物种数开始急剧下降;为保持底栖动物生态系统的稳定性,调水不应使坝址下游水面面积减小至原水面面积的45%以下。     

透水框架在改进丁坝结构型式上的应用

丁坝坝头绕流呈复杂的三维结构,常导致坝头局部冲刷,易诱发丁坝水毁。为改善丁坝坝头的水流条件,利用四面体透水框架对常规丁坝结构型式作了有益改进,即将常规丁坝的实体坝头改成由四面体透水框架铰接而成的透水坝头,并通过水槽试验研究其水动力特性及冲淤特性。研究表明,透水坝头能有效分散坝头集中绕流,减弱坝头脱离涡的形成条件,并阻滞下潜流,相应地,坝头局部冲刷坑深度也得到有效控制。此外,试验还研究了透水坝头透空率以及长度对局部冲刷的影响。研究发现,存在一个最优透空率,使得透水坝头控制坝头局部冲刷的效果最好,透水坝头的透空率过大或过小时,透水坝头对局部冲刷坑深度的控制有限。另外,在坝头绕流的影响范围内,随着透水坝头长度的增加,其减小坝头局部冲刷的效果越好,当透水坝头长度超过这一范围后,透水坝头长度的增加对减小坝头局部冲刷的效果不再明显。     

长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用

考虑水生生物生境需求的物理栖息地模型被认为是评估河流流量变化对水生态系统影响的最可信的方法之一。本研究选取长江干流含有河漫滩的监利江段为实例,建立底栖动物各类群的物理栖息地模型,计算变化流量下栖息地适宜面积的时间序列,并据此进行生态流量决策。结果显示长江中游底栖动物最敏感的环境参数是流速,适宜范围为0～0.2 m/s;其次是水深,适宜范围为0～6 m。在考虑敏感环境参数的前提下,得出监利江段底栖动物的最佳生态流量为20 000 m3/s。三峡大坝蓄水后枯水期和平水期底栖动物适宜面积的低值部分减小,丰水期适宜面积增加。为了保护底栖动物栖息地,建议三峡大坝在防洪蓄水的同时能兼顾底栖动物的生态流量需求,调节枯水期和平水期的流量,让监利江段接近4000 m3/s,丰水期接近20 000 m3/s。在枯水年增大枯水期和平水期的流量,平水年增大枯水期的流量,丰水年减少丰水期的流量。本研究方法可以供长江其他河段目标物种的生态流量决策和生态修复方案设计参考。     

深水航道整治丁坝群对鱼类生境的影响

航道整治丁坝群一定程度上改变了局部水动力条件,从而对鱼类的生境也产生了影响。依托长江12.5 m深水航道整治工程,选择仪征水道整治工程为典型河段,建立二维数值模型,分析了三种典型工况下整治丁坝群实施前后研究河段的水流特性变化,基于对鱼类生境需求的调查分析的基础上,探讨了丁坝群对鱼类产卵场、索饵场、越冬场和洄游通道的影响及成因,揭示了潮汐河段航道整治丁坝群对鱼类"三场一通道"的影响规律。研究表明:丁坝群附近的复杂水流结构及近岸缓流区,为漂流性鱼类和沉黏性鱼类提供了适宜的产卵场;丁坝坝后的底层缓流及静水环境,为鱼类提供了良好的越冬场;丁坝群独特的水流结构,将河道内的浮游生物横向输移至坝后富集,为鱼类觅食提供了丰富的饵料场;丁坝群建成后世业洲右缘近岸缓流区的范围有明显扩大,为鱼卵和仔鱼的降河洄游提供了稳定的洄游通道。     

梯形透水潜坝附近水面线及透水率

为研究结构物的透水特性和水动力特性,利用PIV流场测量系统专用水槽物理模型试验与Flow3D数值模拟相结合的方法研究均匀开孔的梯形透水潜坝附近水面线及坝体透水率的变化规律。结果表明:潜坝附近壅水及水跌高度随透空率的增大而减小,不同透空率潜坝坝后水面均出现"逆坡现象"。相同断面平均流速条件下,水深越大,相对壅水高度越小;当水深大于2倍坝高时,坝体壅水效果逐渐消失。相同坝前远端水深条件下,随着断面平均流速增大,坝后水跌高度增大。最后利用数模计算结果经回归拟合得到透水率的综合计算公式,经验证该经验公式计算结果和实测值最大偏差不超过5%,具有一定的可靠性。     

蚂蚁河大型底栖无脊椎动物及其与环境响应关系研究

本文通过典型对应分析(CCA)和相关分析研究了大型底栖动物群落结构和主要环境因素之间的相关性,并通过生物多样性指数(如Shannon-Wiener指数)评估了不同河段对物种多样性的影响。研究表明,蚂蚁河中的大型底栖动物分布主要影响环境因子有水温、溶解氧和底质层中沙泥含量,与下游相比,蚂蚁河中上游的底栖动物物种多样性更高,平均生物密度更低。     

空心梯形块丁坝结构透水特性试验研究

生态型丁坝结构既能发挥航道整治功能,又能减小工程对生态的影响,具有广泛生态效益和推广前景。而此类丁坝结构的透水特性是确保整治建筑物束水攻沙功能的关键,也是决定结构推广应用的主要技术指标。该文依托长江南京下游12.5 m深水航道建设工程,基于鱼礁理念提出了空心梯形块丁坝结构,开展了系列概化水槽实验。采用透水率指标研究空心梯形块丁坝透水特性的主要影响因素,探讨孔隙率、水深和流速等主要因素对丁坝透水特性的影响规律。试验结果表明:空心梯形块丁坝的透水率与孔隙率、水深和流速具有较强的相关性,透水率随水深和流速的增大而减小,随孔隙率的增大而增大。此类空心梯形块透水丁坝适用于大水深和大流速的条件,可在同类工程中应用。     

基于FLUENT的丁坝回流区数值模拟

利用FLUENT中的k-ε湍流模型和VOF模型,对非淹没的圆头、拐头和梯形丁坝回流区流场进行了数值模拟。首先将文献试验与模型计算进行了对比,结果吻合良好。然后进一步对不同类型丁坝进行了模拟。计算结果表明,不同类型丁坝的坝后回流区范围不同,圆头坝坝后回流区范围最大(涡长和涡宽),拐头坝次之,梯形坝最小。同一丁坝下,随着水深增加,圆头坝和拐头坝坝后回流区范围减小,且越接近水面减小越慢;梯形坝由于有坡度,结果与前两个丁坝结果相反。     

梯级引水式水电站对底栖动物群落结构的影响

为研究梯级引水式水电站对底栖动物群落结构的影响,对云南景谷河3座梯级电站影响下河流底栖动物的群落结构进行了调查研究。研究结果表明,水电站的修建显著改变了河流的流速及水深;减水段和混合段水体底栖动物的物种丰度和多样性指数存在一定差异;不同级电站混合段底栖动物密度和生物量均高于减水段;功能摄食类群上混合段的滤食者、撕食者和捕食者相对丰度均显著高于减水段;丰度/生物量比较曲线表明,相对于混合段,水电站影响下减水段底栖动物群落受到了一定程度的干扰。故修建梯级小水电站时,应关注其对底栖动物的群落结构的影响。     

水力插板透水式丁坝群减缓流速效果试验研究

水力插板透水丁坝是一种新型丁坝。以水力插板透水丁坝群、井柱桩透水丁坝群和实体丁坝群为研究对象进行动床模型试验。先测定各丁坝坝前和坝后各5 cm横断面上测点的流速,再用每个测点的流速算出平均流速,通过对比横断面的平均流速来判断各丁坝群减缓流速的差异性,并详细分析和解释其减缓流速差异性产生的机理。研究发现：水力插板透水丁坝群和井柱桩透水丁坝群流速的减少率和减少量同实体丁坝群相比,分别提高了34%,23%和107%,84%。流速减缓会影响丁坝的局部冲刷和坝后淤积,再对各丁坝群附近的地形进行测量,并用surfer8.0绘制了各丁坝群附近的地形图。结果发现：实体丁坝群的局部冲刷情况最为严重,坝后淤积范围最小;水力插板透水丁坝群的局部冲刷情况最不严重,坝后淤积范围最大;井柱桩透水丁坝群的局部冲刷情况和坝后淤积范围介于两者之间。     

航道整治水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响——以荆江周天河段为例

以长江中游荆江周天河段航道整治工程为例,采用平面二维水动力数学模型,对工程修建后水流流态、水位和流速等水力因素变化进行计算分析,进而研究航道整治工程所导致的水文情势变化对河段内四大家鱼产卵场的影响。研究表明:工程实施后,产卵期水位变化约-0.01～0.01 m,流速变化约为-0.10～0.15 m/s,不会对产卵场水流流态造成大的影响;潜丁坝工程会导致局部流速以及附近河床冲淤的变化,但客观上起到了人工鱼礁的作用,为鱼类提供良好的庇护、栖息及觅食等环境,一定程度上有利于鱼卵的受精和正常孵化;工程水下沉排和抛石使得局部河床地形更为复杂,但对河床地形地貌影响范围和程度较小。     

丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

Experiments and numerical simulations on transport of dissolved pollutants around spur dike

The flow field around a spur dike has three-dimensional characteristics.In order to analyze the influence of the flow field on pollutant transport,based on a compressive volume of fluid(VOF)scheme,the three-dimensional transient compressive pollutant transport model(CPTM)and the cubic equation(CE)bounded differencing scheme were developed.For the calibration and validation of CPTM,laboratory experiments were carried out in a flume with a non-submerged spur dike.The spur dike was angled at 60°,90°,and 120° from the upstream direction.The simulation results agreed with the experimental results.The simulations and experiments showed that the distribution of pollutant concentration was determined by circumfluence and the main flow.Concentration decay in the circumfluence zone was slower than that in the main flow.Downstream of the spur dike,the concentration fluctuation became intensive with the increase of spur dike angle.     

溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟

为研究河道弯曲和障碍物对溃坝波传播的影响,采用有限体积法对描述水流运动紊流模型和描述自由水面运动的VOF方程进行离散,建立了溃坝水流运动的三维数学模型,并对急弯河道进行了数值模拟计算。急弯河道溃坝波传播过程的模拟结果与前人实体模型试验结果基本一致。利用该模型研究了丁坝附近溃坝波传播的特性和溃坝水流的内部结构,数值模拟结果表明,溃坝波的传播受河道弯曲或障碍物的影响,产生反射和绕射,使得局部溃坝水流呈明显的三维特性。上游丁坝迎水面受到溃坝波波前的直接冲击,其动水压力远大于作用于下游丁坝的动水压力。另外,障碍物对溃坝水流的影响主要局限在障碍物上游和下游一定范围内,在此范围外,水流呈二维或一维特性。     

非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义.采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基于平面二维水流泥沙数学模型,探讨非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性.结果表明:① 不同流量过程...     

不同透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的试验研究

水力插板透水丁坝新型护岸结构的提出提高了新疆粉细沙河床上治河工程的防洪护岸效益。本文为了探讨透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的影响,利用动床模型水槽试验研究了水力插板透水丁坝缓流效果、局部冲刷及坝后最大淤积高度随透水率的变化规律,为透水率这个重要工程设计参数的合理选取提供理论依据。试验结果表明:水力插板透水丁坝坝后流速的减缓效果明显,且透水率对坝后流速的影响较小;坝头最大冲刷深度随着透水率的增大而变小;坝后最大淤积高度随透水率的增加先增加后减小;当透水率为30%左右时,水力插板透水丁坝的防冲促淤效果达到最佳。     

丁坝局部冲刷深度的计算

局部冲刷深度是丁坝工程设计中的一个关键参数,本文在对丁坝局部冲刷的过程和影响因素分析的基础上,根据国内外公开发表的试验资料,采用量纲分析和多元线性回归的方法,建立了清水冲刷条件下丁坝的局部冲刷深度的计算公式,并分析了丁坝与水流夹角、丁坝边坡和非均匀沙对局部冲深的影响系数,得出的公式可供在确定丁坝基础埋深时参考。