基于WEP-QTP模型的近65 a黄河源区径流演变分析

为研究黄河源区径流演变规律,以WEP-QTP(The Water and Energy transfer Processes in the Qinghai-Tibet Plateau)模型为基础构建基于水热耦合的黄河源区冻土水文模型。采用玛曲站2019—2021年冻融期逐日土壤温度及土壤液态含水率对模型进行验证,率定期及验证期决定系数(R²)均值为0.8左右,均方根误差(RMSE)均值分别为1.0℃及0.04左右;采用8个冻土监测点1971—2000年冻融期逐日冻土深度进行验证,决定系数(R²)均值为0.89,均方根误差(RMSE)均值为214.81 mm。模型模拟黄河源区1956—2020年逐月流量过程,效率系数(NSE)为0.8左右,相对误差(RE)为5%左右,表明模型能较好地模拟黄河源区径流过程。利用M-K趋势检验分析得到1956—2020年黄河源区径流呈不显著增加趋势,其变化趋势是降水与气温共同影响的结果。冻融期、非冻融期径流与全年趋势一致。降水增加、气候变暖及冻土退化使径流组分发生变化,地表径流及地下径流均呈增加趋势,但地下径流在全...     

黄河下游高含沙洪水演进及河床冲淤过程的数值模拟

高含沙洪水通过黄河下游河道时往往发生严重淤积,因此,数值模拟研究高含沙洪水的演进过程,对理论研究及实际工程需求均具有重要意义.以往的泥沙数学模型通常不考虑高含沙量对水流控制方程的影响.而这将会影响高含沙洪水演进过程的模拟.本文建立了黄河下游高含沙洪水演进过程的一维非恒定非均匀沙数学模型,该模型不仅在水流控制方程组中采用浑水的连续方程与动量方程,而且通过引入滩槽划分及"二级悬河"处理等技术考虑黄河下游复杂地形下的水沙演进.以1977年的典型高含沙洪水过程为例,分析高含沙量对洪水演进的影响,并率定出模型中的恢复饱和系数、不饱和系数等关键参数.将率定后的模型参数应用于1992年下游实测洪水的模拟,验证模型的适用性.计算结果表明:考虑高含沙的影响后,洪峰流量、水量、传播时间的模拟误差减小,说明在数值模拟高含沙洪水的演进中有必要采用浑水控制方程.     

基于二维水动力学过程的洪泛区避难逃生路线优化模型及应用

在洪水风险管理中,通常认为逃生距离与淹没水深是灾民避难迁移的控制因素,而洪水泛滥过程以及人员所在位置的时空分布对避难逃生时机与路径选择会产生较大影响。在构建的洪泛区避难逃生路线优化模型中,采用二维水动力学模型,模拟洪泛区的洪水演进过程;采用Dijkstra算法推求最短路线,考虑水流对逃生速度的影响,根据洪水中人体的稳定程度及最迟逃生时刻确定最优避难逃生路线。该模型计算结果能为指导洪泛区灾民逃生及路网选址提供参考依据。以1958年7月和1982年8月兰考东明滩区漫滩洪水为例,分析了漫滩洪水中人体危险程度变化情况,比较了2场洪水中3个受灾点最优避难逃生路线的位置及最迟逃生时刻。计算结果表明:根据最优路线开展逃生将为灾民赢得3~6 h的逃生时间;2场洪水中灾民逃生的最优路线位置相同,可据此适当调整已建路网或规划逃生专用的通道;因1958年洪水的洪峰及水量均较大,所以最迟逃生时间较1982年提前2~3 h。     

粘性泥沙冲刷源项公式的改进

为研究粘性泥沙的冲刷规律,本文引入床沙相对干密度以反映冲刷源项与床沙干密度的关系,提出分别适用于弱固结和强固结河床的冲刷源项公式.采用室内粘性泥沙的冲刷试验资料确定公式中各系数,然后采用天然沙及细颗粒石英沙的冲刷试验资料验证强固结河床的冲刷源项公式.计算得到的冲刷源项与实测值符合较好,结果表明这两个公式能够用来计算水沙数学模型中粘性泥沙的输移过程.     

荆江石首河段近50年河床演变分析

河道裁弯及三峡工程运用对荆江石首河段的河床演变产生了显著影响。结合实测水沙及地形资料分析,研究了该河段近50年来的河床演变特点,主要包括河床冲淤、平面及断面形态调整三个方面。分析结果表明:两次裁弯使得石首河段平面形态发生显著调整,1966-1975年该河段深泓平均摆幅达42.0m/a,且总体向左岸摆动。三峡工程运用后,大规模护岸工程的实施使石首河段的平面形态趋于稳定,深泓平均摆幅减小到29.8m/a,但北门口下段、调弦口弯道等位置的深泓摆动仍较为剧烈,使得这些局部河段岸线崩退现象十分明显。此外还分析了石首河段断面形态的调整过程,并建立了河段平滩河槽形态参数与前5年汛期平均水流冲刷强度的经验关系式,用于反映河段平滩河槽形态随水沙条件的变化趋势。     

二次流对微弯河段水沙输移影响的数值模拟研究

二次流运动是影响弯道内流速、含沙量分布及河床冲淤变形的重要因素.以往二维数学模型很少考虑二次流运动对水沙输移的影响.本文采用Delft3D模型的二维计算模块,通过在水沙输移方程中添加附加应力项来考虑二次流运动的影响,计算了不同流量级时荆江沙市微弯河段的水沙要素分布,并用实测流速和含沙量资料验证了模型的可靠性.在此基础上,详细分析了二次流运动对流速、含沙量分布的影响,以及上游来流量大小与二次流对水沙输移影响程度的关系.最后对水流运动方程中的二次流附加应力项、水面比降项及阻力项的大小进行了量级分析.这些计算结果表明:二次流对水沙输移的影响程度随着来流量的增加而增大,但在微弯河段其影响程度很小.     

挟沙水流紊动扩散系数的研究

本文通过理论分析，得到剪切紊流中紊动粘性系数υt(紊动扩散系数)沿水深服从F-分布，用于计算悬移质含沙量沿垂线分布与Rouse公式、张红武公式一致，规律符合实际，可用之于紊流计算与分析.     

冲积河流崩岸机理、数值模拟及预警技术研究进展

冲积河流崩岸不仅影响河势稳定,而且威胁两岸堤防等重要涉水工程安全。近年来由于上游来水来沙变化及水库运用等影响,长江中下游及黄河下游河段河床冲刷,崩岸现象突出,增大了河道防洪压力。从崩岸机理、数值模拟及监测预警技术3个方面总结了冲积河流崩岸的研究进展,指出了仍待解决的几个关键问题。在崩岸机理方面,阐明了崩岸发生的力学条件及影响因素,但需深化研究各因素之间的相互作用。崩岸数值模拟方法的快速发展为崩岸预测提供了有效的技术手段,但需更为全面地考虑崩岸机理,并有效刻画河岸边界条件的沿程变化。在监测预警技术方面,通常以局部岸段的地形及水沙条件监测为主,崩岸预警等级划分指标及方法多以经验法为主,需建立统一的、完善的评估体系。     

黄河小浪底水库水–沙–电耦合过程计算

小浪底水库是保障黄河下游防洪、供水等目标的关键性骨干工程,故研究小浪底水库优化调度方式对于水库塑造下游河道形态及排沙减淤等方面具有重要意义。本研究建立了小浪底水库水-沙-电耦合的优化调度模型,通过经济价值量化发电效益与水库排沙减淤效益,形成发电效益最大和综合效益最大两类优化目标;根据小浪底水库拦沙后期调度规程,对坝前水位、下泄流量、水轮机出力进行约束,并且采用动态规划逐日求解,分析了在不同优化目标下典型枯水年(2015年)与丰水年(2012年)的调度方案及其结果。结果表明：1) 当优化目标为发电效益最大时,2015年和2012年的优化方案分别实现了71.30亿kW·h和102.15亿kW·h的发电量;2) 当综合效益最大为优化目标时,2015年的优化方案可实现排沙量0.31亿t与发电量70.17亿kW·h,而2012年的优化方案可实现排沙量1.66亿t与发电量95.24亿kW·h;3) 两种优化目标都实现了综合效益的提升,而以综合效益最大为优化目标时,牺牲部分发电效益来换取汛期库区冲刷,增加了水库使用寿命与水库排沙减淤效益,相较实际方案进一步提升了综合效益;4) 两个典型年份的优化方案均较实际调度结果实现了发电效益与综合效益的提升,且丰水年的提升更为明显。此外还针对典型年份现有调度方式,提出了相应的优化建议。     

三峡工程下游卵石夹沙河段床沙粗化计算

三峡工程运用后,下泄清水持续冲刷河床,造成长江中游河段床沙逐年粗化,对长江中游河段水沙输移及河床演变规律的研究产生重要影响。为研究三峡工程下游宜枝河段、枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程,基于Markov三态转移概率矩阵,引入非均匀沙隐暴系数,得到卵石夹沙河床上床沙级配、推移质级配及悬沙级配的概率计算模型(沙量平衡方程),能够同时考虑前期水沙条件、床沙起悬及冲淤过程对床沙交换过程的影响。结果表明：2003～2017年,枝城站床沙发生明显粗化,泥沙颗粒级配分布曲线左移,2003年床沙粒径范围为0.002 mm～41 mm,2017年变为0.031 mm～86 mm;此外,该断面床沙中值粒径总体呈上升趋势,并在2010年以后有一定波动,但波动幅度较小;并以汛初、汛末为时间节点,将枝城站年内月均床沙变化过程分为三类。通过枝城站2003-2009年实测资料验证,本文建立的概率模型计算结果与实测资料符合较好,能够应用于三峡工程下游宜枝河段及枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程的预报,为今后非均匀沙运动及非平衡输沙机理的研究提供理论基础。