簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。

生态浮床根系密度及过流流量对矩形明渠水力特性的影响

针对河道中生态浮床对水力特性的影响不明确、不利于河道行洪排涝等问题,研究了生态浮床对矩形明渠水力特性的影响。首先,基于ANSYS-fluent软件,利用多孔介质概化生态浮床,构建了含生态浮床的矩形明渠三维水动力数值模拟模型;然后,用水槽试验验证了该模型的可行性,在此基础上探索了生态浮床根系密度、过流流量对矩形明渠水流水动力特征及其变化规律的影响。结果表明,生态浮床段的流速在垂线上呈“S”型三区分布,且根系密度及过流流量的增大使流速的三区分布更显著;紊动能和雷诺应力与生态浮床根系密度和过流流量成正比,可见生态浮床根系密度和过流流量对明渠水力特性影响较大。

滩势转移法在澜沧江急浅滩整治中的应用

急浅滩是山区河流常见的滩险类型,常规整治方法难以奏效,为此提出滩势转移的整治方法。该方法将原急滩滩势转移为新滩,形成缓流区等供船舶上行的滩段,旨在整体达到通航条件。应用河工模型试验研究手段,以澜沧江曼厅大沙坝河段的无名洲急浅滩为例,分析滩险特性和成因,指出扩大泄水断面法等常规整治方法难以整治的根由,阐明滩势转移法的基本思路、工程布置以及整治效果的分析方法,得出滩势转移法的适用条件和范围。滩势转移法适用于滩间关联性较强、常规整治方法影响大的滩群整治中,原滩整治后消滩指数X_(F)不宜过低,以0.8~1.0为宜;新滩需要较强的束水作用,但形成的急滩碍航区不能过宽,需留有上滩适航区。

生态浮床布设下明渠水流结构及阻力特性试验研究

生态浮床已广泛运用于城市河道净化工程,但浮床布设改变了原河道断面水流结构,增加水流阻力,可能降低河道行洪能力。现有研究主要针对浮床水动力学特性分析,而关于浮床引起的水流阻力变化定量研究较少。为此,通过水槽试验研究了浮床刚性植物在10、20、30 cm三种淹没深度及平行、交错两种布置方式的组合工况下对水槽断面水流结构产生的影响。由于传统的曼宁公式无法直接用于浮床覆盖区糙率系数的求解,基于等效断面原理增加浮床阻力项,求解浮床覆盖区综合糙率与刚性植物附加糙率。结果表明,淹没深度越大,浮床阻水效果越强;交错布置方式比平行布置方式更增加水流阻力;浮床刚性植物在平行布置条件下断面综合糙率在0.381~0.417之间,交错布置条件下断面综合糙率在0.397~0.427之间,断面综合糙率随植物淹没深度和布置方式的变化而变化。

体型参数对梯形旋流排沙渠道水力特性的影响

为明确起旋室和排沙洞体型参数对梯形旋流排沙渠道水力特性的影响,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,研究了各参数下旋流排沙渠道的分流比、空腔形态、压强、流速,对比分析了不同断面型式的水力特性。结果表明,增大起旋室进口宽度,或减小起旋室出口宽度、起旋室高度、排沙洞直径,均能减小梯形旋流排沙渠道的分流比;起旋室出口宽度是影响分流比的主要因素,排沙洞直径偏小会限制排沙洞内空腔的发展;增加渠道水面与排沙洞出口间的落差后可在排沙洞内形成更有利于泥沙运动的旋转水流;梯形旋流排沙渠道的水资源利用效率更高,当渠道来流量为89.6 m^(3)/h时,梯形旋流排沙渠道的分流比较矩形渠道的降低了6.6个百分点,且同一位置处的旋转水流流速更大。研究成果可为旋流排沙渠道在引水工程中的设计与应用提供参考。

柔性淹没植被间水流流速分布规律试验研究

为了研究柔性淹没植被带内植被间水流流速的分布规律,选用柔性塑料草进行水槽实验,在矩形和梅花形两种排列方式下,通过设置不同的流量和淹没度,对植被间沿水流和垂直水流方向的流速进行了分析。结果表明,植被间沿不同方向的纵向垂线流速曲线有较大差异;流量、淹没度等水流条件的增加和排列方式的交错化都会使植被对水流抑制效应增加,但水流条件对植被冠层区流速的影响要大于排列方式;垂线平均流速在两种排列下,随流量的增加,流速增幅减小,随淹没度增加,流速降幅增大;梅花形排列的流速较矩形小,水流条件改变时流速变动幅度也小,实际工程中阻滞水流、调洪和错峰效果更好。

基于遥感指数与深度学习的黄河冰凌遥感监测识别分析

黄河流域特殊的地理位置和环境因素造就了其复杂的凌情特征,及时准确掌握凌汛期间冰凌变化规律与特点是凌汛监测防治的关键任务。卫星遥感可实现黄河冰凌的大范围快速提取,目前常用的方法有遥感指数与深度学习两类,为验证和对比不同方法对黄河冰凌遥感监测识别的有效性,基于Sentinel-2遥感数据,利用归一化积雪指数及其改进形式和U^(2)-Net等三种方法对2023年黄河宁蒙段冰凌进行遥感提取。结果表明:NDSI、MNDSI、U^(2)-Net三种方法的结果分类精度分别为83.42%、87.98%和92.01%;Kappa系数分别为0.88、0.90和0.97;三种方法均对冰凌有较好的提取效果,但指数法对于流凌、清沟等其他类型的识别效果较差,浅滩处提取的边界较为杂乱,U^(2)-Net可以精确区分出清沟,提取冰凌边界的效果更好。

输水明渠着生藻类群落结构特征对水动力条件的响应

明渠输水系统的着生藻类异常增殖会淤塞拦污栅,降低明渠输水能力,并增加清理工作压力。目前,有关着生藻类对水动力的响应研究多在天然河流、湖泊中开展野外原型观测,针对混凝土衬砌表面着生藻类的水动力研究仍然少见。由于混凝土基质与泥沙基质的显著差异,着生藻类在衬砌明渠和自然水体中对水动力的响应特性不同。为探究水动力对明渠着生藻类生长及群落结构的影响,特开展明渠中着生藻类的培养观测及水动力冲刷实验。通过分析着生藻类叶绿素a含量、群落结构、无灰干重、细胞密度等指标,以探究不同基质粗糙度、不同生长阶段的着生藻类对不同水动力条件的响应。结果表明:着生藻类建群过程具有3个明显阶段,分别为迟滞期、指数生长期、稳定期;随着流速增大,着生藻类生物量先上升后下降,当流速v>0.6 m/s时,着生藻类的生长被显著抑制;冲刷流速增大至v=0.8 m/s的2天后,着生藻类生物量显著减少,群落多样性下降。在着生藻类建群迟滞期(实验中约3周),该阶段提高流速对着生藻类生物量的冲刷剥离效果最明显;基质粗糙度越小,着生藻类建群迟滞期越长,通过水力冲刷的除藻效果越明显。本研究探索了不同水动力条件下明渠着生藻类的响应规律,有助于认识明渠着生藻类的群落特征,可为明渠输水系统内着生藻类水力调控提供重要依据。

双层虚拟垂线时差法流量计算模型实证研究

为提高天然河道河流流量在线监测精度,基于超声波时差法多层测流技术,提出并构建了双层虚拟垂线时差法流量计算模型,对江苏省秦淮新河水利枢纽泄洪期进行了计算,并与同期开展的走航ADCP流量比测结果进行对比分析。结果表明,该双层虚拟垂线时差法流量计算方法在一定程度上克服了由于天然河道水情条件复杂而导致率定期长的难题,河道流量测验精度高,计算的泄洪期河道流量与走航ADCP测量数据基本一致,相关系数为0.999,相对误差均在15%以内,在一定程度上能够满足洪水期河道流量测验精度要求。

涉水桥群对河道水动力累积影响概化研究

涉水桥梁的高密度建设可能对河道产生一些不利影响。为探究桥群对河道水动力的累积影响,通过建立平面二维水动力学模型分析平原河道中桥群建设前后河道壅水高度、流速等水动力特性的变化,得到河道水动力对桥梁数量、桥梁距离的响应关系。结果表明:桥群会对上游河道形成桥前壅水和墩前冲高,墩前冲高远大于桥前壅水,冲高影响在距桥群上游8倍墩宽的距离时几乎消失;河道水动力累积影响随桥群数量的增加而显著增加;当桥梁之间距离超过160倍墩宽时,累积影响几乎消失。因此,在桥梁建设中需合理设置桥梁数量、桥梁间距以减小桥群的累积影响。

边滩对分层河岸带潜流层溶质迁移过程的影响

为探究边滩对分层河岸带潜流层溶质迁移过程的影响,利用双循环可控式河岸带模型,通过10组物理模型试验,定量分析了不同边滩淹没深度、河岸带基质和地表水流速条件下的溶质迁移特性。结果表明:边滩促进了滩前和边滩区域的溶质迁移,抑制了滩后区域的溶质迁移;随着边滩淹没深度的增加,溶质迁移速率和面积增加,但当边滩由部分淹没转变为完全淹没时,对溶质迁移过程的促进作用减弱;河岸带潜流层的分层结构显著抑制了溶质的微速迁移阶段,分层条件下微速迁移阶段的溶质质量仅为砾石条件下的1/3;3种因素对溶质迁移过程的影响程度依次为淹没深度>河岸带基质>地表水流速。本研究丰富了河岸带潜流交换理论,可为河岸带生态修复提供科学依据。

非均匀散粒粗糙床面明渠水流流速结构PIV试验研究

鉴于床面非均匀散粒粗糙直接影响明渠水流的流速结构问题,基于PIV水槽试验,研究了非均匀散粒粗糙床面明渠水流的流速结构,探讨了水流时均流速沿流向和沿垂线的分布规律,分析了脉动流速的象限分布特征。结果表明,梅花形排列的大尺度非均匀散粒粗糙显著影响了颗粒顶部以下的水流结构,大、小颗粒周围时均流速结构相似,颗粒大小明显影响了流动分离区形状尺度和内外层流体分界点位置;象限分析显示外层流体中,大颗粒使其上方区域Q2、Q4事件的概率减小;内层流体中Q1、Q3事件占主导,颗粒上游及大颗粒附近相比下游及小颗粒附近更易产生强紊流事件。

植被弯曲形态对水流的阻力效应研究

植被化生态河道的阻力特性是环境水力学的研究热点之一。为探寻柔性植被不同弯曲倾角下的阻力特性,利用圆柱铝棒进行弯曲模拟柔性植被,并采用测力装置,对不同倾角状态下圆柱铝棒及流速范围开展室内水槽试验,首先研究直立圆柱铝棒阻力与流速之间的关系,得到的拖曳力系数Cd符合已有研究,同时验证了测力装置的可靠性;随后开展不同倾角下的植被阻力试验,得到Vogel数随着倾角的减小呈逐渐降低最后突增的趋势。当植被弯曲时,已有的刚性直立植被丛模型不再适用,通过引入与倾角相关参数Cθ对模型进行修正,显著提高了模拟精准度。研究结果可为生态植被化河道水力学精准模拟提供技术支撑。

低压浑水管道输沙规律研究及水流挟沙力计算

【目的】确定输水工程适宜运行的水力条件。【方法】以巴音沟河流域输水工程为研究对象,通过数值模拟的方法研究不同泥沙质量浓度、压力条件下浑水管道输沙规律及水流挟沙力特性。【结果】(1)管道断面垂向泥沙质量浓度分布受压力、体积含沙量及管径等因素的影响;当压力及管径较小时,泥沙淤积厚度为6.3~8.0 mm,压力及管径较大时,在Y=-0.07区域以下淤积较多,淤积厚度达到8.6~9.4 mm;(2)同一管径及流速下,随着体积含沙量的增大,该区域流速梯度增大,最大增幅为14%;(3)随着水流速度增大,水流挟沙力增大,悬移质质量浓度也越大,但是悬浮指标逐渐变小。【结论】在低压浑水管道中,管径越大、泥沙质量浓度越大、压力越小,水流挟沙力越小,泥沙越容易淤积。

基于固-流-热耦合的移动式曝气装置扰流增温特性

移动式曝气装置通过推流螺旋和曝气扰动水体掺混,提升水面温度,阻碍渠道水流结冰,可延长寒区渠道冬季输水时间。为对移动式曝气装置在明渠水环境中的运行进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟,基于固-流-热耦合模拟技术,对不同装置曝气参数和运行条件下的明渠水流物理场进行仿真分析,并对装置运行效果进行评价。结果表明:移动式曝气装置对渠道水流表层温度有一定提升作用,增加曝气速度,可以增强水体的温度掺混效果;曝气深度的增加能够扰动更深层的较高温水体,但考虑岸坡影响,推荐1.5 m深度的曝气参数;增大行走纵距可以提高影响水体范围,但会产生“低温断层区”,最优行走纵距为2 m;行进速度对温度提升影响趋势先减弱后增强,行进速度大于2 m/s时,速度越大,装置对渠道水流的扰流增温效果越好。

滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性影响的数值研究

为研究滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性的影响,基于Delft3D-FM构建了考虑二次流影响的二维水动力模型,分析了植被平行布置、交错布置、无植被工况下河道断面速度分布、二次流强度和河底剪切应力。结果表明,与无植被工况相比,植被增加了滩槽间动量交换,布置有植被的河道主槽流速增大,植被区流速减小,植被的存在减小了植被区的二次流强度,增大了主槽的二次流强度和滩槽交界带剪切应力;交错布置植被会明显增大主槽二次流强度。

基于二维浅水方程的胖头泡蓄滞洪区洪水演进数值模拟

探究蓄滞洪区洪水演进对蓄滞洪区的防洪工作有着重要意义。为在洪水来临时,短时间内对洪水运动进行预测。运用Godunov型有限体积法建立了1个二维浅水水动力数值模型,该模型的的优势在于采用非结构性三角形网格,能够较好地拟合不规则边界,并采用GPU异构并行技术,有效解决了非结构化网计算耗时长的问题,运用限制器减少二阶精度数值的扩散和振荡,引入负水深和干湿边界处理技术,使模型模拟的精确度得到了有效提高。模型应用多个溃坝水流实验算例对模型进行率定,在验证其具有良好的干湿边界计算能力和静水和谐性的基础上,采用嫩江流域1998年洪水数据对嫩江流域的胖头泡蓄滞洪区的洪水演进进行模拟计算。结果显示:模型对胖头泡蓄滞洪区模拟的蓄水量为34.9亿m^(3),与实测值的相对误差为1.7%,洪水淹没面积为1 267.27 km^(2),与实测值的相对误差为9.24%。对研究区域不同的土地类型进行糙率分区的情况下,模型模拟的蓄水量结果更趋近于实测结果。并行化后的程序能使模型计算速度提升33%,因此模型能快速、精准计算复杂地形溃决水流的洪水演进过程。研究结果可以为蓄滞洪区的防洪规划、灾情预警提供相关信息。

漂浮植被作用下水流纵向流速的垂向分布及离散特性研究

为探究漂浮植被影响下明渠水流流速及纵向离散系数的沿程变化特性,采用Fluent软件中的k-ε模型进行三维数值模拟并与水槽试验结果进行对比分析,在模型验证合理的基础上,对漂浮植被不同根系下探深度及覆盖率下水流纵向时均流速的垂向分布特性进行研究,并基于改进的分区模型分析了含漂浮植被明渠的纵向离散系数。结果表明:漂浮植被水流垂向上可分为含植被水流层、无植被水流层与近河床层。纵向流速最大值出现在无植被水流层,其大小与植被下探深度及覆盖率呈正相关。含植被水流层的纵向流速随植被根系下探深度和覆盖率的增加而减小,无植被水流层及近河床层的纵向流速随着下探深度和覆盖率的增大而增大,且植被覆盖率及下探深度越大含植被水流层与无植被水流层的流速差异越大。纵向离散系数沿程表现出先增大后减小的趋势,在植被区中下游离散最为剧烈,且与植被下探深度和覆盖率呈正相关。

河流中低淹没度下刚性沉水植被阻力系数改进研究

准确评估植被阻力对预测植被影响下的河流流速分布具有重要意义。采用已有研究数据,验证了6种挺水植被阻力系数公式在刚性沉水植被流计算中的适用性,并在已有研究基础上考虑淹没度影响,针对低淹没度情形,提出了改进的阻力系数公式。结果表明,各公式平均计算精度接近,计算流速与实测流速相对误差均在10.20%~15.19%之间;改进阻力系数公式计算精度良好,公式计算流速与实测流速相对误差为3.40%,可用于植被层流速估算,适用范围为淹没度1<H/h_(v)<2且固体体积分数0<ϕ≤0.02。

流量调节和闸门控制条件下的渠池水力响应特性研究

长距离明渠输水工程的水力调控问题直接关系到工程的安全和高效运行。当供水需求发生变化,采取合理的来水流量调节和闸门控制方案是满足下游供水目标的关键。以引汉济渭工程初期运行阶段为研究对象,建立水动力数学模型,重点对输水隧洞和分水池内的水力响应特性进行模拟计算和理论分析,对比了来水流量调节或闸门开度控制条件下黑河供水连通洞达到目标流量时的响应时间及分水池水位变化特征。结果表明,当闸门全开时,秦岭隧洞来水流量越大,下游水位波动出现的时间越早,渠道响应时间越短,水力响应时间随供水流量增加而呈对数函数关系递减;当秦岭隧洞来水流量保持不变时,供水流量随进水闸闸门开度增加而增大,水力响应时间随供水流量增加而呈指数函数关系递增;保持来水流量不变而仅控制闸门开度的调节方式易导致分水池水位超过侧堰顶高程,产生弃水。研究结果对优化调度策略、提高输水系统动态响应能力具有借鉴意义。