水库拦沙对黄河下游河床演变的影响

为充分认识水库拦沙对其下游河道河床演变及防洪的影响,基于三门峡水库和小浪底水库拦沙期水沙及断面观测资料,研究了黄河下游河槽冲淤、洪水冲刷效率、河槽几何特征、排洪能力等规律。结果表明:水库拦沙期,黄河下游沿程河槽均发生了不均衡冲刷;河床粗化明显,粗化后床沙中值粒径最大值为冲刷前的2.1~2.5倍;高村以上河段同水位过洪能力增加明显,冲刷后较大的河槽容积可为小浪底水库排沙提供暂时的滞沙;河床粗化后细泥沙和中泥沙补给能力不足,河槽冲刷效率随冲刷历时的增加衰减明显。由于水库多年调节水沙过程及下游相对完善的河道整治工程约束,小浪底水库拦沙期黄河下游河槽冲刷重心下移,河床粗化程度增加,冲刷效率明显降低。研究成果可为水库水沙调控技术指标的选取提供科学依据。

黄河下游花园口以上河道滞沙指标研究

水沙搭配关系是影响黄河下游河道冲淤调整的重要因素,局部河段滞沙则是改善下游水沙关系的有效手段之一。小浪底水库运用后,河槽沿程冲刷不均衡,河床粗化,细沙补给不足,输沙效率明显降低。分析黄河下游河道冲淤特性及水沙演进规律,建立不同类型洪水滞沙河段(花园口以上河段)与排洪瓶颈河段(高村—艾山河段)的冲淤关系。基于滞沙对河道行洪和稳定性的影响,以排洪瓶颈河段不淤积为约束,提出洪水滞沙的水沙优化配置指标。中泥沙洪水滞沙指标为:洪水平均流量为1800~3700 m^(3)/s,平均含沙量为66~235 kg/m^(3)。

不同高度离岸堤对波生流及地形演变影响的数值研究

不同高度的离岸堤是近岸沙滩防护的重要构筑物,其在波浪作用下的动力地貌响应有所不同。文章基于Xbeach岸滩演变模型,通过经典算例验证了斜向浪作用下离岸堤附近的波生流场及地形演变过程,进一步分析了正向波浪作用和堤顶高程变化的影响,并针对人工离岸沙坝,模拟了沙坝变形以及近岸动力地貌的变化特征。研究表明:离岸堤掩护下堤后会出现波高梯度变化,进而形成沿岸流及离岸流;当堤顶高程降低,波浪会在潜堤上发生破碎,从而形成向岸流;不同高度离岸堤附近的波生流场差异较大,其导致的地形演变趋势也会不同;随着堤顶高度的增加,近岸的侵蚀淤积会逐渐增大;人工沙坝在波浪作用下不断向岸移动,其高度逐渐降低,对近岸可起到沙源补充的作用。

澳门内港挡潮闸工程泥沙淤积特征分析

为研究澳门内港挡潮闸工程闸址位置的泥沙淤积特征,采用现场试挖槽原型试验、标准水槽内淤沙抗冲流速试验等方法进行研究分析。结果表明工程位置泥沙属于典型的悬移质沉降淤泥性质,中值粒径为0.013~0.022mm,泥沙平均每月淤积厚度约为0.12m,淤积速率初期快于后期,汛期大于枯期;泥沙淤积起动流速在0.76~0.88m/s范围内波动,泥沙板结力(或抗冲流速)增加的速率约为0.14(m/s)/月。研究成果可以为澳门内港挡潮闸工程设计和运行管理提供基础数据支撑。

基于SARIMA模型的黄河水沙通量规律的研究分析

为了研究黄河水沙通量的变化规律对黄河流域的影响,保障黄河流域可持续发展,本文选用统计学分析方法和时间序列模型相结合,综合利用MATLAB、SPSS和Python等软件分析黄河水的变化规律,并制订出未来两年最优的采样监测方案。本文所用案例为2023年全国大学生数学建模竞赛E题-黄河水沙监测数据分析的题目进行研究分析,所得结果与实际查阅资料结果非常吻合。

不同形状的珊瑚砂颗粒沉降试验研究

珊瑚砂在液体中的沉速是反映泥沙运动特性的一个重要物理量。由于珊瑚砂形状多样,套用现有的珊瑚砂沉速公式进行计算并不合适。针对珊瑚砂颗粒开展形状分析,将珊瑚砂颗粒分成枝棒状、片状和块状3种形状,然后开展单颗粒沉降试验。基于试验数据,分析不同形状珊瑚砂颗粒的沉降特性,与各家理论公式计算结果进行比较分析,选取经典的珊瑚砂颗粒沉速公式,引入颗粒形状系数进行公式修正,从而推求了枝棒状、片状和块状珊瑚砂颗粒的阻力系数和沉降速度公式。该公式充分考虑不规则珊瑚砂颗粒形状的影响,具有更高的计算精度和适用性。

高山峡谷区山洪沟口泥沙堆积特征数值试验

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象,其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀,并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深,难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程,无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征,易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征,以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象,采用耦合的计算流体力学(CFD)与离散单元法(DEM)数学模型,模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程,重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明:泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势,过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大,泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关,可以使用具有3个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。

金沙江下游三堆子河段卵石推移质输沙率公式研究

金沙江上中游梯级水库运用后,进入下游的悬移质输沙量大幅减少,水沙条件显著变化;同时,卵石推移质输沙量在总输沙量中的比重明显增加,对水库淤积进程影响显著,开展变化水沙条件下金沙江下游卵石推移质输移规律研究具有重要意义。基于下游入口三堆子水文站2008—2021年卵石推移质实测资料,对经典起动流速公式和推移质输沙率公式进行了检验与修正。结果表明:与经典起动流速公式计算结果相比,通过引入以卵石粒径为变量的系数,所得到的不同粒径范围的卵石推移质起动流速修正公式,计算精度显著提高;经典推移质输沙公式的计算结果在输沙强度较低时与实测值偏差很大,通过建立输沙强度与水流强度的关系,并引入隐暴参数对公式进行修正,明显提升了其在低输沙率情况下的计算精度。修正后的起动流速公式和推移质输沙率公式能更有效地反映三堆子河段卵石推移质的输移规律。

上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响

三峡工程运用后荆江河段处于持续冲刷状态,分析上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响,对掌握坝下游河道演变规律具有重要意义。本研究基于2003—2020年荆江河段实测水沙及冲淤量资料,建立河段累计冲淤量与河段上下游边界条件之间的函数关系,并重点分析顶托作用对荆江河段冲淤的影响。结果表明:(1)荆江河段累计冲淤量与河段进口水流冲刷强度呈正相关,与进出口水位落差呈负相关,河段冲淤过程是二者共同作用的结果;(2)建立进口水流冲刷强度、进出口水位落差与荆江河段累计冲淤量的函数关系,能较好反映上下游边界条件对河段冲淤过程的影响(R^(2)>0.92);(3) 2003—2020年荆江河段累计冲刷量为12.3亿m^(3),在假设无洞庭湖入汇顶托的情况下比实测值增加0.67亿m^(3),即入汇顶托能使荆江河段冲刷量减少约5%;同期上、下荆江累计冲刷量分别为7.3亿和5.0亿m^(3),入汇顶托能使冲刷量分别减少约1%和16%。洞庭湖入汇顶托会导致荆江河段的冲刷量减少,对下荆江冲淤影响更显著。

长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究——幕式再悬浮和底形运动

在长江口区主航槽中利用悬浮物浓度测定系统（ＡＣＰ１） 第一次获得了近底紊流“猝发”（ｂｕｒｓｔ） 和床面泥沙喷发（ｅｊｅｃｔｉｏｎ） 的连续时间序列可视图像和数据，同时利用高分辨率流速仪以及旁侧声纳、热敏式双频测深仪等手段获得了大量底形沙波的实测图像和数据。这些图像和数据结果表明：长江口南支南港之间粗粉砂至极细砂在涨落潮流的作用下，呈现静止———细颗粒泥沙起、悬扬———粗颗粒喷发运移的同时进行大尺度底形运动—细颗粒起扬、悬扬—静止的输移循环模式，即当Ｕ＜ ５０ｃｍ／ｓ，泥沙在底床上基本不运动；５０ｃｍ／ｓ＜ Ｕ＜ ６５ｃｍ／ｓ，小尺度紊流猝发发生，泥沙开始小尺度起扬，并有幕式猝发现象；６５ｃｍ／ｓ＜ Ｕ＜ １００ｃｍ／ｓ 时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；１００ｃｍ／ｓ＜ Ｕ＜ １１０ｃｍ／ｓ 时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发；到了Ｕ＞ １１０ｃｍ／ｓ 时，宏观紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。由于 Ｕ＞ １１０ｃｍ／ｓ的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达１３７ｃｍ／ｓ，落急（ 流速＞ ?

恒定流作用下泥沙垂向相对暴露度试验研究

基于泥沙三维受力分析,探讨垂向相对暴露度对单颗粒泥沙起动的影响,推导考虑垂向相对暴露度影响的单颗粒泥沙起动流速公式。通过概化单颗粒泥沙起动试验测量数据,明确泥沙起动公式中的上举力系数与拖曳力系数。研究结果表明,上举力系数和拖曳力系数与水流条件和颗粒粒径有关,在恒定流作用下垂向相对暴露度增大导致拖曳力系数和上举力系数增大。当垂向相对暴露度到达一定数值后,拖曳力系数与上举力系数均有逐渐减小的趋势。相同泥沙粒径情况下,单颗粒泥沙起动流速随着垂向相对暴露度的增加而增加。垂向相对暴露度不仅改变单颗粒泥沙所受力臂大小,且改变了作用在单颗粒泥沙上的流速大小,影响了泥沙的起动。

基于AI图像识别的床面形态特征参数和迁移速度分析

床面形态特征和迁移速度是影响水流阻力和推移质泥沙输移的关键因素,对于分析河床演变趋势、河底生境系统和人类活动的影响具有重要意义。本文利用AI视觉大模型技术,从试验水槽侧壁获得了长时间、高时空分辨率的床面形态动态发展数据。采用改进的床面形态量化方法和迁移速度计算方法,提取了9种工况下的床形特征参数和迁移速度。结果表明:在动态平衡状态下,床面形态特征参数和迁移速度仍存在显著的随机波动,其中迁移速度的波动性和变异性较高,床面形态的平均迁移速度随泥沙运动强度和推移质运动强度的增加呈幂函数型增长,相对波高、陡度与泥沙运动强度符合抛物线关系;约95%的背流面角度集中在10°~30°,与陡度呈线性关系;床面形态和迁移速度均呈现明显的右偏分布且具有拖尾特征,其中波高、波长符合Birnbaum-Saunders分布,其他床面形态特征和迁移速度遵循伽马分布。

明渠湍流结构对粒子运动跟随性影响综述

近年来大量学者通过室内试验、现场观测以及数值模拟等方法对明渠湍流中粒子的运动规律进行了深入细致的研究,逐步揭示了明渠湍流中粒子运动复杂性的本质和规律,并将成果应用于河流泥沙输移、河流地貌演变以及生态环境保护等多个领域。鉴于明渠湍流具有明显的分区效应,其湍流流速分布、分区结构组成以及相干结构分布特性等对水中粒子的运动过程均会产生显著影响,对水中粒子在明渠湍流结构中的整体运动规律、湍流结构内区以及外区的运动过程进行了总结;重点阐述了近壁区粒子运动规律的反常现象和原因,以及湍流结构中粒径、密度和Stokes数这3个影响粒子运动过程的主要因素。研究成果可为泥沙运动以及生态保护等研究及应用提供参考。

波浪往复流作用下沙纹床面的旋涡结构和悬沙运动数值研究

波浪作用下沙纹上的泥沙输运在海岸地貌的塑造中具有重要的地位,但相关的传统数值模型的精度受制于泥沙近底边界条件等因素。从最大程度节省计算成本且保证精度的角度考虑,该文发展了单相流的泥沙输移扩散数值模型以研究波浪往复流作用下沙纹床面的旋涡结构和悬沙运动。泥沙近底边界条件考虑了非线性波作用下的加速度效应和非对称边界层发展,以及泥沙的质量守恒和相位差效应。模型考虑了颗粒惯性及尾涡对泥沙运动的影响,同时以更适合沙纹上逆压梯度流的SST k-ω紊流模型闭合时均雷诺应力。数值结果与实验数据符合良好,可以准确预测沙纹固定点的周期浓度变化以及平均悬沙浓度在垂向上的分布。该文进一步选用边界截止涡量进行了涡中心、涡大小和涡强度的定量分析,用数值结果描述了旋涡的形成、发展和喷射过程以及对应的沙云团发展。

水沙变化条件下不同边界弯曲河道演变特征研究

弯曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征,其形成、发展和演变是受多种因素综合影响的复杂过程。为研究水沙变化条件下弯曲河流的河道演变特征,采用自然模型法在室内水槽中塑造出相对自然的弯曲河道,设置有、无护岸措施两种工况进行模型试验。结果表明:在有护岸措施条件下,河道纵剖面上游段冲刷下切、下游段变化不大,河道整体比降呈减小趋势,河道深泓弯曲度减小,其演变响应特性对含沙量的变化更敏感;在无护岸措施条件下,河道滩槽演变调整作用较强,纵剖面呈整体式下切,且下游段纵剖面下切幅度较上游段大,河道深泓弯曲度逐渐增大,其演变响应特性对流量的变化更敏感。弯曲河道发生演变的实质是变化的水沙条件与河道形态调整之间相互适应的过程,演变的最终趋势是河道的形态结构与水沙条件达到相互协调的平衡状态。

水流强度对淹没式方桩局部冲刷特性的影响

为研究不同水流强度作用下淹没式方桩的局部冲刷特性及流场变化,开展了非均匀沙条件下的桩基局部冲刷试验,分析了桩周的冲刷地形、冲刷深度变化规律;利用OpenFOAM对不同水流强度下的桩周流场进行了模拟,讨论了桩前马蹄涡、桩周回流和下降水流的分布特点。结果表明:在清水冲刷条件下,桩周的冲刷坑深度、沙丘高度和受冲刷影响区域大小均随水流强度的增大而增大;在平衡冲刷地形下,高水流强度冲刷后桩周流动更加复杂,冲刷坑内的涡流强度大幅度提高;当水流强度接近1时,粗颗粒泥沙对细颗粒的屏蔽效应会在一定程度上影响桩周最大冲刷深度。

长江口北槽最大浑浊带形态影响因素数值模拟研究

为了探明层化、絮凝沉降和可悬浮泥沙量对长江口北槽最大浑浊带形态的影响,基于长江口三维水流、盐度、泥沙耦合模型对三种影响因素开展数值模拟研究。研究结果表明:悬沙制紊可以在盐度制紊基础上进一步加强水体层化作用,促进形成近底高浓度泥沙分布形态。北槽上段受盐水入侵影响小于中下段,层化制紊作用相应较弱,这也是北槽上段悬沙垂向分布较为均匀的重要原因;泥沙絮凝沉速在北槽断面呈现显著的垂向和纵向变化,对最大浑浊带悬沙垂向分布形态影响也具有较明显的沿航道变化特征;悬浮泥沙量沿北槽不均匀分布是造成最大浑浊带含沙量与沿程流速没有良好对应关系的原因,可悬浮泥沙量增加不仅可以提高最大浑浊带整体含沙量,并且可以通过影响层化以及絮凝沉降加强泥沙垂向捕集作用,促进近底高浓度泥沙分布形态。

万宁港北渔港避风锚地扩建工程潮流分析研究

渔港避风锚地潮流流速、流态对船舶安全停泊具有重要影响。针对万宁港北渔港避风锚地扩建工程的实施,结合工程水域历史大小潮水文观测资料,采用二维潮流模型对工程实施前后的潮流流态进行模拟研究,分析工程实施以后流场特征及其可能对周边水动力环境带来的影响。研究结果表明:工程实施后,航道疏浚水深增加,过水断面面积相应增加,航道处在二维平面上表现为流速略有减小。与此同时,由于航道浚深,水流向航道处集中,航道两侧的分流作用减弱,流速也略有减小;与小海南汊道整治工程实施叠加后,南汊道的分流作用明显;小海北汊道分流作用减弱,流速下降。

钱塘江河口段含沙量变化特征模拟分析

钱塘江为强涌潮、高含沙、强冲淤的冲积性河口,认识潮流作用下含沙量变异特征对河口防灾减灾、资源利用保护和治理具有重要意义。结合水沙实测资料分析和二维数值模拟的方法,研究了钱塘江河口段含沙量时变特性和空间分布规律,探讨了其纵向分布对潮流动力、尖山河段河势的响应。结果表明,在潮周期内含沙量呈强烈的时变特征,半月潮周期内含沙量与潮差呈明显的正相关;含沙量纵向分布表现为“仓前至曹娥江口含沙量高、两头低”的最大浑浊带分布特征,横向分布的随潮变化与断面形态密切相关。研究结果对丰富河口输沙规律和治理与管理具有参考价值。

长江口南汇咀近岸水域泥沙输移途径

南汇咀近岸水域位于长江口和杭州湾的交汇带 ,其动力条件、泥沙运移、沉积过程和地貌演变复杂。根据长江口南汇咀近岸水域的水文泥沙观测和沉积地貌等资料 ,通过综合分析研究 ,探讨了长江口入海水沙在南汇咀近岸水域与杭州湾的交换和泥沙输移途径。研究结果表明 ,沿南汇水下沙咀存在一个泥沙通道 ,长江口水沙在多种动力因子的驱动下经过该通道直接进入杭州湾 ,参与杭州湾水沙的周期变化。通过进一步研究还发现 。