基于随机位移方法的河道植被区悬沙沉积分布计算模型

天然河道中,水生植被影响水流特性与悬沙输移规律,使得河道植被区的悬沙沉积分布相比于无植被区更加复杂,模拟难度更高。为探究河道植被区悬沙沉积分布,本文将改进边界条件后的随机位移模型引入植被作用下的水沙输移研究,融合真实形态植被对水流特性的影响,提出了适用于真实形态植被(以芦苇为例)下的悬沙沉积分布计算模型。为验证计算模型的准确性,本文选用具有真实外形的仿真芦苇开展水槽试验,详细测量了不同泥沙粒径、水流条件和植被密度下的芦苇区悬沙沉积沿程分布。试验结果发现:泥沙粒径、上游平均流速和植被密度均影响河道芦苇区的悬沙沉积分布,其中,对植被区前端的悬沙沉积量影响尤为显著。植被区泥沙补给是否受限会导致悬沙沉积呈现两种截然不同的分布。本文提出的数值计算模型可较好地模拟泥沙补给不受限条件下河道植被区的悬沙沉积分布,模拟结果与试验结果的量级和变化趋势均吻合较好;但该模型不能捕捉泥沙补给受限条件下植被区的悬沙沉积分布。综上,本文提出的基于随机位移方法的计算模型可较准确地预测河道植被区的悬沙沉积沿程分布,但仅适用于植被区泥沙补给不受限的情况。

浅水强非线性波作用下的悬沙输运数值研究

波浪作用下的泥沙运动是海岸工程的研究热点;波形效应和表面波效应是公认的影响近岸泥沙输运的原因。由于构建大尺度波浪水槽和相应造波的困难,波浪作用下的泥沙输运实验和数值研究大多基于一维往复流水槽开展,波浪水槽的结果较少。与传统往复流水槽不同的是,波浪水槽可以同时考虑波形效应和表面波效应对泥沙输运的影响,在尺度上更加接近真实情况。该文构建了适用于浅水强非线性波输沙且计算成本低的数值波浪水槽,采用边界造波法造波和阻尼法消波,由VOF模型追踪自由表面。将体现了相位差、质量守恒、加速度效应和边界层非对称发展的泥沙近底边界条件拓展至二维波浪水槽,避免了两相模型对近底高含沙区域颗粒碰撞、摩擦以及动床面捕捉的复杂计算。此外,利用已有成果在泥沙运动中考虑了颗粒尾流涡效应和非静水高含沙的相对速度理论修正。该波浪水槽成功模拟了强非线性二阶椭圆余弦波作用下的泥沙输运,可靠性得到了大尺度波浪水槽实验及包含自由表面波的两相模型结果验证。数值波浪水槽同往复流水槽的结果对比显示,在自由表面波影响下存在额外的向岸流使向岸输沙显著增强。

振荡流作用下近床面泥沙颗粒受力研究

在海岸地区,泥沙运动对地形演变有着显著影响,而泥沙颗粒受到的拖曳力是引起运动的主要作用力.在采用离散颗粒模型研究泥沙运动时,颗粒拖曳力的准确性直接决定了泥沙运动规律计算的合理性,因此研究波浪作用下床(壁)面附近泥沙颗粒的受力对于深入了解泥沙运动规律具有重要意义.采用颗粒解析模型对不同周期振荡流作用下单个泥沙颗粒在近壁面不同距离处的受力进行了模拟分析.模拟结果表明:在相同雷诺数情况下,周期越大,拖曳力系数越小;壁面距离越小,拖曳力系数越大,当距离增大至5倍粒径以上时,壁面的影响不明显.借鉴振荡流作用下圆柱的拖曳力系数,根据模拟结果拟合了振荡流作用下颗粒拖曳力系数随斯托克斯数和雷诺数变化的周期修正公式;借鉴明渠流中颗粒拖曳力系数的壁面修正形式,拟合了拖曳力系数随壁面距离和雷诺数变化的壁面修正公式.

斜坡非均匀无黏性泥沙起动流速公式研究

为探究具有堰塞坝特征的大比降天然非均匀沙河道工程的泥沙颗粒起动流速,在前人基础上重新定义隐蔽度的概念,综合考虑泥沙颗粒的隐暴效应,采用滚动起动模式对斜坡上泥沙颗粒进行受力分析,建立斜坡非均匀无黏性泥沙颗粒的垂线平均流速公式.采用实测资料对该公式及前人总结出的公式进行检验,结果表明本文计算值与实测值吻合度更高,误差更小.

多沙河流悬移质含沙量预测方法探讨

为提高多泥沙河流含沙量预测的适用性,文章采用队列回归模型,以辽宁地区多泥沙河流柳河为具体实例,结合柳河彰武站近20年含沙量实测数据,分析队列回归模型对多泥沙河流含沙量预测的适用性。结果表明,队列回归模型通过建立含沙量回归模型,其含沙量预测误差总体在±20%以内,适合于多泥沙河流含沙量预测。

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。

莆田市延寿溪流域水沙变化时空分布特征研究

为了研究延寿溪流域水沙变化时空分布特征,根据流域水文站和雨量站实测水文资料,通过各年份水文资料对比分析的方法,分析降雨与水沙年际变化、径流泥沙突变以及径流泥沙累积距平变化。结果表明:①在1956-2020年期间,流域年降雨量增加趋势不明显,年径流量呈明显减小趋势,年输沙量呈快速减小趋势;②在1956-2020年期间,年径流量和年输沙量突变点最大峰值和最小峰值均未超过最大统计量值,可认为流域径流量和输沙量没有明显的突变点;③在1956-2020年期间,随着年份的增大,累积径流量和输沙量整体呈先减少再增大再减小趋势,通过累积距平分析,流域年径流量和年输沙量发生突变时间为1974和2001年。

基于分类梯度提升算法的推移质输沙率计算

计算宽级配推移质运动是河流泥沙学科的难点之一。为探寻分类梯度提升算法在预测推移质输沙率方面的效果,筛选了3 060组天然河道输沙数据,将其划分为单一流域和综合流域两组,以此获取算法在这两种情况下的预测结果,并利用3种传统公式进行对比,最后对单点进行多次重复调参验证调参次数对于算法预测性能的影响。结果表明,分类梯度提升算法对单一流域的预测效果优于综合流域;增加训练集和测试集的划分次数能够减轻划分方式带来的影响;多次重复调参可提高算法的预测性能;分类梯度提升算法相较于传统输沙率公式效果更好。

长江口南支河段演变特征及趋势预测研究

长江口为海陆双向河口,其南支受洪潮共同影响,河道演变较为复杂。在分析南支河段河道演变特征的基础上,通过建立长江口南支河段河工模型,重点开展了南支演变趋势预测研究。河演分析表明:20世纪60年代之后,徐六泾人工节点基本形成,上游河势变化对南支河床演变的影响明显减弱,南支河段江岸基本稳定,滩槽位置相对稳定。定床模型试验结果表明:模拟河段最大涨急流速为2.26 m/s,最大落急流速为2.69 m/s。动床模型试验结果表明:2016~2020年(循环4次)+100 a一遇水沙年+300 a一遇水沙年试验条件作用后,典型断面最深点相对冲深约7.8 m。研究成果可为类似河段演变分析提供参考。

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。

非沉降性矿浆管道输送关键参数预测研究

针对均质流过渡流速和紊流水力坡度研究的缺陷,采用实验研究、数据拟合及理论分析等方法对镍铁矿浆管道输送关键参数进行了研究。实验结果表明,随着浆体重量浓度增加,黏度和屈服应力均呈现递增趋势。层流时流变综合系数与浓度呈现近似线性递增关系,与切变率呈现指数为-1的幂函数递减关系,提出了综合有效黏度的计算式,进一步提出了层流状态水力坡度及过渡流速计算式。根据紊流时达西阻力系数与浆体雷诺数的关系,得到了阻力系数及水力坡度的计算公式。计算值与实测值的对比表明,水力坡度计算值最大偏差为12.8%,过渡流速最大偏差为3.9%。层流范围内流速变化对水力坡度的影响很小。

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。