独流减河口潮流泥沙运动规律数学模型研究及清淤方案优选

本文以独流减河为例， 建立了淤泥质短引河河口泥沙数学模型， 对河口泥沙运动规律进行数学模拟研究， 并针对河口规划泄洪能力的要求， 就河口泥沙清淤方案进行了优化计算， 提出了淤泥质河口设计清淤方案的原则． 在数值模拟方面，

常曲率U型弯道水流结构与泥沙冲淤试验研究

通过在常曲率U型弯道水槽试验中采集的流速和水深过程数据,研究了弯道内水流结构及泥沙冲淤形态,分析了水流与床面之间的相互影响。试验发现:(1)弯道水流结构水面线发生扭曲,水流动力轴线及三个方向的垂线平均流速随流程和横向分布均有变化;(2)由于弯道特有的几何特征,使弯道中水流产生特有的弯道环流运动,弯道环流运动引起弯道泥沙的横向输移,形成弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的冲淤特性,反之,床面形态的变化也使水流结构发生改变。研究所得结果可为河流泥沙研究提供参考。

渗流作用下的泥沙运动研究综述

对渗流输沙的形式、泥沙起动的临界条件和泥沙输移模型三个问题进行了总结。目前的研究成果众多,有基于经验数据的总结、有关于理论方法的推导,但总体来说各种成果的适用性都有局限。各种成果的差异的原因需要深入研究,从而找出更精确的理论方法。对于二维渗流以及非饱和渗流作用下的泥沙运动问题需要在以后的研究中得到加强。

圆管有压流输沙与泥沙垂向分选特性试验研究

管道输沙是实现黄河水沙资源重分配的有效手段之一,广泛用于水库泄洪排沙、河道疏浚及滩区淤沙等工程。以黄河流域水库高含沙隧洞和管道输沙为工程背景,设计了循环管道输沙试验系统,以d_(50)=107μm的黄河细沙为试验材料,研究有压封闭环境下不同含沙浓度引起的断面流速、泥沙浓度垂向分布等物理量的变化,并采用Malvern3000粒度分析仪对分层泥沙样品进行颗粒分析,探讨泥沙垂向分选特性。试验结果表明:泥沙的存在会改变清水流场分布,小流量工况的水动力较弱,含沙浓度的增加引起断面流速分布不对称,垂向泥沙颗粒出现明显分层;随着流量增大,流速不对称性有所降低,含沙浓度沿垂向趋近均匀分布,泥沙分选效果减弱。

边界条件对自然河流形成及演变影响机理的实验研究

运用自然模型法,采用清水冲刷成功地塑造了室内天然小河。实验研究了不同的初始河流几何边界条件以及水流条件对河流演变的影响。研究发现流量对河流展宽幅值影响最大。水流入射角的大小与河流展宽幅度及河流弯曲度的变化没有必然的联系,30°入射角时小河的河流展宽及弯曲度变化最明显。入射角对河流演变的作用只是短期的,且在演变初始阶段影响较大。受初始边界条件的影响,河流向下游演变具有滞后性及曲率变化的传递性等特点。本文最后分析了河流演变过程中的泥沙分选现象。

黄河下游花园口至孙口河段高效输沙洪水阈值研究

河流能量耗散率变化反映了河道水沙输移能力以及河床形态的调整规律。本文研究区域为黄河下游花园口至孙口河段,从能量耗散角度出发,结合对实测资料的统计分析,探究了河流边界阻力能耗率与来水来沙、断面形态以及河床稳定性之间的定量关系,并基于边界阻力能耗率与河床稳定性双重指标,确定了花园口至孙口河段的高效输沙洪水阈值。研究结果表明:流量是影响边界阻力能耗率的主要因素,并与边界阻力能耗率的幂次呈线性相关;随着流量增大到2000 m^(3)/s以上,边界阻力能耗率随含沙量增加呈先减弱后增强的趋势。大流量条件下边界阻力能耗率与宽深比呈负相关关系,花园口与夹河滩断面形态复杂,相关性较弱;相比之下高村与孙口断面形态简单,相关性增强。非恒定水沙条件下的河床大多处于失稳状态,在综合考虑河床形态稳定及边界阻力能耗率最低的前提下,计算得出花园口至孙口河段的洪水高效输沙临界流量约为1500 m^(3)/s,含沙量约为23 kg/m^(3)。

尾闾河道形态演变特征的模拟试验研究

尾闾河道是河流与海洋交互的关键地带,对其形态演变研究具有生态环境意义。采用物理试验方法对常见的喇叭状和蜿蜒状(河口左偏与右偏)尾闾河道演变过程进行模拟,研究不同水沙条件下河道演变规律,并以河相系数和相对粗糙度为基准对不同河型稳定性进行评估。试验发现:河道平面形态会经历一个“稳定—微变—强变”阶段;河床平均高程和比降随时间的增加而增大,模型河道上游和河口段变化最大,中游段变化最小;加沙时上游河岸侵蚀、河床淤积,加沙停止后下游与河口段河岸侵蚀大于河床侵蚀,河口分汊、摆动。平面形态不稳定区域:蜿蜒状为下游段,最大与最小河相系数相差6.51倍以上;喇叭状为河口段,最大与最小河相系数相差3.32倍以上。断面形态不稳定区域:左偏蜿蜒状为下游段,最大与最小相对粗糙度相差3倍以上;右偏蜿蜒状为上游段,最大与最小相对粗糙度相差2.03倍以上;喇叭状为下游段,最大与最小相对粗糙度相差4.09倍以上。

河岸植被覆盖影响下的河流演化动力特性分析

河岸植被对河道的水流运动、主槽稳定及河湾迁移等均有重要的影响,尤其是在洪水期河流的演化过程中。为分析不同密度植被护岸对河流动力过程的影响响应,本文采用自然模型实验,通过改变河岸植被种植密度及单双岸布设方式,模拟河岸有无植被种植的河流演化过程。给定相同的造床流量、坡降、泥沙粒径等水沙边界条件,设定控制变量为河岸植被覆盖率,分别为0%,20%,40%,80%。实验结果表明:(1)单岸植被覆盖其主流稳定性较两岸植被覆盖为差;(2)河岸植被越密集,水流对河床的局部扰动越强烈,河演达到稳定状态周期越长;(3)两岸植被覆盖的蜿蜒河道其稳定曲率随植被覆盖率增大而减小,较大的水流剪切力会造成较大的河湾迁移。

有压输沙管道脉动压强特性试验研究

壁面脉动压强是工程上重要的研究对象,脉动强度直接影响泄洪排沙洞、输水隧洞(管道)等建筑物的稳定性和运行安全。为研究不同含沙浓度对壁面脉动压强特性的影响,以黄河细沙(d50=107μm)为研究对象,在直径80 mm的水平管道中进行模型试验,测量出每种工况下的流量、含沙浓度和脉动压强。采用统计方法对测量数据进行多方面分析,并结合快速傅里叶变换(FFT)方法研究了脉动压强的功率谱密度。试验结果表明,时均压强的沿程幅值和瞬时峰值压强均随含沙浓度增加而增大,相对脉动强度随着含沙浓度增大总趋势是减小的;脉动压强概率密度为脉动压强均值接近于零的正太分布,随着含沙浓度增加分布形态从瘦高型发展成矮胖型,压强振幅变大;脉动压强功率谱密度中低频分量随着含沙浓度变大有明显的增加。

泥沙颗粒跃移运动机理

水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式,根据泥沙颗粒运动过程的受力分析,建立了忽略颗粒旋转和紊动影响的泥沙颗粒跃移运动模型,并采用数值计算方法,求解了跃移运动方程,得到了跃移运动参数(跃移长度、跃移高度、跃移速度)的统计特性,所得结论与实验资料吻合较好;通过对数值计算结果回归分析,得到了跃移运动参数以及输沙率的数学表达式,对于了解推移质运动机理有重要的意义.

沿岸输沙计算研究综述

沿岸流输沙是波浪和波生沿岸流共同作用引起的沿岸纵向泥沙运动,是海岸带重要的泥沙搬运方式。自20世纪50年代以来,国内外许多学者对这一课题进行了研究,产生了很多理论公式,本文简要分析了各家的理论思想,根据不同的研究思想将诸多公式分类,简单论述了这些公式的优劣和实用性,并提出了一些沿岸流输沙研究中存在的问题。在文章的最后,介绍了理想沙质海滩稳定曲线的研究进展,并对其中存在的问题做了简单阐述。

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。

木本植被覆盖岸坡上波浪爬升过程的数值模拟研究

近岸木本植物构成的生态缓冲带作为新型的海岸软防护结构,兼具功能性和生态友好性,在沿海工程建设中愈发受到关注,如何深入开展其防护效果的机理研究是目前亟待解决的问题。本文采用数值模拟方法,在N-S方程中分别考虑树枝和树干的拖曳力影响,提出了木本植被作用下波浪沿斜坡爬升的表面波衰减的连续介质等效模型,并采用MAC法来跟踪自由曲面上的水颗粒轨迹。本文以波浪沿1/30的斜坡爬升为算例,对比讨论了有无植被作用下波浪的传播过程,并将算例结果与以往试验结果规律进行对照,验证了数值模型的有效性。最后,分别讨论了植物枝干的高度、密度、树枝倾斜角度等植被特性和波浪因素对植被消浪效果的影响,得到植被消浪的基本规律。文中的计算结果也可为实际的护岸工程和生态景观设计提供参考。

河流阻力特征参量提取及SVM辅助河床形态判识

床面形态的变化影响着泥沙输移和水流阻力,是河床演变的重要方面。预测床面形态变化对河道整治和泥沙研究具有实际意义。本文基于水流阻力规律确定了判别床面形态的特征参数;通过对特征参数与床面形态关系的分析,发现特征参数与床面的形态的关系呈“S”型;利用决策向量机(SVM)多分类法对床面形态进行自动划分,根据划分结果对无量纲特征参数进行非线性和线性拟合,得到拟合函数;对特征参数与沙波形态的拟合函数进行求导分析,计算得出河床在各沙波形态下的特征参数取值范围,确定河床形态判别标准;结合试验数据和实测资料对河床形态判别标准进行验证,结果表明本文所述方法在河床形态识别方面具有可行性和准确性。

独流减河口泥沙运动规律数学模拟及河口泥沙来源分析

简要介绍了弱潮河口潮流泥沙数学模型的基本理论,结合现场资料的提取和分析,建立了河口泥沙数学模型,对河口泥沙运动规律进行了研究,对河口泥沙来源进行了分析,为河口的进一步合理治理打下了基础.

基于两相流模式的水流挟沙力研究

水流挟沙力是泥沙研究中一个重要课题,是指在一定水流和边界条件下单位水体能够输移的饱和含沙量。当水流挟带的泥沙量与挟沙能力匹配时,河床不冲不淤;当水流挟带泥沙量与挟沙能力不匹配时,水中泥沙将与河床泥沙发生动态交换,床面淤积或冲刷,对河流床面高程产生影响。作者从考虑悬移质含沙浓度的水沙两相流基本方程出发,导出两相流瞬时能量方程并由此建立新型水流挟沙力公式,收集水流挟沙力水槽试验资料对公式中的系数进行率定。采用另外一些水槽试验资料及河流观测资料对所推求挟沙力公式进行验证,结果表明本文建立的水流挟沙力公式对低含沙水流有较高的适用性。

高流速含沙浑水体流变特性试验研究

加速行进中的洪水具有高含沙、高流速和粗粒径的特点,而针对洪水的流变特性研究关注点多为高含沙量,忽略了高流速即高剪切速率的特点。以黄河下游泥沙为研究对象,系统地研究了高流速剪切条件下含沙量、剪切模式、温度和盐度对流变特性的影响。结果表明,在高流速剪切条件下(剪切速率≥1200 s^(-1),对应线性流速为3.6 m/s),含沙量在106.64~957.83 kg/m^(3)范围内的浑水体符合牛顿流体的应力本构关系,不存在屈服应力,表观黏度与含沙量呈指数关系。温度降低并未改变浑水体的流变特性,但会使其表观黏度增加,且温度越低黏度增幅越大,浑水体黏度增大梯度约为等温度清水的数倍至十几倍。盐度变化对该测试浑水体的表观黏度和流变特性影响甚微,可忽略不计。本研究结果可为高流速水流挟沙和远距离输沙研究提供理论参考。

不同流量入湖三角洲演变特性试验研究

入湖三角洲的形成主要受到流量、下游水位及上游来沙等因素的影响。在对后二者的影响规律研究基础上,为探索不同流量条件下入湖三角洲的演变特征,开展了进一步的试验研究。通过对三角洲的河道面积占比、摆动角度、河道长度、泥沙堆积等几何特征的分析,探讨了流量对入湖三角洲演变的影响。研究发现:三角洲的演变过程整体上遵循"冲-淤-冲"的发育模式;相比低流量,河道在高流量下稳定性更高且更明显,面积占比较大;泥沙堆积对流量响应敏感,大流量下沙体更加散乱且展布面积更大,小流量下泥沙更加聚集,稳定性更高。

一种正弦派生曲线弯道的演变试验研究

不同河流形态间的交替转化,伴随着河流阻力规律的变化。为研究基础河型的演化规律,在实验室条件下,通过控制初始河道弯曲度、河宽以及流量,对正弦派生曲线弯道短期演变的特征规律,如河岸线、水流动力轴线和地形变化等进行了研究。结果清晰地表明了不同工况下河道的不同发展特征,＂大水＂条件下河道容易渠道化,河岸线趋于顺直,河道宽度主要受到初始河道弯曲度及水流流量的影响。总体来看,用非黏性泥沙作为实验材料,实验河道易向着游荡型方向发展,但在一定的时间段内,存在着典型弯曲河道演变特征,且可明显地观察到床面对流量的非线性响应特征。实验结果能为天然河流的平面形态演变研究提供支持。

基于Landsat_8影像的泾河峡谷段高含沙河流信息提取方法

为了克服从遥感影像中提取高山峡谷型河流信息过程中遇到的山体阴影、水库下游基岩裸露等构成的混合像元效应,提出一种基于Landsat_8 OLI影像的自动提取高山峡谷窄深型高含沙量河流信息的多波段谱间关系的改进方法。以黄土高原泾河中游为例,利用多波段光谱特征,分离水体与山体阴影、裸露山体、基岩边滩,构建适用于高山峡谷窄深型高含沙量河流信息提取的模型。与其他水体信息提取模型相比,该方法克服了山体阴影、水库下游基岩对水体信息提取的影响,提高了高山峡谷窄深型高含沙量河流信息的提取精度。