河流床面粗糙程度的度量方法研究

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示:曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明:代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方法,对粗糙程度的度量有一定启示。

单侧滩地植被作用下的弯曲主槽二次流特性

为探讨单侧滩地植被对弯曲主槽二次流特性的影响,概化设计了无滩地植被与有单侧滩地植被的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)测得其主槽特征断面的瞬时流速。试验结果显示:在单式弯道中,主涡的形成完全由弯道离心力决定;但在试验复式弯道中,主涡的形成与滩槽水流交换密切相关。当相对水深为0.15时,与无滩地植被工况相比,在滩地植被横向宽度较小的弯顶附近和直线过渡段,二次流强度出现了较大衰减,但在滩地植被横向宽度较大的弯顶附近,二次流强度无明显差别。当相对水深增至0.35时,两种滩地条件下弯曲主槽各断面的二次流强度均有所增强,但单侧滩地植被条件下各断面的二次流强度均小于无滩地植被条件下的对应值。在有单侧滩地植被条件下,对于同一相对水深,上游滩地无植被的直线过渡段,二次流强度明显大于上游滩地覆有植被的直线过渡段的情况。在无滩地植被条件下,雷诺应力R vw等值线的“岛心”位置可以标示二次流主涡的旋转中心,而“岛心”处雷诺应力R vw的正负可以表征二次流主涡的旋转方向。在有单侧滩地植被条件下,断面中部的雷诺应力R vw等值线分布十分凌乱,并无上述规律,且其绝对值明显小于无滩地植被条件的对应值。

侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响。结果发现:粗化层对河床有一定的保护作用,当侵蚀基准面小幅下降而导致流速小幅增大时,粗化层的保护作用可一定程度地抵减流速的增量,减弱甚至避免水流对河床的冲蚀;当侵蚀基准面下降幅度较大时,河床会被全局冲蚀,但各局部的被冲蚀程度并不相同,其中过渡段主流带的被冲蚀程度较小,弯段凹侧主流顶冲区的被冲蚀程度较大;越靠近侵蚀基准面的区域,侵蚀基准面的下降越易增强该区域的水流强度,越易使该区域的河床被冲蚀;在侵蚀基准面下降幅度较小且槽底未见裸露的情况下,连续弯道完整周期的床面高程频率分布总体上接近于正态分布,但若从细节上看其分布具有双峰特征;双峰特征为半周期床面高程频率分布所特有,完整周期床面高程频率分布的双峰特征只是半周期床面高程频率分布双峰特征叠加的结果;当侵蚀基准面下降至槽底时,主流顶冲区的槽底会严重裸露,连续弯道完整周期的床面高程频率分布仍具有双峰特征,但其总体形态已明显偏离正态分布。

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草,通过水槽试验,探讨了不同滩地植物作用下的漫滩水流紊动特性。试验结果表明,纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布;时均流速与采样时间的长短有关;横向动量交换比垂向动量交换大,横向动量基本上是主槽向滩地传递;不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后,水流的紊动强度增强,纵向和垂向的紊动强度相当,都服从S型分布。

溢流坝壅水条件下的弯道水流特性

为探讨溢流坝壅水条件下的弯道水流特性,概化设计了一在出口处布设有溢流坝的连续弯道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)和数字波高仪测得模型特征断面的流速、水位数据。试验结果显示:弯段绝对水面横比降随相对坝高的增大而减小;弯段下半弯的水面纵比降为正,而从直线过渡段进口至下游邻近弯顶的水面纵比降为负,但其绝对水面纵比降均随相对坝高的增大而减小;连续弯道的直线过渡段也存在二次流且其旋转方向与上游弯段二次流的旋转方向相同;当相对坝高增大时,流道各断面的垂线平均纵向流速均不同程度的减小;当相对坝高增大时,各断面最大紊动能减小;纵向脉动对紊动能的贡献最大,横向脉动次之,垂向脉动最小;雷诺应力R uv的正负能近似标示弯道直线过渡段进出口断面的横向水流运动,当雷诺应力R uv为正时,流体将从左侧流向右侧;当雷诺应力R uv为负时,流体将从右侧流向左侧。

鱼鳞状床面粗糙特性

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现:鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似正态且较为“高大”,次峰却极为“矮小”;卵石粒径增大,各床面高程变异函数的基台值与变程均增大;床面高程方差与变异函数基台值在量化鱼鳞状床面粗糙特性方面是基本等价的;卵石粒径越大,床面高程方差越大,变异函数基台值越大,床面越粗糙,反之亦然;鱼鳞状床面二维特征方向无标度区上限随卵石粒径的增大而单调增大,其值可近似取为0.5d50(d50为中值粒径),然而同一床面各二维特征方向上的无标度区上限是大致相同的;就同一二维特征方向而言,随着卵石粒径的增大,床面分形维数基本减小,床面结构复杂性减弱;鱼鳞状床面粗糙特性具有明显的方向性,尤其是在与水流方向的角度成0、π/4与π/2的3个方向上,其粗糙特性明显不同。

植被作用下的复式河槽流速分布特性

通过水槽试验,探讨了不同滩地植物(乔木、灌木和野草)对复式河槽流速分布的影响．详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测量原理．试验时,选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草．同时,考虑了流量、床面底坡对流速分布的影响．试验结果表明,滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时,流速满足对数分布;滩地种树后,主槽流速增大,流速分布复杂,滩地流速减小,呈S形分布,不同植物的S形分布是不同的．这种S型分布将水流划分为3个区的复杂行为,每区的范围与水深,垂线位置和植物类型有关．床面坡度对流速分布的影响非常明显．

床面统计粗糙特性研究

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容,其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面,并逐渐增大流量粗化床面,基于激光扫描获得的床面数字高程资料,应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床面表层粗糙特性。结果表明:采用非均匀沙人工铺制的床面高程频率分布呈现出近似正态分布,经历过不同水流强度依次累积冲刷后形成的稳定粗化床面高程频率分布都出现了轻微正偏态的趋势;高程标准差随水流强度增加严格增大的特点让它可以成为量化床面粗糙特性的可靠指标;水流塑造试验床面是各向异性的,随着流量的增大,床面粗化层破坏再粗化,床面高程二维变异函数的基台值越大;由于水流的作用,横向剖面平均变异函数的基台值与块金值略大于纵向剖面高程平均变异函数,径向剖面的基台值与块金值远小于横向与纵向剖面。研究加深了对床面粗糙特性的统计规律的探索,对于建立基于统计学的粗糙度定量表达方式具有一定的启示。

植被群纵向间距对水流结构的影响研究

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律,设计了定床水槽试验,试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群,设置4组不同的上下游植被群间距,通过研究水流的流速和紊动强度分布,分析在不同的上下游植被群间距下植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程,并与单个植被对水流结构的影响进行对比。试验结果表明:上游植被群的存在会使下游植被群前端调整区长度缩短,此长度与植被群间距无关;随上游植被群的出现下游植被群的溢出流速、尾流稳定区长度、稳定区流速均会减小,其大小均与植被群间距有关,间距越小各值越小;同时下游植被群尾流形成区长度变短,随间距增大呈现先减小后增大的趋势;且下游植被群的尾流恢复速度随上游植被的出现变的更加迅速;上游植被群的存在加剧了下游植被群尾流紊动,其变化趋势也与植被群间距有关;植被群对水流既有抑制作用也有促进作用,主要取决于植被群前端紊动强度大小。试验探究了植被群不同纵向间距对河道水流结构的影响,为河道中植被群空间布局对水流特性的影响提供了补充。

复式河槽流量计算方法比较与分析

复式河槽在洪水漫滩后,直接运用曼宁方程计算过流能力将带来很大误差。本文系统地总结了复式河槽流量计算的各种方法,运用这些方法分别计算整个复式断面的流量和滩槽流量分配,并与英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC-FCF)的大量的系列水槽实验成果进行比较。通过比较发现:计算流量时,断面垂直分割法、单一河槽法和等速剖分法误差都很大;而其它方法精度都比较高。运用流量计算精度比较高的方法同时计算流量分配发现:对某一具体断面形态而言,很难准确说哪种方法的精度最高。通过对各种方法的综合分析,建议在计算天然复式河槽过流能力时,采用河槽协同度方法。

复式河槽综合糙率计算方法比较与分析

综合糙率是复式河槽水力计算的一个重要参数。本文系统地总结了推求综合糙率的各种典型方法,包括Pavlovskij方法,EinsteinBanks方法,Lotter方法,KrishnamurthyChristensen方法以及DracosHardegger方法。运用277组复式河槽水槽实验资料和野外实测资料,验证了上述各种方法的有效性。通过比较和分析,发现这些方法都不适用于估算复式河槽综合糙率。本文对这些方法产生误差的原因进行了分析,并指出产生误差的原因在于前四种方法忽略了滩槽动量交换;后一种方法虽然考虑了动量交换,但该方法并不普遍适用。本文对现有资料的分析,提出了一个滩槽糙率相同情况下的复式河槽综合糙率关系式。

全动床复式河槽水流阻力特性的试验研究

当水流漫滩后,由于滩槽间存在着强烈的动量交换,复式河槽在过流能力、泥沙输移、流速分布等许多方面不同于单一河道。通过水槽试验,探讨了清水作用下,由非均匀沙构筑而成的全动床复式河槽完全粗化后的水流阻力变化特性,包括水流能量损失、曼宁系数、谢才系数与达西-韦斯巴赫阻力系数等沿程变化。试验结果表明,对于清水作用下的全动床河道很难获得均匀流。断面平均流速沿程变化,单位重量水体经过单位长度而损失的能量将沿程改变。对于该类河道,在给定的水流条件下,阻力系数不再保持为常数,而是沿程变化的。这些特性表明全动床复式水槽水流阻力远比定床的复杂,要准确预测该类河道的过流能力及泥沙输移能力远比定床的困难。

复式河槽阻力系数及过流能力计算

水位流量关系在流域管理中占有十分重要的地位。而对于复式河槽,水位流量关系的推求是十分困难的。无论采用单一河槽法还是传统的断面分割法,都将带来很大的误差。将复式河槽分为滩地边坡区、滩地区、主槽边坡区和主槽区,并运用英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC FCF)的大量的系列水槽实验资料,分析了各区Dar cy Weisbach阻力系数之间的关系。SERC FCF的实验资料表明主槽区的阻力系数与相对水深有关,滩地区和主槽区阻力系数之比随相对水深成指数关系,滩地边坡区、主槽边坡区阻力系数可用主槽区和滩地区阻力系数表示。利用这些阻力系数关系分别推求各区的流量及总流量。实验资料验证表明:计算流量与实测流量基本吻合。

清水作用下全动床复式河槽泥沙输移特性及其模拟

推移质运动是河流动力学的基本问题之一,通过水槽试验探讨了清水作用下全动床复式河槽泥沙的输移特性,并通过理论分析提出了该类河道的推移质输沙率的计算方法。试验表明:在清水作用下全动床复式河槽推移质输沙率先随时间单调递增,而后随时间单调递减;推移质中值粒径先随时间大幅度增大,后随着时间的增加中值粒径增大的幅度减小,最终将趋于初始床沙中值粒径。根据推移质输沙率的变化特性,运用仙农熵的概念与理论,通过最大熵原理和变分法推导了河道粗化过程中的推移质输沙率公式,并对该公式参数的敏感性进行了分析。计算结果表明,该公式可以模拟全动床复式河槽河道粗化过程中的输沙率随时间的变化特性。

连续弯道河床演变试验研究

为研究不同水流条件对弯曲河道河床演变的影响,文章开展连续弯道水槽试验,测量推移质输沙、水位、河床表面高程。结果表明:弯曲段床面的横向底坡存在折点,深槽随不同的横断面而异。同一流量下,横断面平均流速与弗罗德数变化趋势完全一致;随着流量增大,各个横断面的平均流速与弗罗德数也增大。在直线过渡段中间附近容易淤积,淤积程度随流量增大而加剧。床面高程阈值区间随流量增大而增大,床面高程由单一性变为多样性。研究成果对河道治理和改善航运有指导意义。

复式河槽正常水深计算方法比较

明渠恒定均匀流正常水深在水力计算中十分重要。而对于复式河槽,当洪水漫滩后,直接运用曼宁方程推求正常水深,将带来很大误差。系统地总结了计算正常水深的各种方法,用二分法求解,并运用英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC FCF)的大量系列水槽实验成果加以比较。比较发现,精度由高到低依次为COHM方法、刘沛清法、断面倾斜分割法、动量传递法、谢汉祥法、断面叠加法。通过对各种方法详细分析,建议在计算天然复式河槽正常水深时,COHM方法是值得推广的一种好方法。

复式河槽动量输运系数研究

复式河槽动量输运系数在计算复式河槽过流能力、滩槽交界面平均表观剪切应力和滩槽床面平均剪切应力等方面有着十分重要的作用。本文首先根据刘沛清和Knight滩槽交界面垂向平均表观剪切应力关系式 ,导出复式河槽动量输运系数的表达式 ;接着运用英国科学工程研究协会洪水水槽设施 (SERC FCF)的大量的系列水槽实验成果 ,分析了动量输运系数随相对水深及滩槽宽度比的变化关系 ;最后根据获得的动量输运系数关系 ,利用刘沛清方法计算复式河槽过流能力。计算结果表明 :本文中的动量输运系数随相对水深及滩槽宽度比的变化关系是可行的。

复式河槽过流能力非线性研究

传统方法不能准确预测复式河槽过流能力。针对这一不足,本文采用系统动力学方法探寻复式河槽过流能力的计算。通过分析英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC FCF)的大量的系列水槽实验成果,发现滩槽Darcy Weisbach阻力系数比值随着相对水深的增加而减小。主槽阻力系数随着相对水深的变化而变化,呈抛物线分布。根据获得的阻力系数关系,运用系统动力学方法,建立了洪水漫滩后,复式河槽过流能力的系统动力学模型。计算结果表明:该模型能确定水位流量关系,其模拟值与实测值吻合较好,其相对误差的绝对值仅在3%左右。

复式河槽动能损失强度分析

在复式河槽中,由于滩槽交界面存在强烈的动量交换,使得复式河槽过流能力降低。为了反映动能损失的强度,针对恒定、均匀、紊动水流,提出了横向动能校正系数和动能损失率的概念。通过分析复式河槽动能损失的机理发现:在复式河槽中,横向动能校正系数大于1和动能损失率大于0。分析英国科学工程研究委员会洪水水槽设施的系列试验成果,发现横向动能校正系数和动能损失率与复式断面形态有关。动能损失强度随着主槽边坡系数的增大而减弱,随着滩槽宽度比的增大而增强。对称复式河槽的动能损失大于非对称的复式河槽。对于所有断面形态,动能损失强度先随相对水深的增加而增强,后又随着的相对水深的增加而减弱,最终表现出单一河槽的特性。

清水作用下全动床复式河槽河床演变特性

通过水槽试验,探讨了清水作用下由非均匀沙构筑而成的全动床复式河槽的演变特性,包括河床完全粗化后河道稳定宽度及滩岸侵蚀的沿程变化.复式河槽断面构筑而成后,实施倒灌,然后恢复地形,最后用全站仪施测初始河道地形,在试验结束后,相应断面再做精细床面形态测量.复式河槽流量由槽首的矩形堰量测,水位由自动水位仪量测.试验结果表明,随着泥沙淤积量的增大,主槽水深变浅;而河道水深变浅,又将会使床面泥沙起动的作用力减小,河道水深将变得更浅.清水作用下的全动床复式河槽达到稳定时,河道稳定宽度将沿程变化;河道完全粗化后,主槽宽度增大,滩岸侵蚀速率在空间上变化趋势表现为越往下游,滩岸侵蚀速度越小;在清水作用下,河道滩岸发生侵蚀,其侵蚀面积有沿程减小的趋势,这与流速沿程的变化相一致.