基于弯道水力特性的蛙道构建与数值模拟研究

为有效提高渠系水利用系数和耕地利用率,灌区末级渠系普遍采取硬质化建设,又因受到渠道规模和防渗要求的约束,生态化改造相对匮乏。为解决灌溉渠道造成的稻作区两栖动物生境破碎化问题,结合灌区末级渠系输配水的实际情况,创新性地将弯道水力特性应用于灌溉渠道生物通道研究,通过建立硬质化农渠弯道的三维水流模型并开展数值模拟试验,模拟了不同弯道处于稳定输水条件下的水力特性,分析了水流结构对渠内蛙类运动轨迹的影响,提出了弯段生物通道的设计方法,并通过水流数值模拟和水头损失计算,评估了设置蛙道对蛙类逃脱效果和渠道输水效率的影响。结果表明:90°弯道出弯断面的纵向流速分布和横向环流结构有助于黑斑蛙利用水动力条件逃脱,并由此提出蛙道位置和结构形式的设计方法;结构变化对水流流态和输水效率并无明显影响,水流结构有利于渠内蛙类逃脱,最大沿程水头损失约为3.83×10^(-4)m,能够同时保证蛙类迁移效率和水流安全通畅。研究成果可为灌溉渠道生态修复提供理论依据和技术支持。

黄土高原农地草地林地土壤团聚体稳定性沿降水梯度的变化特征

团聚体稳定性是表征土壤结构稳定性的重要指标,与坡面水文过程及侵蚀过程密切相关,为探明黄土高原团聚体稳定性(aggregatestability,MWD)沿降水梯度的变化特征及其影响因素。该论文在黄土高原沿降水梯度布设了7个采样点,测定每个采样点农地、草地和林地的MWD。结果表明,农地MWD沿降水梯度自南向北呈逐渐减小趋势;草地和林地MWD变化趋势比较相似且无显著差异(P=0.233),最南端宜君的MWD小于稍北富县的MWD,之后向北大体呈减小趋势。农地、草地和林地MWD空间变化特征除受土壤有机质、年均降水量和年均气温的影响以外,农地的MWD与土壤机械组成存在显著相关关系(P<0.05),而草地和林地的MWD与根系质量密度存在显著相关关系(P=0.037)。非线性回归表明,农地MWD可以用土壤中值粒径和年均降水量模拟,而草地和林地MWD可用土壤有机质、根系质量密度和年均温模拟。研究成果对于理解黄土高原土壤团聚体稳定性空间变异及其影响因素、分析水文及侵蚀过程的区域变化规律具有理论意义。

粘性原状土起动切应力与物理力学指标的关系

通过对中运河、长江长兴岛、淮河入海水道等河道原状土样起动试验,认为各河道土质由于其形成条件、土质结构等方面存在差异,即使具有相近的物理力学特性,其起动临界条件也不尽相同。而对同一条河流而言,起动临界条件与物理力学指标之间则存在明显的规律性:即对淤泥质粘土,起动临界条件随抗剪强度的减小而增大,随含水量的增大而减小;粉质粘土的起动临界条件最小,与抗剪强度、含水量呈非线性关系;粘土起动临界条件则随抗剪强度、含水量的增大而增大。

黏性土起动研究现状综述

综述国内外学者在泥沙起动(包括散体沙的起动和新淤土的起动)研究和黏性土的起动模式、影响因素等方面的研究成果,指出各研究者、研究思路、研究成果的差别,以及现有研究成果所存在的问题:由于黏性土本身的复杂性,加之各研究者考虑的参数不尽相同,现已建立的黏性土起动模式差别较大;影响黏性土起动的因素主要有土的物理因素、土力学参数、化学特性等.认为今后的研究重点应放在黏性原状土上,在此基础上再进行重塑土试验,以探求各影响因素等起动切应力之间的关系,进而分析黏性土起动机理及其影响因素,确定黏性土起动的物理模式,并选择足够的土样,通过大量的水槽试验,积累资料,从中分析综合内在规律.

长江苏通公路大桥区原状淤泥质亚粘土起动试验研究

在河道中,受水压力和土体本身压力的作用,淤积物的密度增大,物理力学特性发生了很大的变化,如采用公式计算起动流速,则出现较大的偏差。针对实际工程中经常遇到的淤泥质亚粘土的起动流速问题进行了试验研究,研究在特制的矩形管道中进行。通过试验得到了起动临界状态下的摩阻流速,利用天然河道的阻力关系将摩阻流速换算到天然情况,并以河道稳定性为比较目标,与河道水流动力条件进行比较,验证了试验研究结果的合理性和有效性,这为解决河道边界淤积物的起动临界条件问题提供了一种新的思路和方法,因此无论从研究方法上还是解决实际工程问题都具有一定的创新意义。

苏通长江公路大桥桥区河床抗冲性能试验研究

针对交通、水利工程中遇到的实际问题,采用现场原状土取样,并通过封闭管道水力试验,得到原状土起动的临界切应力及冲刷率,并通过公式换算得到原状土的起动流速,这一方法可用来确定物理模型试验中动床模型设计参数,并可为设计部门提供科学依据。

黏性原状土起动流速试验研究

针对黏性原状土难以被水流起动、冲刷的特点,设计了专门的封闭矩形管道,使水流的平均流速完全满足黏性原状土起动、冲刷的要求。在水槽满足起动冲刷要求的前提下,采用粒子测速系统(PIV)对管道断面流速分布进行了测量,分析论证了管道的阻力规律,并比较了有压管道与开敞水槽试验结果。分析结果认为,在水流流速不是太大时,有压管道的阻力规律符合对数律。在通过试验取得垂线流速分布的情况下,可以利用对数流速分布公式计算摩阻流速,进而计算边界水流切应力,再根据谢才公式,可将起应力换算成相应河道的起动冲刷切应力。

松性土新开挖河道动床冲刷模型设计方法

指出原状土与散粒体的起动流速、输沙率存在明显的差异，这使得新开挖河道动床冲刷模型设计方法与天然河道动床模型设计方法有所区别，也复杂得多。提出了新开挖河道动床冲刷模型的设计思想和设计方法，泰州引江河道动床冲刷模型论证了该方法的正确性，并认为该方法具有普遍意义。

新沂河口二期建闸物理模型试验研究

新沂河是骆马湖和沂沭泗河洪水的主要入海通道,其入海口闸在一期工程的基础上扩建中深泓18孔闸,从而将海口闸的运行模式从泓滩联合行洪转变为泓道行洪,防洪标准从20年一遇提高到50年一遇.本文通过平面比尺为250、垂直比尺为50的变态物理模型,研究了新沂河海口扩建中深泓的建闸规模以及上游连接段泓道开挖规模和形态、上下游泓道开挖规模、缩短各浅滩隔流堤、加固分流鱼嘴等.同时指出,这些工程与海口南、中、北深泓闸一起构成海口控制枢纽工程,对保证141+000断面水位不超过5.12 m以及各泓道洪水的顺利下泄起着重要作用.

长江下游扬中河段河床演变分析

扬中河段位于长江下游,该文根据历年地形资料,结合扬中河段的地质条件及河型、来水来沙情况,预估河床演变趋势,得出河床演变结论。

黄河小浪底水库库区水流泥沙运动规律分析

结合1997～2001年黄河小浪底水库库区水文泥沙测验资料,采用水文分析的方法,分析施工运用期、蓄水运用初期等不同时期库区各因子站的水流泥沙运动特征、库区泥沙淤积量及其淤积形态和水库初期运用的回水影响等,并着重分析2000年洪水期含沙量变化过程以及库区泥沙淤积上延现象,初步得出库区不同时期的水流泥沙运动基本规律.由于受当时设站规模的限制,库区水文泥沙资料尚存在不足.今后需加强小浪底水库泥沙淤积状况的监测,收集更广泛的库区水流泥沙资料,为制定小浪底水库运行调度方式奠定基础.

太湖底泥悬浮中营养盐释放的波浪水槽试验

波浪水槽中研究了小波掀沙(波高8.77cm,波周期0.8s)和大波掀沙(波高12.31cm和13.29cm,波周期1.0s)对太湖沉积物悬浮及N、P营养盐释放的作用规律.结果显示:小波掀沙时,底泥并未发生大量悬浮,SS浓度最高时仅13.6mg/L;大波掀沙时,底泥大规模悬浮,SS浓度最高达达245.2mg/L水体悬浮物、营养盐浓度变化滞后波高变化1h以上.当波高改变1h后,水体悬浮物、N、P营养盐浓度才改变到相应的平衡浓度.除总磷浓度显著提高外,小波掀沙对水体N、P浓度的影响很小,大波掀沙则显著提高了水体总氮、总溶解氮、总磷、总溶解磷、氨氮(NH4+-N)、溶解性活性磷(SRP),其中NH4+-N、SRP最大增幅达30％和20％.小波和大波掀沙过程中,水体溶解氧浓度均持续增加,掀沙2h后增高2mg/L,溶解性有机碳持续下降,2h后下降33％-51％.试验结果表明,掀沙过程中水体充氧及颗粒物的絮凝、吸附作用可能是限制NH4+-N、SRP浓度增高的重要因素之一.

波浪扰动对太湖底泥磷释放影响模拟

为揭示波浪扰动对湖泊底泥磷释放的影响,在波浪水槽中模拟了不同波高情况下扰动对水体、水土界面、底泥间隙水的磷、溶解氧等的影响。结果显示,在大波扰动下,沉积物大量悬浮,水体总磷随之增加,溶解性磷增加却不显著;波浪扰动显著增加了水体和沉积物界面的溶解氧浓度,并增加了溶解氧在沉积物的侵蚀深度;波浪扰动降低了沉积物表层10 cm内间隙水中的磷浓度,而10 cm以下沉积物中间隙水中磷浓度基本保持不变。研究表明,波浪扰动可迅速增加水体中颗粒态的营养盐,但是对于溶解态营养盐,尤其是水体中活性磷浓度的影响,则受沉积物性质、水-沉积物间隙水磷浓度差,以及水-沉积物中氧含量等多方面因素的影响。

控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失

为探讨高效的稻田灌排管理模式,降低稻田氮素淋失风险,该文利用装配有地下水位自动控制系统的蒸渗仪,研究地下水位调控对节水灌溉稻田氮素淋失的影响。结果表明,稻田排水控制限的提高可减少控制灌溉稻田地下排水量,控制地下水位处理1稻田地下排水量为179.4mm,分别较控制地下水位处理2(195.9mm)和控制地下水位处理3(285.8mm)稻田减少8.4%和37.2%。随稻田排水控制限的提高,控制灌溉稻田地下排水中铵态氮(NH4+–N)浓度增加,硝态氮(NO3-–N)浓度下降。与控制地下水位处理2和控制地下水位处理3稻田相比,控制地下水位处理1稻田地下排水中NH4+–N质量浓度均值分别增加9.3%和27.3%,地下排水中NO3-–N质量浓度均值分别减少32.6%和1.8%。稻田排水控制限的提高显著减少了控制灌溉稻田NO3-–N淋失量(P<0.05),控制地下水位处理1稻田NO3-–N淋失量为0.27kg/hm2,分别较控制地下水位处理2(0.43kg/hm2)和控制地下水位处理3(0.88kg/hm2)稻田显著减少0.16和0.61kg/hm2(P<0.05),控制地下水位处理2稻田NO3-–N淋失量较控制地下水位处理3稻田显著减少0.45kg/hm2(P<0.05)。采用控制排水技术,适当提高控制灌溉稻田的排水控制限,可有效降低稻田NO3-–N淋失对地下水污染的风险。该研究可为制定满足控污减排需求的稻田灌排管理模式提供指导。

骆马湖生态环境现状及其保护措施

通过现场采样分析,研究骆马湖及其出入湖河道的水质现状、湖区底质营养盐含量以及水生生物资源的种类和数量。结果表明,2011年骆马湖水质为地表水Ⅲ类,已接近富营养化水平,底栖生物资源较前几年有明显减少;骆马湖营养物质的主要来源为上游的中运河和沂河,其污染物贡献率达90%。指出提高区域污水处理率、降低入湖河道的污染物浓度是保护骆马湖生态环境的必由之路。

灌溉排水耦合调控稻田水分转化关系

该文利用装配有地下水位自动控制系统的蒸渗仪,分析节水灌溉与旱地控制排水技术耦合调控对于稻田水分转化关系的影响。结果表明,灌排耦合调控在小幅减少水稻产量的同时,显著减少了稻田灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量,最终显著增加了水稻水分生产效率。与常规灌排稻田相比,灌排耦合调控稻田水稻产量减少1.9%,灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量分别显著减少41.7%、49.9%及24.9%,水分生产效率增加30.5%。随着控灌稻田排水控制限的提高,稻田灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量减少,水稻产量保持稳定,使得水稻水分生产效率进一步增加。提高控灌稻田的排水控制限,减缓了稻田土壤水分的衰退速度,并增加稻田地下水位低于排水控制限的比例,稻田灌溉次数与发生地下排水的时段均减少,使得控灌稻田灌溉水量与地下排水量下降,两者综合作用下控灌稻田水稻蒸发蒸腾量减少。在采用控制灌溉模式的基础上,适当提高稻田排水控制限,可以较好地实现水稻生产中水分的高效利用,研究结果可为优化稻田水管理模式提供依据。

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.

沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响

为明确沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响机制,在采自于太湖草、藻型湖区的沉积物柱状样中种植沉水植物后进行破坏性采样,测定沉积物-水界面以上5 cm上覆水的营养盐含量和沉积物的含水量、中值粒径、w(TOC)、w(TON)、w(TP)、金属元素含量等的垂直分布和氧气侵蚀深度.结果表明,种植沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响主要为:①显著降低了上覆水中ρ(PO43--P)〔草型湖区上覆水由(7.98±1.85)μg/L降至(4.65±1.16)μg/L,藻型湖区上覆水由(7.86±0.84)μg/L降至(4.89±0.48)μg/L〕和草型湖区上覆水中的ρ(DOC)〔由(6.64±0.41)mg/L降至(4.73±0.69)mg/L〕,但没有引起上覆水中ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)和ρ(NH4+-N)的显著差异;②明显提高表层沉积物的含水量,减小草型湖区沉积物表层的中值粒径;③降低草型湖区沉积物表层2 cm内w(TOC)和w(TON),增加草型湖区上层沉积物中w(TP);④明显降低草型湖区沉积物中w(Ca)和w(Mg),但对草、藻型湖区沉积物中的Al,K,Cu,Pb和Zn的含量影响都不明显;⑤藻型湖区沉积物中氧气侵蚀深度由1.6 mm增至3.0 mm,草型湖区沉积物则由3.7 mm增至24.0 mm.

骆马湖沉积物重金属及营养盐污染研究

利用137 Cs定年技术对骆马湖沉积物柱状样进行了定年,同时测定了沉积物中重金属和营养盐含量的垂直剖面与水平分布。结果显示:骆马湖沉积物的平均沉积速率为3.5mm/a;在垂向上,随着沉积物深度变浅,营养盐含量逐渐升高,而大部分金属元素含量保持稳定或减少,只有Cd和Pb含量明显升高;在平面上,大部分金属元素的含量峰值出现在湖心区域,而营养盐的含量峰值出现在西部和南部湖区。可见骆马湖受人为污染影响严重的主要是重金属中的Cd与Pb和营养盐,且湖心区域污染较重。

太湖草、藻型湖区沉积物-水界面厚度及环境效应研究

在太湖草、藻型湖区采样,分别测定了1,3,5,10,15cm 5层沉积物和沉积物表面以上5,20,35cm处及水表面以下20cm处4层水的多项指标.结果表明：草型湖泊水柱中SS总、SS有机、Chl-a、TN、TDN、TP和TDP等指标显著低于藻型湖区;草型湖区水柱中SS总、SS有机、TN、TDN和TP都呈现出越往下浓度越高的趋势,而藻型湖区各水层间差异不明显.两类湖区沉积物的TN、TP、TOC和粒径都在3~5cm处出现拐点;草型湖区沉积物溶解氧层厚度（〈1mm）小于藻型湖区（〈2.5mm）.可见在不同的生境类型以及不同的指标体系下,沉积物-水界面的厚度也相应不同.