磷素对含沙水流流体变异特性影响

[目的]为探明磷素对含沙水流流体变异特性的影响。[方法]采用自制双竖管流变仪,研究了磷素对不同浓度含沙水流流体类型、流变参数及流体发生变异的临界阈值的影响。[结果](1)磷素浓度、泥沙浓度及泥沙理化性质是影响含沙水流发生流体变异的主要因素。在25℃下,过磷酸钙浓度每增加0.1 g/cm^(3),黏滞系数和宾汉极限剪切力分别增加0.48~1.47 mPa·s和3.49~6.84 N/m^(2)。(2)随着磷素和泥沙含量的增大,含磷素的含沙水流由牛顿流体变异为宾汉流体。构建并验证了磷-泥沙水流黏滞系数和宾汉极限剪切力等流变参数的计算模型。(3)给出了磷-泥沙水流流体变异的临界浓度阈值。当磷素浓度从0增加至0.45 g/cm^(3)时,含沙水流的流体变异临界浓度阈值降低49%,说明磷素的存在加速了含沙水流的流体变异。[结论]磷素的增加使得侵蚀水流更容易由牛顿流体变异为宾汉流体,从而影响侵蚀流内部的能量耗散过程,研究结果为深入认识侵蚀污染水流的输移机制提供了新的科学基础。

局部淤堵排水管道水力冲击特性的CFD模拟研究

在市政排水管道中,长时间运行会导致排水管道发生局部淤堵,降低过流能力,对排水管道正常运行产生影响.本文针对存在局部淤堵的圆形截面排水管道构建了水汽两相流数值模型,利用CFD手段模拟研究了非恒定入流边界下的局部淤堵排水管道水力特性,量化分析了不同初始条件下淤积或障碍物的受力情况.结果分析表明:在干管初始条件下,冲击瞬间障碍物受力达到最大值,该冲击力可用射流公式近似计算,相对误差小于10%;而在湿管条件下,水流对于障碍物的冲击力相较干管有显著下降.此外在湿管条件下,障碍物受水流冲击的强度还与初始条件下障碍物的淹没条件密切相关.

三峡水库蓄水后库区典型江心洲的形态调整及时空演变特征

三峡水库的运行显著改变了河流原有的水动力条件,引起江心洲形态冲淤调整。为进一步探究三峡水库蓄水对江心洲形态调整的影响,选取库区5个典型江心洲为研究对象,采用Landsat遥感影像以及三峡水库2003-2017年实测的地形和水沙资料,定量分析了不同阶段江心洲的形态调整及时空演变特征。研究表明:伴随三峡库区水位波动,江心洲出露面积逐渐减少,河床呈现累计淤积态势,加快了江心洲的冲淤变化,其中156 m蓄水高程(2006年10月-2008年10月)的淤积强度最大,而2012年后淤积显著变缓;在空间尺度上,距离大坝越远,江心洲淤积强度越小,变动回水区江心洲因受采砂影响,河床局部地形出现不规则变化;同时,受三峡回水影响,江心洲发育模式改变,洲尾顺水流朝下游发育淤长,洲头受清水冲刷垮塌。

水沙变化情势下金沙江下游卵石推移质输移规律

基于三堆子水文站历年水文泥沙和卵石推移质实测资料,分析了金沙江下游水沙情势的变化及卵石推移质输移规律。分析结果表明,金沙江上中游梯级水电站运行后造成了下游径流及泥沙年内过程的重新分配,水库拦洪削峰导致较大流量出现的概率减小,径流量变化不大,输沙量显著减少。金沙江下游卵石推移质输沙率与流量的高次方成正比,水沙变化情势下卵石推移质输沙量显著减少,不同流量的卵石推移质输沙率减小。卵石推移质级配随着流量的增大而变粗,水沙变化条件下卵石推移质级配发生了明显粗化。

小浪底运行对黄河三角洲水沙变化规律的影响机制

采用统计资料分析与实践探讨相结合的方法,对利津水文站水沙数据进行一系列分析,并在此基础上探讨小浪底对水沙变化的影响机制。结果表明:小浪底调水调沙作用改变了水沙的年内分布,汛期始期提前至6月,结束期延长至11月,汛期与非汛期间的差异变小,水沙量年内分布趋于均匀,但总体上年水沙量较天然条件下分别偏少27.4%,72.1%;小浪底通过调节水沙配置,使水沙比和来沙系数趋于正常化和合理化(0.01t/m3,0.01kg.s/m6),水沙搭配关系得到明显改善,对黄河三角洲(黄三角)河口沙嘴和海岸动态平衡的保持意义重大;小浪底使黄河三角洲全年保持一定的流量和3 000～4 000m3/s的洪峰量,有效遏制了断流的发生,并且使泥沙组成明显粗化。

暴雨泥石流输沙年际变率的旋回性研究──以云南东川蒋家沟泥石流为例

应用云南东川蒋家沟泥石流输沙时序资料，重构了高频率暴雨泥石流输沙年际变率的旋回现象，即周期性，并分析了其周期性变化的成因，为暴雨泥石流灾害的预测研究探索了一条新路．

第二松花江中下游沉积物汞的时空变化规律

将19731、976、1983、1991年和本次的研究结果进行对比分析,得出了第二松花江中下游表层沉积物汞含量的时间变化规律.1976年以前汞含量处于增加趋势;1976-1982年汞含量有所下降;1982年汞污染源被切断,汞含量骤降;随后,汞污染浓度处于缓慢净化时期.将本次采集的沉积物样品分为3个粒度等级,最后以63μm粒级的沉积物汞含量为代表分析了汞的水平变化规律,总体趋势是,排污口处汞含量最高;哨口至朝阳桥断面汞含量增加;朝阳桥至五家站断面,汞含量骤降,在五家站断面汞含量达到最小值;五家站至泔水缸断面汞含量又略有增加.并给出了本次研究中各断面沉积物汞的垂直变化规律.

黄河口水沙过程变异及其对河口海岸造陆的影响

采用实测资料分析和理论探讨的方法,研究了黄河口海岸造陆与水沙过程变异的关系。研究结果表明:黄河口陆域来水来沙是海岸造陆的基础,来水来沙越大,造陆面积越大,水沙过程变异后,由于水沙的急剧减少,黄河口海岸造陆速度减缓,典型岸段严重蚀退造陆面积也大幅减小;尾闾河道萎缩对海岸造陆影响较大,萎缩越严重,越不利于海岸的造陆发育。运用多元回归分析建立了黄河口海岸造陆水沙临界综合关系式,可供科学调控来水来沙实施黄河口海岸防护过程中参考。

紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝影响

以分形聚集生长模型为基础,通过三维模拟泥沙颗粒在布朗运动、重力沉降和紊流作用下的碰撞、粘结和破碎过程,探讨了紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝速度、絮团平均粒径及分形维数的时空影响。试验结果表明:紊流作用下,泥沙絮凝及絮团平均粒径的变化可分为加速段、等速段和减速段,絮凝等速段的作用时间及粒径等速增长段的速度均随紊动强度呈先增后减的规律,且中部区域的絮凝速度和絮团平均粒径较小;泥沙絮团分形维数随水流紊动强度的增加逐渐增大,最终趋于稳定,随时间呈先减后增的规律。模拟空间下部区域分形维数最大,上部次之,中部最小。

三峡水库蓄水后长江中游水沙时空变化的定量评估

定量评价三峡蓄水后长江中游流域水文情势的时空变化,为长江中游生态保护和区域水资源管理提供科学依据。采用变化范围法分析了长江干流5个水文站的流量、含沙量日均数据,定量评估了三峡工程蓄水后,长江中游水沙变化度最大的江段和水文指标类别,及其对应的生态影响。研究结果表明三峡蓄水后,下游河道含沙量的变化度远大于流量,除城陵矶站外,含沙量较蓄水前有了大幅度下降,宜昌站的含沙量下降幅度达到了一个数量级,洞庭湖对长江干流含沙量有明显的调蓄作用。流量的变化度随着与大坝距离的增加而减小,且在7～11月流量下降幅度明显。这些水文节律的变化将影响下游鱼类产卵栖息地以及滞洪区水生生物与周边植被的生长。

三峡工程蓄水前后进出库水沙特性及径流量时间序列变化周期分析

选取长江上游干、支流主要水文站为代表站,根据水文泥沙观测资料,对三峡水库进出库水沙特性进行了较为系统的分析,对比分析各站三峡工程蓄水前后年径流量、年输沙量、年均含沙量等水沙特征值的变化特性。另外,运用小波分析的多分辨率功能,对朱沱、寸滩和宜昌站1950～2008年年径流量时间序列资料进行了多时间尺度分析。分析结果表明:三峡水库蓄水运用后,入库水量与多年平均值比变化不大,但来沙量明显偏少;在过去50多年的时间内,长江上游干流河段年径流量时间序列比较一致地以12年为主周期进行丰、枯变化,目前,长江上游来水仍处于相对偏枯的年份。

黄河下游河道萎缩致灾机理探讨

本文基于水力学原理,结合实体模型试验及原型实测资料分析,探讨了黄河下游河道萎缩的概念、致灾效应和致灾机理。分析表明,河道萎缩是造床过程中河道排洪输沙功能衰退的一种演变现象,其致灾效应是使洪水涨率增大,同流量下洪水水位不断抬升。致灾的现象主要表现在畸型河势增加、工程险情增多、直接造成工程损失及滩区经济损失等。试验研究揭示,主河槽宽度缩窄造成洪水水位涨幅增大,河底平均高程抬升和过水断面面积减小造成洪水水位起涨的基准面抬升是河道萎缩致灾的主要原因。河道萎缩致灾效应的大小与萎缩模式有关,其中以"集中淤槽"模式所形成的致灾效应尤为明显。

水沙过程变异条件下黄河口拦门沙的演变响应与调控

1986年以来,黄河口的来水来沙过程发生了变异,黄河口拦门沙的发育演变经历了复杂的响应过程,对黄河口演变产生了很大影响。本文采用实测资料分析和理论探讨相结合等方法,揭示了黄河口拦门沙区水沙变异特征,分析了黄河口拦门沙的演变响应过程,概化出了黄河口拦门沙立体动态演进模式,探讨了黄河口拦门沙演变响应机理,提出了黄河口拦门沙淤进与蚀退的水沙调控临界指标,为新形势下黄河口拦门沙的治理提供科学的依据。

长江口北支水道水沙特性分析

从实测资料出发,结合水流数值计算成果,对长江口北支水道的水流、泥沙和含盐度等资料进行分析,得出了北支水道的水沙特性,并分析了水沙变化与河床变化的相互关系。北支水道在1958年南通河段河势控制后,径流分流比逐年下降,并渐趋稳定于3%左右。北支水道受径流影响越来越小,主要受潮流作用。随着水沙特性的逐年变化,北支水道0m以下槽蓄容量逐年减小,并渐趋稳定,北支上段为逐年淤积最快的区域。由此反过来影响了水沙条件的进一步变化,使北支上段平均潮差增加,北支的会潮点由崇头附近下移至青龙港附近。

新时期黄河下游滩区治理方向研究

黄河下游滩区经济社会发展与黄河防洪安全之间的矛盾是当前滩区治理面临的核心问题。滩区治理方向长期悬而难决,主要面临4方面挑战,在实测资料分析和数学模型计算基础上,系统研究了各种挑战及其解决思路,包括:通过流域系统治理以应对水沙变化不确定性,解除下游河道长期泥沙淤积风险;通过对含沙洪水与非含沙洪水进行精准分类,解决大洪水对宽河与高效输沙对窄河需求各异的难题,使得下游河道"宽"与"窄"相得益彰;通过对河势控制薄弱河段加强治理,解决"二级悬河"形势依然严峻和游荡型河道河势尚未得到有效控制的短板问题;通过走人水和谐的滩区治理道路,解决滩区人水争地长期矛盾的困局。针对人民不断提高的治河需求,综合考虑防洪减淤情势及保障能力,提出了下游实施"一河两道"建设战略的建议,即在维持下游河道现状"一条宽河"前提下,全面加强"高效行洪输沙通道"和"美丽生态文化廊道"建设,让河槽行洪和滩区发展环境得到双提升。

小浪底调控对黄河口冲淤变化的影响机制

通过天然水沙和调水调沙环境下黄河口冲淤变化的对比分析,探讨小浪底对黄河口冲淤变化的影响机制。结果表明:造陆面积与黄河来水来沙量呈显著的正相关,小浪底的调控作用改善了黄河来水来沙条件,使黄河口迅速由蚀退状态转为淤积状态,沙嘴以0.9km/a的速率迅速延伸,小浪底调控初期(2003-2006年)的造陆速率是天然水沙条件下(1977-1989年)的1.34倍,每1×108 t泥沙的沙嘴延伸长度则为2.9倍;为使黄河口朝良性方向发展,小浪底在运行中应控制利津站的水沙比在0.02t/m3左右,来沙系数稳定在0.01～0.015(kg·s)/m6,即至少保证径流量2×1010 m3,输沙量(3～4)×108 t,含沙量6.34～9.52kg/m3。

北洛河流域水沙特性与变化原因

在整理分析北洛河流域20世纪50年代以来至2012年降雨、径流、泥沙观测资料和水土保持资料的基础上,研究了北洛河流域的水沙特性和水沙变化情况,从定性和定量两个方面剖析了2000年以后水沙变化的原因。结果表明:北洛河流域水流含沙量大,水沙量年际变化大、年内分配不均,水沙异源,泥沙主要产自上游,径流主要产自中下游;2000年以来北洛河来水量大幅减小,来沙量减小更为显著,主要是降雨尤其是下垫面条件改善以及暴雨偏少导致的;与1959—1969年相比,2000—2012年北洛河流域来沙量减小8 554.0万t,其中受人类活动影响的减沙量占63.1%~69.2%,受降雨影响的减沙量占30.8%~36.9%。

长江河口南、北港河道挟沙能力研究

近年来,随着长江流域来沙量的减少,河口水沙动力条件以及河床地形必将发生一定程度的变化。通过对长江口南、北港河道连续9 d小潮至大潮水沙定点观测发现,小潮期含沙量较低,但随着潮流速增强,大潮期含沙量较高,表明泥沙再悬浮明显。通过实测数据分别给出大、中、小潮南、北港河道挟沙力经验公式,显示出潮流与含沙量具有良好的相关性,同时显示出潮流流速与挟沙能力的方次变化有良好的对应性。

黄河口尾闾河道断面形态的萎缩调整规律研究

采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,研究了水沙过程变异条件下,黄河口尾闾河道断面形态萎缩调整规律。研究结果表明,1986年后,黄河口水沙过程发生显著变异,尾闾河道断面形态萎缩十分明显,平滩面积大幅度减小,平滩宽深比有所增大;2002年后,小浪底水库实施调水调沙运用,黄河口水沙过程变异有所缓解,尾闾河道断面形态萎缩有所恢复,平滩面积明显增大,平滩宽深比大幅度减小,断面形态朝着窄深方向调整。通过引入尾闾河道断面形态萎缩的判别指标,可解决治理尾闾河道萎缩缺乏控制标准的问题。

气候变化和人类活动对长江径流泥沙的影响研究

采用长江干流寸滩、宜昌、汉口和大通四个控制站的径流量和输沙量资料,应用Mann-Kendall检验、滑动t检验和有序聚类检验等方法,分析水沙变化趋势及突变特征,运用气候弹性系数法以及累积量斜率变化率法,定量分解气候变化与人类活动对径流泥沙的影响。结果表明:近60年来长江干流径流量年际变化相对平稳,而输沙量年际变化剧烈,四个站的年输沙量均呈现显著减少趋势,大多数站点的年径流量和年输沙量在1968年前后和21世纪初期发生了突变。变异Ⅰ期为1969-2002年,人类活动对四个站的径流量和输沙量变化的贡献率分别为31.98%~70.04%和75.40%~95.33%。变异Ⅱ期为2003-2015年,人类活动引起四个站的径流量和输沙量变化的贡献率分别为59.75%~80.04%和91.94%~99.17%,显示人类活动的作用强度增大。