不平衡输沙条件下河道断面形态调整规律试验研究

21世纪以来,受气候变化与人类活动共同影响,进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,下游河道长期处于不平衡输沙状态,横断面形态调整剧烈,直接影响河势稳定,威胁下游防洪安全。基于2001—2021年黄河下游白鹤镇—高村河段实测断面资料,在分析原型河道横断面形态参数演变特征的基础上,选取黑岗口—柳园口河段开展物理模型试验,以定量揭示不平衡输沙条件下横断面形态调整规律。原型实测资料分析发现,相对于黄河下游其他河段,花园口—夹河滩河段断面形态变化相对较大。选择花园口—夹河滩河段中典型河段为原型,采用水平比尺600、垂直比尺60构建物理模型,保持相同的初始河道边界条件,开展了2000、3000、4000、5000 m^(3)/s四级流量,不同进口含沙量条件下断面形态调整试验。试验结果表明,各测验断面基本呈现进口含沙量较小时主槽冲刷、面积增大、河相系数减小,进口含沙量较大时主槽淤积、面积减小、河相系数增大的规律。对比原型资料与试验数据发现,不平衡输沙条件下,河段尺度的断面形态参数与来沙系数相关性较好,其中主槽面积与来沙系数成指数负相关,河相系数与来沙系数成二次函数关系。

三峡建库后长江中游非均匀悬移质挟沙力变化

水流挟沙力变化是研究水库下游悬沙输移及河道演变的核心问题之一。以长江中游沙市—汉口沙质河段为研究对象,引入韩其为非均匀悬移质不平衡输沙中水量百分数、挟沙能力级配等概念,阐释了三峡建库前后非均匀悬移质挟沙力变化及其影响因素。建库后,沙市、监利站各流量级下床沙转为挟沙力的水量百分数均明显增加,螺山、汉口站分别超过临界流量30000 m^(3)/s和35000 m^(3)/s时,床沙转为挟沙力的水量百分数有所增加;沙市—城陵矶河段水流挟沙力减小程度大于城陵矶—汉口河段,其中沙市—城陵矶河段<0.125 mm粒径组挟沙力大幅减小,城陵矶—汉口河段<0.25 mm粒径组挟沙力减小。沙市—城陵矶河段水流挟沙力减小主要受挟沙力平均沉速ω^(*)变化影响,城陵矶—汉口河段水流挟沙力减小受挟沙力平均沉速ω^(*)和挟沙力判数U 3/h的共同影响,其中螺山、汉口站分别不超过临界流量30000 m^(3)/s和35000 m^(3)/s时,挟沙力判数U 3/h的贡献率较大。

基于泥沙悬浮高度假设的恢复饱和系数研究

针对大坝下游单向冲刷条件下次饱和挟沙水流的恢复饱和系数取值问题,基于泥沙悬浮高度假设,采用理论推导与对比验证的方法对恢复饱和系数公式进行了分析研究。分析了泥沙颗粒在挟沙水流中的动力机理和能量转换过程,推导了泥沙颗粒的单步悬浮高度和步长公式,改进了恢复饱和系数公式。采用经典的恢复饱和系数公式和黄河非均匀沙恢复饱和系数率定值,与改进的恢复饱和系数公式进行了对比分析。结果表明:改进的公式可以较好的预测恢复饱和系数,粒径0.025 mm~1.5 mm泥沙的恢复饱和系数在1.9 cm/s~100.0 cm/s的摩阻流速范围内取值在0.01~3.00之间,恢复饱和系数随摩阻流速的变化规律也随泥沙粒径的不同而不同。

沙质河道冲刷不平衡输沙机理及规律研究

通过动床水槽试验,观测沙波运动,揭示了湍流扫荡河床使表层床沙产生频发的群体起动冲刷现象。据此,提出了床沙交换及冲刷粗化分二个层次的物理模式;分析了冲刷时表层床沙粗化的必然性,确定了悬移质扩散过程中适于非均匀沙河床的新的近底边界条件。依据所建立的不平衡输沙立面二维数学模型,计算了大量不同情况下的含沙量扩散恢复过程,据此总结出了冲刷时含沙量恢复饱和系数α的预报公式及变化规律。

非均匀悬移质输沙过程概化模型

对非均匀悬移质输沙过程进行了系统描述,建立了非均匀悬移质输沙的概化模型。讨论了概化模型的两种理想过程的解,基于实测数据对解式进行了验证,结果表明概化模型是合理的。指出了一类挟沙能力计算公式存在的问题,总结了非均匀沙实际输沙过程的一般规律。要揭示非均匀悬移质输沙机理,不仅要准确计算均匀沙平衡输沙的挟沙能力,而且应探求浑水中不同粒径泥沙自身的运动特性和颗粒间的相互影响。

非均匀悬移质恢复饱和系数的探讨

作者利用概率论的方法,分析了分组沙的恢复饱和系数与混合沙的平均恢复饱和系数之间的关系,得出了分组沙的恢复饱和系数与混合沙的平均沉速成正比,与该粒径组泥沙的沉速成反比的初步结论。文中给出了一个计算分组沙恢复饱和系数的半理论半经验关系式,并与现有研究成果进行了对比。

弯道三维水沙数值模拟中推移质输移方向的选取

在曲线坐标同位网格下,采用不平衡输沙方程建立了弯道三维水沙数学模型,并考虑了弯道处横坡与纵坡存在对泥沙起动的影响。模型采用有限体积法对方程进行离散,采用与动量插值技术相结合的SIMPLEC算法来进行模型求解。通过弯道试验的计算表明,模型能够有效地模拟出弯道处二次流及河床的冲淤变化情况,实测值与计算值吻合较好。在此基础上,进一步分析了弯道处推移质输移方向选取对冲淤模拟结果的影响,选取推移质输移方向与近底0.08倍水深处流速方向一致时,模拟效果较好。

冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程初步研究

本文从悬移质扩散方程出发 ,研究冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程 .对于天然沙质河流 ,床沙均为非均匀沙 ,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙 ,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化 ,致使挟沙力降低 ,不平衡输沙距离比均匀沙情况大大延长 .文中同时提出了表层床沙粗化的概化计算模式及床沙交换速率计算公式 .床沙交换速率的大小是决定含沙量恢复饱和距离的重要因素 .本文对不同类型底部边界条件进行了计算比较 ,并与黄河下游的实际冲刷资料进行了对比 ,结果表明 ,应用梯度型底部边界条件 ,且在考虑表层床沙粗化中以作者提出的公式计算床沙交换速率 。

河流冲刷过程中表层床沙粗化对不平衡输沙的影响

在分析前人的不平衡输沙研究成果的基础上 ,针对非均匀沙河床 ,提出了床沙交换速率的新物理概念 ,计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程。研究表明 ,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙 ,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化 ,致使挟沙力降低 ,不平衡输沙距离较均匀沙情况大大延长。床沙交换速率愈慢 ,则冲刷距离愈长。

不平衡输沙含沙量垂线分布研究

采用理论推导和数值计算的方法,进一步研究了不平衡输沙条件下的含沙量垂线分布,首次提出了非饱和泥沙通量的概念及其表达式,推导了不平衡输沙含沙量垂线分布的理论解,包括不平衡输沙含沙量垂线分布指数公式和幂函数公式,以及相应的底部含沙量确定方法。同时利用差分法求解剖面二维扩散方程,得到了不同参数的不平衡输沙含沙量垂线分布。其结果除少数误差稍大外,两种途径得出的含沙量垂线分布彼此符合良好。

珠江口崖门出海航道回淤分析

针对崖门航道所在海域水流、地形及泥沙特点,从悬移质不平衡输沙方程出发,导出估算挖槽回淤的计算公式,根据实测资料和潮流数值计算确定其中主要参数,并用1990年崖门试挖槽回淤资料确定公式中待定的综合系数。在此基础上估算了航道浚深不同方案的回淤强度与回淤量,并结合实际对结果进行了分析,结果表明航道回淤总体上并不严重,航道及所在海域基本上处于平衡微淤状态。

基于有限体积法及FDS格式的感潮河段二维泥沙冲淤模型

本文以木兰溪下游裁弯河段为例,建立了有限体积法的水平二维非恒定流均匀沙不平衡输移计算模型。采用黎曼近似解通量差分裂(FDS)格式计算通过各单元边的水流、含沙量法向数值通量,并应用相关的悬移质、推移质河床变形计算公式计算冲淤变化。数值模型经相应的河工模型试验资料率定、检验后,预测了裁弯工程建成后河道可能的冲淤变化,为工程设计和施工提供依据。

含侧向入流一维不平衡输沙方程解法的改进

针对含侧向入流河段的水流泥沙运动特点,在传统方法的基础上给出了一种新的不平衡输沙方程的计算模式,进而建立了一维恒定不平衡输沙数学模型,并用于白鹤滩水库冲淤计算.比较两种不平衡输沙计算模式的结果表明,支流入汇口上下断面形态差别较小时,两种处理方法得到的河床变形基本一致;支流入汇口上下断面形态变化较为剧烈的河段,改进后处理方法的计算结果较好,且符合物理规律,而传统方法计算结果明显违背定性分析结果.

三门峡水库（潼关至大坝）泥沙冲淤规律分析

三门峡水库自１９６０年９月中旬蓄水运用以来，先后经历了两次改建和三种不同运用方式，相应地水库的泥沙淤积也经历了几个不同阶段．本文试图利用非均匀不平衡输沙的理论，对三门峡水库泥沙淤积进行分析研究，找出各个不同时期的冲淤特点和规律，由此，对三门峡水库未来的泥沙冲淤趋势以及如何控制提出预测和建议．

珠江口崖门出海航道骤淤分析

崖门航道位于黄茅海海域,针对该水域风浪、水流、地形及泥沙特点,从悬移质不平衡输沙方程出发,导出估算挖槽回淤的计算公式;根据实测资料和潮流数值计算决定其中主要参数;根据1990年崖门试挖槽回淤资料确定公式中待定的综合系数.在此基础上估算极端水文条件下不同方案的回淤强度与回淤量,并进行了相应的分析.结果表明:崖门出海航道及其所在水域目前基本处于平衡微淤状态;台风、大潮、大汛同时作用下航道有较大淤积;西航道在大风浪作用下的回淤比东航道要大得多,这在航道选线时应予充分考虑.

黄河下游灌渠水流泥沙数学模型

本文结合灌渠的结构特点及水流泥沙特性，对一维非耦合、非均匀、不平衡输沙基本方程组进行了合理的简化，根据实体模型试验及实测资料，确定了自流与提灌时干、支渠分流的不同分沙分水比。克服了一般支渠分水无流量资料的困难。将床沙与悬沙分组，按汛期与非汛期引水引沙的不同条件进行不平衡输沙计算，建立了灌渠水流泥沙数学模型。用山东省簸箕李灌区近几年实测水沙和淤积资料，对该数学模型进行了验证计算。验算的成功，说明该数学模型可用来模拟灌渠的各种水流泥沙运行情况，并为建立渠网水流泥沙数学模型奠定了基础。

潮流作用下河口是沙运动二维数学模型

对于粉沙淤泥质河口和海岸，海底泥沙受潮流作用主要以悬沙形式输运。在这样的海区建港与疏浚航道，需要首先进行泥沙淤积问题的研究。本文采用潮流作用下不平衡方程式、挟沙能力公式和起动流速公式，建立了潮流作用下河口悬沙运动二维数学模型，在对二维悬沙不平衡输沙方程和海底变形方程进行离散时直接采用显式迎风格式，得到了较好的结果。在此基础上，将该模型应用于实际水域，结果表明，该数学模型能够模拟河口的悬沙运动规律和冲淤变化。

基于MATLAB的非均匀悬移质不平衡输沙计算

针对一维非均匀悬移质不平衡输沙数学模型中的明显淤积过程,应用MATLAB语言编制了计算程序,并采用泾惠渠实测水沙资料进行了算例演示。结果表明:程序计算值与实测值符合较好,模型能够满足实际工程要求。

一维河网泥沙输移模式研究

推导了一种显式的河网泥沙输移递推计算方法,该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上,直接计算每个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整,克服了传统方法中必须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难.将该泥沙输移模式的一维河网水沙数学模型,应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域,并取得了较好的计算结果.在模型验证之后,进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算时间上和计算内容方面的差别.

三峡工程论证及可行性研究阶段泥沙研究工作的几点进展

三峡工程泥沙问题是工程的关键技术问题之一。经过长期及时研究,无论是在水库淤积还是下游河道冲刷,都得以很好地解决,能跟随工程与日俱进。尽管泥沙问题屡遭质疑,但是抓不住具体问题,这与泥沙问题解决颇好有密切关系。有关工程泥沙问题的研究成果,泥沙专家组前后出版了数十本专论,但是理论方面的介绍则很少。本文对支撑三峡工程水库淤积与下游河道冲刷控制的理论研究成果和水库运用技术方面的四大亮点中的三个作简单介绍。即:非均匀悬移质不平衡输沙研究和相应的一维数学模型建立及应用;水库长期使用调度的应用;变动回水区航道控制,以便大家参考。