人工岛影响下养护海滩演变特征研究——以海口湾为例

海滩养护作为一种广泛应用的软式海岸防护手段,可以有效缓解人工岛建设引起的海滩侵蚀问题。本文以海口湾人工岛波影区两侧养护海滩为例,基于补沙后两月一次的剖面地形和岸线监测数据,利用经验正交函数、数字岸线分析系统等方法,分析了海滩蚀淤变化特征及其控制因素。经验正交函数分析结果表明,前两个特征值方差总占比超过90%,可以反应海滩的主要时空变化。第一空间模态的极值区域位于滩肩外缘线至平均海平面之间,且波影区两侧养护海滩与波影区天然海滩演变模式存在显著差异,时间模态显示养护海滩在补沙后4个月变化最为显著,之后剖面变化减弱;第二空间模态显示台风对海滩剖面造成了一定影响,导致波影区海滩滩肩上的低洼位置由于泥沙淤积被填平。研究发现,海口湾养护海滩在人工岛影响下的演变特征可分为两个阶段,第一阶段是人工补沙的海滩剖面向平衡状态不断调整,平衡时间为4个月,该阶段以横向输沙为主;第二阶段是受人工岛的影响,形成由人工岛东西两侧向波影区运移的沿岸输沙,该阶段以纵向输沙为主。当前海口湾养护海滩岸线仍未达到平衡状态,未来人工岛后方波影区两侧海滩仍将不断蚀退,而波影区海滩将向海淤积约690 m,直至达到平衡稳定状态。本研究可为相似类型的海滩演变分析及保护修复提供一定的参考。

极端降雨条件下植被恢复流域结构和功能连通性间的关系

探明极端降雨条件下流域水文和泥沙连通性的相互关系,对新形势下黄土高原植被恢复流域水沙调控与水土保持高质量发展具有重要作用。该研究在泥沙连通性指数(index of connectivity,IC)的基础上,采用地形位置指数和植被覆盖因子改进的结构连通性指数(structural sediment connectivity,SCst),累计地表径流深因子改进的功能连通性指数(functional hydrological connectivity,HCfn),研究了极端降雨和植被恢复对流域水沙连通性的影响及输沙潜力的表征能力。结果表明:植被恢复流域归一化植被指数均值由2000年的0.29剧增到2020年的0.70,显著影响SCst,其均值由2000年的−6.49下降到2020年的−10.03,Pearson相关系数−0.93;降雨径流显著影响HCfn,年月尺度上HCfn均值与降雨径流深的相关系数均大于0.70。HCfn可动态反映流域径流输沙情况,平水年流域实测月输沙量与月功能连通性指数的相关系数大于0.50,而极端水文年二者更加显著,相关系数大于0.60。极端降雨条件下,降雨因子占主导作用,SCst与HCfn指数可灵敏地反映降雨强度和植被覆盖的季节性变化特征,但二者的相互作用随季节在不断变化。总之,改进后的水沙连通性指数有一定的优势和局限性,可为变化环境下黄土高原大型流域水沙管理和生态建设提供科学指导。

黄河含沙量变化过程预报方法研究

含沙量预报能够为黄河流域生态保护和高质量发展提供技术支持与决策信息。本研究对现有的含沙量预报方法进行总结分析后发现,系统响应函数模型的预报精度较高且易于运行,水沙动力学模型的水沙运动机理性较强。通过结合水文和水力学方法,在不同水沙运动机理条件下构建了基于不平衡输沙原理、马斯京根演算、多来多排理论的3种系统响应函数模型。在黄河潼关站的应用结果表明,系统响应函数模型的物理运动机制越高,预报精度也越高,不平衡输沙原理系统响应函数模型可以较好地描绘汇流区的水沙输移特征,预报效果最优。

利用河流平衡理论检验推移质输沙函数的应用性

推移质输沙函数多根据试验资料建立,在实际应用中往往会给出相去甚远的预测,对河流平衡形态影响显著。本研究利用河流平衡理论检验推移质输移通式Φ=cb(τ0*-τ*c)β中各参数对河道平衡形态的影响,式中Φ为无量纲推移质输沙强度,τ0*为无量纲水流平均剪切应力,cb、τ*c和β为输沙参数,分别代表输沙系数、无量纲水流临界剪切力和输沙指数。引入河道过水断面的宽度与平均水深的比值作为表征断面形态的无量纲参数,基于变分原理的图形分析结果表明,输沙通式中指数β的选取是影响平衡河道形态的重要因素。结合长江中游监利河段河道形态实际观测数据,对比分析已有推移质输沙函数对河道平衡形态的定量影响,结果表明β=5/3时河流平衡理论具有很好的实际应用性。

黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究

根据河流生态环境需水量的概念 ,针对黄河河流系统的主要功能目标 ,利用 1 95 0年以来的观测资料 ,分析了黄河下游河流各类最小生态环境需水量。研究表明 ,黄河下游汛期最小生态环境需水量主要由输沙用水的需求决定 ,由于黄河下游汛期占全年的大部分来沙量 ,因而在汛期需水量应该首先满足输沙功能的最低要求。在非汛期 ,高村、艾山、利津三部对应的各种功能所需临界流量也以输沙需水量为最大 ,但因该阶段各个河段输沙效率较低 ,可以优先考虑河流污染防治功能与河流生态功能 。

伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙数学模型

采用贴体正交曲线坐标下的水流运动方程及悬移质平衡输移方程等建立了伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙模型。其中泥沙输移的非均匀性采用分组粒径法来模拟,根据实测的泥沙级配资料,模型将泥沙分13组。针对河口泥沙双向交换的特点,对泥沙冲淤函数作了改进。并采用最新的实测地形资料和洪、枯两组水文组合条件对伶仃洋海区主要水文站点的实测资料进行验证,其水流、泥沙运动验证精度基本都能达到规范要求,海区含沙量分布与遥感图十分相似。

风沙稳定输运中起跳沙粒运动状态分布函数

本文用气固二相流模型模拟了风沙稳定输运过程。若起跳沙粒运动状态分布函数采用由实验得到的正态分布函数形式时,计算出的水平质量流量通量随高度的变化规律与实验结果不同。经深入分析,本文提出一新的起跳沙粒运动状态分布函数形式。其中初始起跳角的分布仍采用正态分布函数形式,而对初始起跳速度则采用指数函数和正态分布函数的分段函数形式。计算结果表明本文提出的起跳沙粒运动状态分布函数与实际情况吻合较好。

冲积河流平衡条件对输沙函数敏感度的数理分析

冲积河流的水流连续性、阻力和泥沙运动方程决定着天然河流的输水输沙平衡条件。由于众多输沙函数的存在,研究河流平衡条件在不同输沙状态下的变化程度对认识河流演变规律和进行河道整治工程设计具有十分重要意义。本文利用作者和合作者近年来提出的河流自动调整机理数理分析方法,对常用的Meyer-Peter和Müller输沙函数的三种表达形式和DuBoys输沙方程对河流平衡条件的影响程度做了详细地定量分析。结果表明,河流平衡条件可以直接从水流连续性、阻力和泥沙运动方程中推导得出,没有必要去刻意增加第四个方程来求解。但这一平衡条件对输沙函数极为敏感,不同的输沙函数不仅会极大地缩小河流过水断面形态调整的范围,而且还会对最优输沙断面形态造成10余倍的差异。由于水流阻力与泥沙运动方式紧密相关,本文建议应利用河流平衡条件更深入地探讨这一关系,为建立一个普适河流输沙函数打下坚实基础。

河湖水沙对磷迁移转化的作用研究进展

泥沙颗粒对水体中的磷具有较好的亲和能力,河湖中的水沙运动可以改变磷的赋存状态并在一定条件下造成水体富营养化等生态环境问题。综合近年研究成果,目前关于河湖泥沙对磷的迁移转化作用研究存在研究内容局限、作用机理分歧、数学模型不全面等问题,且多为宏观层面研究。有必要在实验技术创新的基础上探讨水沙微界面吸附,并结合生态作用完善复杂条件多因子耦合对泥沙迁移转化磷的理论研究。

推移质运动的随机理论与应用

陡坡急流条件下的推移质运动常伴有较大幅度的随机变化,这种随机涨落现象在各个时间尺度下普遍存在。由于这种涨落现象的存在,随机理论模型往往更适用于描述这一类问题。为进一步研究推移质运动的随机属性,作者利用包含群体输移机制的Markov随机模型,通过理论和实验方法研究输沙停时的概率密度分布函数(PDF),这些研究揭示出推移质运动中的尺度分离现象。在前人工作的基础上,给出输沙停时PDF理论解的另外一种推导方式推导。与较早的研究相比,该推导更为简洁、直接。该理论解已通过数值和室内实验数据得到了验证。

Einstein 推移质公式的改进研究

很多学者对Ｅｉｎｓｔｅｉｎ推移质公式建立过程中的冲刷概率、泥沙无因次单步运行距离和泥沙交换时间等方面进行了深入研究与改进，并得到了改进后的推移质输沙率公式。本文采用黄河中、下游２５０余组实测推移质输沙率资料对Ｅｉｎｓｔｅｉｎ及改进后的推移公式进行了验证计算，提出了与黄河实测资料符合程度较好的推移质输沙率公式。

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。

黄河上游水能开发对下游水量及河道演变影响初析

河流的环境生态功能包括五个方面 ,其中最重要的是泄洪排沙的输运功能。本文以黄河的多年实测水文资料及统计分析结果为依据 ,对比分析了黄河天然情况下和上游修建大型水库及电站、水量过程受到人为控制后 ,下游来水来沙过程的变化及对泥沙输运和河道演变的影响。结果表明黄河的累积输沙最大流量迅速减小 ,高含沙浓度出现的频率增加 。

近年黄河下游输沙功能的时空变化及其影响因素分析

黄河下游河道输沙功能受自然和人为因素的扰动,对黄河的入海泥沙通量产生深远影响。为探明近年来黄河下游河道输沙功能的演变及其主导因素,基于黄河下游河段各站点2007—2020年实测径流与泥沙资料,计算历年黄河下游河道输沙功能,并结合流域降水、水土保持和引水引沙的变化情况讨论了各因素对输沙功能演变的影响。结果表明:黄河下游河道输沙功能指标在2007—2020年显著下降了约57%,其中花园口—高村段输沙功能指标和其降幅均高于高村—艾山段和艾山—利津段;黄河下游河道输沙功能演变的主导因素是河床粗化、水土流失综合治理面积增加和引水量增大,三者的相对贡献率分别达37.6%,21.6%,17.5%。河床粗化与引水量增大使输沙功能减弱,与水土流失综合治理对输沙功能的增强作用相反,三者综合作用下黄河下游河道输沙功能近年来呈退化趋势。

洪水输沙对洪泛区湿地影响初探

从物质的迁移、转化和人类活动等方面探讨了洪水输沙对洪泛区湿地的影响,简介了国内、外洪水输 沙研究进展,并结合我国国情,提出了关于洪水输沙对湿地影响研究的一些建议。

泥沙连通性研究方法进展

土壤侵蚀是全球性的环境问题,河流输沙量常被用于评估流域的土壤侵蚀程度,而流域出口监测的输沙量是把整个流域内部当作"黑箱"处理,这可能会忽视流域内的侵蚀热点区或由于泥沙淤积而造成的潜在风险区。泥沙连通性这一概念可用于理解土壤侵蚀与泥沙输移过程及其时空分布。针对国内泥沙连通性研究刚刚起步的现状,梳理了泥沙连通性的研究方法,分别为实地观测法、示踪法、模型法、指标法和图论法五类。通过分析不同方法应用的优缺点,认识到今后的研究应在精确评估结构连通性的基础上,结合影响泥沙输移的外力因子及其对应的过程,探求量化流域内部泥沙输移动态的方法,以此为更精细的流域管理和泥沙连通性研究提供技术支持。

流域输沙响应函数模型的探讨

参照降雨、径流响应函数模型，建立流域降雨、输沙响应函数模型，用模型的输入（降雨）及输出（输沙）过程的实测资料和最小二乘法推求模型的响应函数ｈｓ。ｈｓ确定后，只要已知流域的降雨过程，便可通过矩阵计算，推求出流域出口断面的输沙率过程。本模型在李子溪流域及嘉陵江区其它小流域作了实际应用与检验。得到了满意的结果。