河床表面分形特征及其分形维数计算方法

将分形原理、地理信息(GIS)技术与河床演变理论相结合,以河道水下地形图为基础,首先通过编程自动提取高程数据,利用GIS软件建立河床表面数字高程模型,然后以此来计算河床表面的分形维数,并对投影覆盖法进行了改进.最后对比了各河段不同时期的床面分维数,初步探讨了其物理意义.研究表明,该方法用来计算复杂表面的分维数高效准确,为计算河床表面分形维数提供了一个新的途径.同时河床表面分维数具有时空变异性,能定量反映床面的冲淤起伏程度,与河床演变中的河势和河型都有内在关系.这在河床演变及河流动力学具有一定的应用价值.

基于分形理论的河床表面形态量化方法研究

提出以河床表面分形维数从整体上量化河床形态,并依据表面积—尺度法原理,在对现有面分维计算方法的表面积估算、边界处理及无标度区判断等方面进行改进的基础上,给出了适用于具有不规则边界的表面分形维数计算方法,该方法对河床表面分维计算具有较好的适用性.将典型河段的年内冲淤变化、局部河势、河型与河床表面分形维数变化结合起来,说明了河床表面形态具有一定的分形特征,河床表面分形维数可随着河床的冲淤变化而改变,河床形态冲淤起伏愈剧烈,则河床表面分形维数愈大,其能定量反映河床形态的复杂程度,可用于河势量化分析、河型判别以及河道形态阻力计算等相关问题研究.

河床表面打印探测器的研发及应用

为快速了解长江航道河床表层的物质组成及表面结构,本文结合《水运工程岩土勘察规范》中的一种勘察手段"河床表面打印",从形状构思、材料选择、操作性、加工制作几方面进行了比选,制作出了成型的"河床表面打印探测器",并在长江中游某航道整治工程的岩土工程勘察中得到了实际应用.效果证明,"河床表面打印探测器"简便易行,适宜水下简易勘探,可辅助钻探、物探等进一步更大范围地了解河床表面组成物质的性状,能够为航道整治方案的比选和优化提供有价值的参考.

河床表面分形度量及其在河型判别中的应用

将表面分维概念引入河流动力学,提出河床表面形态的分形度量方法,并通过实际河段分析与概化模型试验结合的手段,对不同河型亚类、不同基本河型的河床表面分形维数进行对比研究,并将河床表面分形维数应用于河型判别.结果表明:由于河床形态是河型判别的一个主要依据,而河床表面分形维数又可对河床形态进行整体度量,因此河床表面分形维数可在一定程度上体现河型、甚至河型亚类之间的差异,实际分汊河段比较中,微弯高水分汊的河床表面分形维数最大、弯曲低水分汊及顺直中水分汊次之、微弯低水分汊最小;在试验范围内,一定流量下,则是分汊河型的河床表面分形维数最大、弯曲河型次之、顺直河型最小,可以认为在收集更多实测河段资料并统一算法后,河床表面分形维数可作为河型的判据之一.

河床形态冲淤调整的分形度量

将河流动力学与数学中的分形理论相结合,以河床冲淤较为剧烈的三峡坝下游典型分汊河段为例,分析了河床表面分形维数(BSD)的变化及其与相应河段平面、纵剖面、横断面冲淤调整特点的关系。结果表明:BSD具有时空变异性,一方面不同类型河段BSD是不同的,其可在一定程度上反映河型,甚至河型亚类的差异;另一方面同一河段BSD随河床冲淤进程亦发生相应变化,其与河床形态调整存在着必然联系。同时,BSD值与典型剖面形态的复杂程度呈正相关性,可从整体上描述河床表面形态冲淤起伏的剧烈程度。BSD作为河床表面形态冲淤起伏程度的定量工具,其在河流动力学领域中的河势量化分析、河型判别及河道形态阻力计算等方面将具有一定的参考价值。

三峡蓄水后典型河段分形维数的变化分析

针对三峡工程蓄水后下游河道河床表面形态的变化,采用分形维数对河床表面形态进行量化,并分析河道冲淤调整特点,对河床表面分形维数(BSD)的变化特点及物理意义进行探讨。结果表明,BSD与河床各个剖面形态之间的关系是整体与部分的关系,BSD能全面地反映床面形态的复杂程度。三峡蓄水后,宜昌-虎牙滩和宜都河段BSD明显增大,关洲河段增大幅度较小,而芦家河河段BSD值略有减小,同时,各河段BSD的变化可在一定程度上表征三峡蓄水后下游河道河床综合阻力的调整结果。可通过对各河段演变趋势的分析,来预测其BSD的变化,进而为分析其阻力和水位的变化趋势提供依据。

弯曲河段床面分形特征及床面阻力试验研究

根据概化水槽试验的结果,引入河床表面分形维数(以下简称BSD)用于河床表面形态的量化研究,并对BSD的计算方法、弯曲河道的分形特征及BSD值的大小与床面阻力的关系进行了探讨。结果表明,BSD的大小在大尺度上能够反映河段在纵向上的深泓起伏程度和横向的滩槽差,在小尺度上能反映河床表面相对的冲淤幅度,即弯曲河段床面具有明显的分形特征,同时也说明BSD可作为河床表面粗糙高度的一种量度,从而进一步研究了床面阻力与河床表面BSD的关系,研究表明床面阻力会随着河床表面BSD的增大而增大,但对于中小水流量和大水流量,床面阻力与河床表面BSD的关系可明显的分为两个区。

弯曲河段床面粗糙高度的分形研究

根据水槽试验的结果,从河床表面物理形态特征入手,分析了粗糙高度ks与河床表面分形维数D的关系,并进一步分析了D与糙率系数n的关系。结果表明床面粗糙高度ks可通过床面三维起伏度r来表达,r与D之间遵循幂指数的增长关系,即ks与D之间定量函数关系式可通过幂指数函数表达。因此描述n与D之间的定量函数关系也可进一步建立起来。在忽略其他影响因素的条件下,床面形态分形维数D和水流条件R均会引起糙率系数n值的变化,两者作用效果相反。因此n值的变化趋势取决于两者之间的对比关系;同时公式中的两系数a、b的变化对n值的变化亦存在相反的作用,但系数b的影响远大于系数a的影响。