滩地植被对漫滩水流裁弯影响的实验研究

斜槽裁弯是弯曲河流长期演变过程中的临界地貌过程,其形态动力学过程仍缺少在不同漫滩水流和植被条件下的实验研究。以黄河源区泽曲支流浩斗曲的局部弯曲河段作为原型开展概化动床水槽实验,研究在5种漫滩水流与植被条件下的斜槽裁弯过程,分析连续弯道在裁弯前后的河床冲刷调整和平面形态变化。结果表明,斜槽裁弯由颈口处的串沟过流冲刷形成,其串沟发育位置及过程不同,颈口宽度随时间呈近似线性缩窄变化,由漫滩水流冲刷形成的新河道展宽速率最快达到129 mm/h。各工况条件下河湾内河道中心线的位置均存在不同程度的横向迁移,其速率最快达到144 mm/h。斜槽裁弯发生后,“Ω”型河湾底部的冲刷面积大于河湾顶部位置。

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草,通过水槽试验,探讨了不同滩地植物作用下的漫滩水流紊动特性。试验结果表明,纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布;时均流速与采样时间的长短有关;横向动量交换比垂向动量交换大,横向动量基本上是主槽向滩地传递;不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后,水流的紊动强度增强,纵向和垂向的紊动强度相当,都服从S型分布。

植被作用下的弯曲复式河槽漫滩水流2维解析解

研究植被作用下的弯曲复式河槽流速分布对于确定其过流能力、泥沙输移、河床变形、滩岸保护有着十分重要的作用。作者研究了有植被的弯曲复式河槽中的垂线平均流速横向分布问题,在动量方程中加入滩地植被引起的拖曳力项,并考虑弯曲主槽和二次流的影响,采用3种不同的紊流扩散项积分方法,得到了3种计算模型。运用英国FCF弯曲复式河槽试验资料对模型进行验证,结果表明,在不同区域选取合适的二次流系数K比仅考虑主槽中的K值能更好地预测流速分布;滩地种植植物后,主槽中的K值明显增大;3种模型的预测结果在滩地上基本相同,主要差别出现在主槽区和掺混区。通过比较分析不同模型的计算误差,得到了计算结果最优的模型。

生产堤溃决后漫滩水流的概化模型试验研究

黄河下游主槽两侧修建的生产堤通常仅能抵御中小洪水,用于保护滩区农田与村庄安全;当遭遇大洪水引发生产堤溃决时,漫滩洪水会严重威胁滩区群众的生命财产安全。当前研究溃堤洪水的传播过程与演进机理多采用数值模拟,而原型观测及模型试验成果十分有限。通过溃堤漫滩洪水的概化模型试验,模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。试验结果表明:(1)溃堤后漫滩水流以涨水波的形式向滩区迅速传播,主槽内水位具有先降低,然后维持稳定,再升高,最后趋于稳定的变化过程,且溃口上、下游水位变化速率不同;滩区水位总体表现为持续升高,最后趋于稳定的趋势。(2)漫滩洪水波的波前到达时间主要与滩区地形及距溃口的距离有关,波前首先以溃口为中心呈近似对称式椭圆形分布,而后转变为非对称分布;溃堤水流在滩区传播过程中伴有水跃发生,水跃发生的位置由距溃口较远处逐渐趋向溃口位置。(3)溃口流量与溃口内外水位差直接相关,呈先减小、然后维持稳定、再减小最后为0的变化特性。研究成果不仅可以提升对溃堤洪水在滩区演进规律的认识,丰富溃堤洪水动力学理论,还可为数学模型验证提供实测资料。

漫滩水流二次流项系数研究

基于SKM方法,引入二次流项系数,给出了漫滩水流水深平均流速沿横向分布的二维解析解.文中对SERC-FCF的系列试验进行了模拟,计算结果与实测资料吻合较好.在此基础上,进一步研究了复式河道断面形态对二次流项系数的影响,并分析了造成各种影响的原因.计算结果表明,二次流项系数的大小与断面形态有关,而其正负号与二次流的方向有关,这为二次流项系数的选取提供了参考依据.

漫滩水流流速垂线分布规律的研究

根据顺直河道漫滩水流的运动特点，将复式河道的横断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，在此基础上，结合水槽试验资料，分析得出漫滩水流各区的流速垂线分布规律，并对现有的对数流速公式进行了修正．

漫滩水流摩阻因子与涡粘性系数的研究

对复式河道漫滩水流进行了研究,建立了摩阻因子与一维明渠流摩阻因子的关系,揭示出滩地的量纲为一涡粘性系数随着摩阻因子的增加而增加,并将二次流的影响表达成与雷诺切应力相同的形式,从而将其归入表观切应力中,由量纲为一表观涡粘性系数确定,后者可通过量纲为一表观涡粘性系数与摩阻因子之间的一个关系加以计算,该关系类似于量纲为一涡粘性系数与摩阻因子之间的关系。对光滑边界上对称的漫滩水流进行了计算,计算结果与实验资料吻合良好。

滩地植被化的顺直复式河道漫滩水流计算

利用二维数学模型对滩地植被化的复式河道漫滩水流的水深平均流速的分布进行了求解。通过恒定均匀流的假设,对主流方向上的沿水深积分的紊流时均运动微分方程式进行简化得到了相应的控制方程,其中引入植被对水流作用的拖曳力项,并考虑二次流的影响。同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解。通过与试验测得的资料比较,表明计算结果与实测资料吻合良好。

考虑滩槽相互作用的漫滩水流二维解析解

研究复式河道断面的流速与切应力分布问题,将纵向动量方程沿水深方向积分,得到流速分布的解析解。考虑断面二次流的影响,在积分过程中采用了三种不同的积分假定,将水深函数代入三个积分方程中求得滩槽连接处水深变化区域内的流速计算公式。应用FCF的实验资料对模型进行验证,发现采用合理的K值比直接采用SKM方法计算能更好的模拟流速和切应力分布;应用FCF的实验资料对三种不同积分假定下的水深变化区域流速和切应力计算公式进行比选,得到了与实测值最为吻合的计算公式。

顺直河道漫滩水流滩槽流量分配的计算

对于顺直河道漫滩水流,本文在总结现有的滩槽流量分配计算方法的基础上、提出了两种新的计算方法—断面叠加法和谢汉祥修正法。室内及野外资料的验证表明,本文方法具有较高的精度。

漫滩水流特征综述

水流漫滩后,主槽流速减小,滩地流速增大,但主槽流速大,滩地流速小,滩槽之间流速的差别使滩槽交界面上产生剪切力,两部分水流在交界面上发生动量交换,滩槽交界面产生大量次生流、旋涡,并伴随着大量的能量耗散。滩槽的边壁切应力分布不均,尤其是滩槽交界面处。流速和切应力不均匀分布导致了主槽水流含沙量降低,滩地水流含沙量升高。从五方面对漫滩水流特征的研究成果作简要概述。

考虑滩地横比降漫滩水流二维流速解析解研究

黄河下游河道滩地横比降较大,大洪水时漫滩行洪,滩槽水沙交换剧烈,考虑滩地横比降的影响既符合实际又具有较强的理论意义。漫滩水流流速是研究河流横断面形态调整的重要水力参数,目前对其二维解析解的研究均未考虑滩地横比降的影响。在前人研究基础上,推导出考虑滩地横比降影响的漫滩水流运动方程,拟合无因次横向涡黏性系数计算公式,求解滩地垂线平均流速横向分布的解析解,并利用实测资料进行验证。验证结果表明该解析解可以用来计算滩地垂线平均流速横向分布。

漫滩水流滩槽相互作用的射流边界层理论模式

本文建立了漫滩水流滩槽相互作用的射流边界层理论模式,对滩槽水流相互作用的机理进行了阐述,导得顺直主槽复式河槽断面统一的速度剖面表达式(15)。计算结果表明,计算值与实测值吻合良好。

漫滩水流悬移质分布规律的试验研究

通过水槽实测资料的分析，总结出主槽及滩地含沙量与断面含沙量的关系。根据复式河道主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等四个区的水流运动特点，对每个区的含沙量横向及垂向分布特性进行了分析，在此基础上，对滩槽交互区的含沙量横向分布进行了理论探讨，经实测资料验证，结果吻合较好。

滩区工程对黄河下游漫滩水流的影响分析

黄河下游滩区是黄河汛期行洪、泄洪、沉沙的区域,也是180万居民生产生活的场所。由于上游水少沙多的径流特点、上宽下窄的河道形态,以及下游河道长年淤积,使黄河下游逐渐成为复式河槽,造成独特的＂二级悬河＂,黄河下游防洪形势严峻。在黄河下游多年的防洪减灾实践中,国家、当地政府和居民修建了大量的滩区工程（包括河道管理部门修建的河道控导工程和当地村民自发修建的生产堤等）来控制洪水，发展生产，在黄河两岸滩区防洪减灾方面发挥了巨大作用。

复式河槽漫滩水流流速分布二维解析解

通过水深平均纵向与横向流速的乘积(UV)d和垂线平均流速的平方Ud2获得了二次流项系数K的横向分布;根据(UV)d和Ud2在各区域内的关系,引入常系数a和b来表征二次流,进而给出了新的垂线平均流速二维解析解。该解析解表明,b只出现在水深线性变化区域的解析式中。分析发现,a的符号代表各区域内二次流的旋转方向,二次流强度则由a和b的取值共同决定;各区选定合适的a值可以得到较好的计算结果,b值对流速分布的影响主要在主槽区和主槽边坡区。采用英国FCF不同系列试验资料对计算模型进行验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好。同时,比较了a和b在不同断面形态的复式河槽中的取值,并就其变化规律进行了分析。

复式河道漫滩洪水计算

从SKM方法出发 ,将二次流项归并入雷诺切应力项 ,并将主槽和滩地的流速分布曲线直接相接 ,推导出一套不需联立求解系数方程组的漫滩水流流速和床面切应力分布的计算公式。针对不同工况进行了实际计算 ,计算结果与他人的实验资料基本一致 ,表明这一方法是合理的。

黄河下游过渡型河段漫滩洪水演进规律探讨

利用黄河下游高村至孙口河段漫滩洪水观测资料 ,分析了过渡型河段漫滩洪水演进规律及其影响因素 .结果表明 :过渡型河段河槽弯曲 ,滩地多、面积大、连通性差 ,在险工、护滩控导工程控制下 ,主槽相对稳定 ,河道横向淤积分布不均 ,主槽冲淤变化大 ,滩地低洼、蓄滞洪能力大 .滩地蓄滞洪能力、主槽排洪能力与不同量级不同类型洪水的不同组合 ,是造成漫滩洪水洪峰流量削减、洪峰形状变形。

河滩种树对行洪影响试验研究

对宽滩和窄滩河槽的过流能力以及滩地种树的的漫滩水流水力特性进行了研究表明:像珠江三角洲网河这样的窄滩复式河槽,滩地种树对水位的影响不大,也不会影响滩地的槽蓄滞洪作用;但种树使滩地水流归槽,主槽流速增大;滩地种树的利和弊及对行洪的影响是多方面的。

滩地植被化的复式断面明渠均匀流的流速比

采用量纲分析法得到了淹没滩地植被化复式断面渠道中主槽和滩地间表观切应力的基本形式,基于Thornton等的实测资料,运用最小二乘法导出了表观切应力中动量传输系数的计算式.在计算动量传输系数中考虑了滩地与主槽水深比、宽度比以及植被阻水百分数等因素的作用,进而采用力的平衡原理,给出了主槽和滩地的流速和流量的计算公式.该公式反应了动量传输系数及主槽糙率、滩地糙率和植被密度对流速流量的影响,计算结果与实测资料符合良好.