非恒定流清水冲刷输沙规律初步研究

通过波动水流及定常流量的清水冲刷水槽试验,对非恒定流输沙特性进行了研究。分析了洪峰过程中,涨、落水流速、比降、输沙率的变化特性及影响输沙率的主要因素;揭示了加速流和减速流的输沙"滞后效应";提出了洪峰输沙量的估算方法以及与洪峰流量输沙等效的"当量流量"。对人造洪峰设计,河床变形分析计算以及河工模型设计等有一定参考意义。

小北干流非恒定不平衡输沙模型

本文分析了1977年小北干流的两场洪水资料,计算了揭河底冲刷。对洪水采用非恒定流计算,对泥沙采用不平衡的输移方式计算,建立了数学模型,用7月6日的洪水率定系数和参数,然后预测8月3日的洪水,得到的计算结果比较令人满意。

明渠非恒定流下输沙对比研究

明渠非恒定流下的输沙是河流泥沙运动力学的基础问题。针对现阶段水库下泄、山洪暴发引起的非恒定流对泥沙的影响与恒定流下不同,利用现阶段国内外的非恒定流输沙数据进行对比分析,发现各研究者未得到一致结论,因此非恒定流及对应的输沙仍处于起步阶段。通过定义了一个新的非恒定系数,将各个研究者的数据进行对比整合,找到了非恒定流与输沙的普遍规律。

恒定流中非均匀沙推移质不平衡输沙研究

冲积河流的平衡状态指的是在足够长的时间内(以月计)进入某一河段的泥沙等于从该河段输出的泥沙。恒定流中,由于泥沙输移率随时间及空间变化,因此,泥沙的输移总是不平衡的。我们选用粒径为0.05～20.00mm的煤屑及天然沙。在长30m、宽0.5m的变坡水槽内进行了清水冲刷(恒定流)推移质不平衡输沙试验;建立了恒定流中非均匀沙推移质不平衡输沙方程;在修正Gessler,J.冲蚀物级配基础上,提出了推移质级配的计算公式;河床质级配方程采用CARICHAR混合层模塑;并将推移质输沙、级配方程及河床质级配方程应用于河床粗化数学模型,得到计算与水槽实测相一致的结果。

非恒定流作用下输沙率变化过程研究

通航河流修建水利枢纽后，调峰发电下泄类似“人造洪峰”的非恒定流和含沙量趋近于零的清水，破坏了河流的平衡，给河床演变、航道整治技术等带来新的课题。通过水槽试验、理论分析等手段，研究枢纽下游非恒定流作用下均匀沙的起动与输移规律。研究认为：非恒定流作用下输沙率变化过程与水流条件具有不同步性，并与水流非恒定强度P有关，当P〉0．32时，水流参数峰值一般先于输沙率峰值；当P〈0．32时，水流参数峰值滞后于输沙率峰值。

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型 ,是根据以一维圣维南方程组 ,悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先 ,利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性 ,写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到所有节点的水位 ,再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水流的节点水位控制法 ,本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小 ,所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组 ,得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验 。

非恒定流推移质运动研究进展分析

非恒定流推移质输沙是河流动力学研究中的基础性问题之一。近几十年来,国内外许多学者对这一问题开展了探索性研究,取得了不少研究成果。本文简要回顾了非恒定流推移质运动的研究历程,并从4个方面总结了非恒定流推移质输沙研究进展和主要成果:(1)水沙运动的滞后性;(2)泥沙运动的绳套变化特征;(3)推移质输沙率;(4)洪水驱动下的推移质输沙量。基于对已有研究结果的归纳与分析,指出了现阶段研究中存在的不足,并提出了非恒定流推移质运动的研究建议。

基于图像识别的非恒定流卵砾石输移试验研究

采用自主研发的水位、泥沙运动同步观测系统,分析相同幅度、不同周期非恒定流条件下卵砾石起动试验研究,其中水位与泥沙运动观测系统主要由相机、超声水位计组成。提出了卵石运动图像的分析方法,能够有效识别经过断面的卵石运动。初步对非恒定流条件下卵砾石输移进行研究,试验结果表明,非恒定流条件下,上升段输沙强度大于下降段输沙强度,随着周期的增加,上涨段与下降段的输沙强度差逐渐减小。

非均匀非恒定流中泥沙运动规律初探

本文通过一系列水槽试验对非恒定非均匀流中泥沙运动和河床变形规律进行了初步探讨．在恒定流条件下，缩窄河段的河床在流量大时发生冲刷．冲刷平均深度服从按缩窄段与正常段最终达到过流断面相等的原则推导出来的公式．如果河床泥沙组成不均匀，河床在冲刷过程中就会逐步形成粗化层，因而冲刷深度较小．对于非恒定流，河床变形滞后于水流的变化，这是由于河床具有抵抗变形的“惯性”．推导出了河床变形方程和“河床惯性公式”．河床惯性依赖于床沙组成和颗粒大小，并与单位体积床沙重量成正比．非均匀床沙在冲刷时形成粗化层，因而河床惯性较大．

非恒定悬移质不平衡输沙的研究

本文根据沙量、水量守恒原理，导出了非恒定流条件下悬移质不平衡输沙的对流一源汇方程并采用特征线法和分离变量法获得了断面平均含沙量时空分布的解析解表达式，该解反映了含沙量的动态演进过程。

向家坝水电站下游非恒定水沙特性研究

水电站日调节和泄洪引起的非恒定流改变了下游河道的天然水沙过程,将影响下游河道的防洪、航道、港口及船舶航行安全,需研究坝下非恒定流的传播规律、关注航道内比降与流速的变化以及航槽内的输沙特性,实现水电与航运协调发展.结合向家坝水电站下游滩段的物理模型试验与坝下一维数模计算的成果,开展了电站下泄非恒定流对下游水位、流量、比降、流速及输沙的影响研究.结果表明:日调节引起的坝下水位、流量变化沿程坦化,水位与流量变幅沿程减小;随着电站泄水波的行进,峰前瞬时比降和水流速度相应增大,退水时沿程水面比降与流速随谷减小,随后恢复原有的比降(流速)与流量关系;泄水波峰前最大比降随流量变率的增大而增加,与流量的变幅无关;非恒定流输沙率大于恒定流的输沙率.

非恒定非均匀泥沙数学模型的建立和应用

应用圣维南方程以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙的计算公式,并根据沙量平衡方程和河床变形方程推求出了三门峡库区河底高程的变化规律。结果表明:①计算结果与实际资料符合良好,表明此模型在非恒定输移计算方面具有较好的精度;②模型不仅能够模拟上、下游的流量、水位、沙量过程线,还可以计算各时段河底高程的变化;③模型还需要在应用中不断利用实际资料进行检验和修正。

三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙输移数学模型

黄河是高含沙河流,含沙量季节差异显著。因此研究黄河干流的非恒定水沙输移规律以及库区泥沙的淤积问题极为重要。应用圣维南方程组以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙含沙量计算公式,并根据沙量平衡方程推求出三门峡库区河底高程的变化规律。使用已有的资料对模型进行的验证表明:模型计算与实测资料符合良好,该模型具有较好的应用前景。

水流移床力及河道运动力学的初步探讨

本文首次提出了水流移床力和河道运动力学的概念 ,并建立了水流移床力与流量脉动强度的关系 .水流挟沙力是水流挟带泥沙通过河道的能力 ,而移床力则是水流改造河道的能力 .非恒定流输沙使水流具有移床力 ,因而造成河道运动 .研究发现 ,流量脉动强度愈大 ,移床力也愈大 .不同频率的脉动对移床力有不同的贡献 .在缺少河道实测运动资料的情况下 ,可以利用流量脉动能谱算出修正系数k推算实际水流移床力 .由移床力与流量脉动的关系可以推论 ,水流脉动强度愈大 ,河道愈不稳定 .利用水流移床力公式 ,可以计算和预测河道运动的速度和距离 .

挟沙水流的冲刷率及河床惯性的研究

在清水水流河床冲刷率的实验研究基础上，本文进一步研究了挟沙水流来沙率对冲刷率的影响。结果说明挟沙水流的冲刷率随来沙率与水流输沙力欠饱和度之比以负指数律降低。当来水挟沙率与水流饱和输沙率相等时，冲刷率降到０。河床惯性是河床在非恒定流中一种重要的动力学性质。利用河床惯性与冲刷率的关系测量了各种沙样的河床惯性值。发现河床惯性随床沙颗粒分选系数增大而增大，分选系数很大时趋近于极限值５０ｔ／ｍ２。利用河床惯性和河床变形方程得出了冲刷过程中水流输沙率沿程和随时间的变化规律，结果说明水流输沙率欠饱和度向下游以负指数律下降，这与冲刷率随实际水流挟沙率与欠饱和度之比以指数率下降的规律有相同意义。河床惯性愈大，实际水流输沙率增长得愈慢。河床惯性与干容重及摩阻流速之比构成的无因次数ＡＲ代表河床变形和水流实际挟沙量对水流挟沙力变化的响应程度。ＡＲ值愈大，河床演变对变化的水流愈适应。对天然河流最大河床冲刷率采用实验得出的冲刷率公式和河床惯性进行了计算，用实测结果验证了冲刷率公式。

黄河下游游荡性河道双岸整治对窄河段冲淤影响

通过研究黄河下游及渭河、北洛河等主要支流实测高含沙洪水的输沙特性与冲淤特性,发现:河道比降沿程虽然变缓,但是河宽会相应变窄,流速沿程增加,认为这是冲积河流保持洪水输沙准平衡的边界条件;底沙的运动速度比洪水波传播速度慢,是造成河道长距离冲刷的根本原因;洪水非恒定性是造成冲积河道输沙与冲淤特性的主要控制因素,由于作用在床面上的剪力(或功率)在涨水期迅速增加,落水期减小,因此必然造成涨水期河床强烈冲刷与落水时迅速淤积。通过分析动床阻力与输沙特性间的关系,发现当床面形态进入高输沙动平整状态后,河道输沙呈现多来多排状态。在实测比降相差10倍的条件下主槽均会发生强烈冲刷,因此认为比降在实测变化范围内对洪水造床、输沙作用影响不明显。黄河下游游荡性河道经双岸整治后将形成有利于排洪输沙的窄深、归顺、稳定的通道,进入下游窄河段的洪水造床和输沙作用增强,洪水对河道仍会产生冲刷作用。

河道治理应与自然环境协调一致

由国家自然科学基金委和德国科学研究基金委(DFG)资助的第3次德中非恒定流输沙学术讨论会于2000年10月9日在德国慕尼黑联邦军事大学举行。中国有19名泥沙学者参加了会议。德方代表包括来自慕尼黑、亚琛、卡尔斯鲁厄、柯不伦斯、汉诺威、达姆斯达特、柏林等地学府和研究所的23名学者。加拿大著名泥沙专家雅林也出席大会并作了特邀报告,另有来自奥地利维也纳、因斯布鲁克的两名学者与会。组委会主席水力学研究所所长Bechteler教授、蔡瑞贤院士、王兆印教授在开幕式上讲了话。中方代表宣讲了18篇论文,德方宣读了20篇论文。会议中心议题为"非恒定输沙的长期效应"。与会代表围绕着非恒定流河床过程的作用、山区推移质在非恒定流中的运动规律、河流重归自然化治理、非恒定流与生态环境、生物、有机物对粘性泥沙运动的长期影响、细颗粒泥沙与悬移质、潮间带泥沙运移过程、陡坡河流及泥石流、动力地貌过程、数学模型、水库泥沙等专题进行了热烈的发言和讨论。会间参观了慕尼黑联邦军事学院水力学所的两个大型实验室,进一步了解了德国研究人员的科研课题与观测实验手段。

洪水事件期间的泥沙输移模拟:实验室研究与野外试验

为建立对非恒定流中河流悬移质泥沙输移的基本理解 ,使用实验室侵蚀实验和人造洪水试验两种方法评估瞬时情况对水流输沙效率的影响。侵蚀实验揭示出当水流非恒定程度增加时 ,输沙能力增加 ,而瞬时情况的影响被河底粘性特性所抵消。通过水库蓄水进入一条小水渠的人造洪水野外试验 ,证实了这些发现 ,并揭示了在摩擦流速与悬移质输送之间的相互关系。提出了较适宜用于评估瞬时情况对悬移质泥沙输移影响的参数 β。