黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型。该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程 ,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于 1等缺陷 ,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式 ,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法 ,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术。运用Preissmann四点差分格式离散水流方程 ,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解。

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅱ模型验证

利用所构建的非恒定输沙数学模型 ,对黄河下游铁谢至孙口河段内的 1 977年高含沙洪水、1 982年大水少沙型洪水以及 1 996年典型洪水进行了数值模拟。模拟结果证明了数学模型的可靠性 ,表明该模型不仅能模拟黄河下游河道一般洪水和高含沙洪水的水沙传播、水位变化及河床变形等 ,而且对模拟现行严重萎缩河道内的洪水演进及河床冲淤特性也有较好的适应性。

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型：Ⅰ—模型方程与数值方法

黄河下游冲淤变形剧烈，其平面二维泥沙数学模型的研究与开发是一个极其复杂的难题，在学术与工程实践上都具有重要意义。本文构建起具有通用性的黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型。在该模型中：采用修正的河床变形方程；克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1的缺陷；引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式。在数值方法上：采用边界拟合坐标，对水流连续性方程与动量方程采用交错网格上的ADI方法进行离散求解，对泥沙连续性方程则采用控制容积法进行离散。

波浪作用下非恒定输沙规律研究进展

为了准确计算一个波浪周期内净输沙率的大小和方向,需要研究波浪作用下非恒定泥沙输移规律。介绍了过去20多年国内外学者在大型往复流水道和波浪水槽中开展的非恒定输沙试验以及原型观测结果,总结了相位滞后效应参数的定量刻画以及不同半-非恒定净输沙率模式的构建,探讨了现阶段需要着重解决的关键问题。指出未来需要重点研究不同波况(包括波浪破碎、长波、波流相互作用等)下颗粒的起动延迟或沉降延迟造成的非恒定输沙过程的动力机制,准确刻画泥沙在波浪前、后多个半周期内的交换关系并将其反映在净输沙率的计算公式中;此外还需要深入研究非均匀沙的非恒定输沙过程(包括垂向分选等),并构建相应的净输沙率计算公式。

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型：Ⅱ—模型验证

采用黄河下游1982年洪水资料，选取花园口至夹河滩河段为计算区域，对所建模型进行了验证计算，结果表明本模型计算的洪峰传播过程，水位变化过程及含沙量变化过程等均与实测结果接近，流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲淤变形规律。

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。

黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响

本文根据黄河主要干支流冲积河段实测高含沙洪水的输沙资料,从黄河下游河道比降、河宽、流速沿程调整、洪水非恒定性等方面分析研究了冲积河道输沙特性与河床冲淤特性。分析了动床阻力与输沙特性间的关系。当水流流速大于1 8～2 0m s时,床面进入高输沙动平整状态,河道输沙特性呈现“多来多排”状态,是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。从洪水期作用在床面上的剪力或功率的变化,引起底沙输移强度的变化,论证了涨水期河床强烈冲刷与落水时迅速淤积的必然性。指出底沙运动速度比洪水波传播慢是造成河道长距离冲刷的根本原因。

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.

高含沙水流的紊动粘性系数研究及其应用

基于张红武的“紊流涡团模式”和采用高精度的流速垂向分布表达式,建立起高含沙水流的紊动粘性系数计算公式。应用此公式计算泥沙连续性方程中的泥沙扩散系数,得到了与测试资料相符合的含沙量垂线分布规律;进一步,将建立起的紊动粘性系数计算公式应用于黄河下游平面二维泥沙数学模型中,以封闭水沙控制方程,并选择1982年洪水和花园口至夹河滩河段开展数值仿真,计算出的洪水流量过程、水位过程及主流线等与实测资料基本一致。应用结果表明本研究中所建立的紊动粘性系数计算公式可用于高含沙水流的理论分析和模拟计算中。

基于洪水涨冲落淤特性分析游荡性河道双岸整治对冲淤的影响

基于黄河下游及主要干支流、美国密苏里河和密西西比河的实测资料,分析了低含沙洪水和高含沙洪水的输沙与冲淤特性。研究表明,河道沿程比降虽然变缓,但河宽变窄,流速沿程增加,是造成冲积河流保持洪水输沙平衡的边界条件。底沙的运动比洪水波传播得慢,是造成洪水在河道中长距离冲刷的根本原因,而与河道的比降陡缓关系不大。河道输沙特性呈现"多来多排",是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。通过黄河下游河道双岸整治,河道形成窄深、归顺、稳定的河槽,使洪水造床和输沙作用增强,从而对河道冲刷作用增加。

赣江万安水库下游河床变形二维数学模型研究

利用平面二维数学模型对赣江万安水库下游河道进行模拟分析 。

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 .

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。