黄河干流泥沙空间优化配置研究(Ⅰ)——理论与模型

在分析1950年以来6个不同时期黄河空间泥沙分布状况及存在的主河槽淤积比例偏大、主河槽萎缩、河道输沙能力下降、排沙入海比例减少等问题的基础上,构建了黄河泥沙空间优化配置的总体框架,提出了泥沙优化配置的理论方法,确定了黄河泥沙配置的1个总目标、2个子目标、6个评价指标、7种配置方式和10个配置单元。研发了黄河泥沙空间优化配置数学模型,该模型由河道水沙动力学模型和泥沙多目标优化配置模型两个子模型构成。河道水沙动力学模型计算河道平滩流量、滩槽冲淤量和引水含沙量等,泥沙多目标优化配置模型由综合目标函数和配置约束条件构成。优化配置方案由两个子模型联合计算而得。本文介绍了优化配置模型的计算过程和采用的计算参数。

分形理论在泥沙研究中的应用概述

论述了分形理论在泥沙研究中的应用,主要包括:泥沙颗粒物特性,群体泥沙组成及其沉积物排列方式,细颗粒泥沙絮凝体结构以及河流几何形态等;概括了当前在应用中的特点:促进学科交叉,形成新的研究领域;活跃传统思想,提供新的研究方法;同时指出值得注意的问题:分形算法的统一和规范,明确各研究对象分形维数物理意义并用于解决实际问题。

基于XDLVO理论的黏性泥沙絮凝模拟格子玻耳兹曼模型

引入XDLVO理论(extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory)描述颗粒间作用力,建立了黏性泥沙絮凝的格子玻耳兹曼模型,利用该模型模拟由不等速沉降引起的黏性泥沙絮凝,分析不同黏土矿物泥沙颗粒对泥沙絮凝的影响,并探讨泥沙絮凝机理.模拟结果表明,不同黏土矿物的絮凝难易程度有所不同,伊利土最容易絮凝,其次是高岭土,蒙脱土絮凝能力最差,该絮凝沉降规律与前人的实验观测结论一致.

基于统计理论数据融合的水流泥沙含量测量仪

水流泥沙含量的测量在土壤侵蚀和水土保持研究中具有重要意义。采用自行研制的便携式水流泥沙含量测量仪测量了水流泥沙含量。结果表明,水流泥沙混合液质量与泥沙含量之间呈线性关系,可采用荷重传感器测量水流泥沙含量;通过采用基于统计理论的数据融合法来处理测量结果,可大大提高测量的准确性和重复性;其测量精度为0.63%,重复性误差小于0.49%;该测量系统为水流泥沙含量的快速、准确测量提供了一种新的、有效的方法。

Einstein床沙质输移理论的再研究——关于粗颗粒床沙质输沙率的计算

本文讨论了H.Rouse泥沙浓度分布公式的数学性质.在此基础上,将悬浮指数z<1的泥沙定义为细沙;将z≥1的泥沙定义为粗沙。本文推导了粗沙情况下床沙质输沙率的解析计算公式,经与数值结果比较,表明本文的推导是正确的。

分形理论在紊流与泥沙研究中的应用现状

紊流与泥沙问题是河流动力学的基本问题,也是水科学中的公认难题,传统的线性数学方法在解决这类强非线性问题时存在较大局限性。分形理论作为非线性科学的一个重要分支,为紊流和泥沙问题的研究提供了新的途径。基于国内外大量研究资料,系统论述了分形理论在紊流和泥沙问题中的应用现状,探讨了其应用前景。

从二相流方程出发研究平衡输沙──扩散理论和泥沙扩散系数的讨论

根据力平衡原理研究泥沙浓度的垂向分布，参照湍流混合气体运动中组元间作用力的本构式的构成，给出了湍流二相流相间阻力的本构式，并由此推导了充分发展的明渠流动中泥沙浓度的垂向分布．以本文给出的泥沙力平衡方程为基础，引入某些近似可推导出沿用至今的（泥沙运动的）扩散理论所给出的方程．

现有泥沙理论的不足和改进——扩散模型和费克定律适用性的讨论

描写混合物运动可以采用单流体模型、扩散模型和双流体模型，本文简要介绍了这三种模型，并作了比较，指出：单流体模型方程少、求解简单，但解中包含的信息量少；后两种模型包含的信息量相等，由于扩散模型方程组可从双流体模型方程组引入某种近似后推导出来，它的求解比双流体模型方程组简单，但包含一定的误差．本文分析了这种误差与运动介质物性的关系，给出了扩散模型的适用范围，说明了为什么对于气体混合物常用单流体模型或扩散模型，而对于气－固混合物大多采用双流体模型．液－固混合物性质介于上述两种混合物之间，扩散模型对于它基本上适用，但并不完全适用．扩散模型中的扩散速度表达式，常根据费克定律给出．本文指出了费克定律的局限性，并把它与泥沙运动力学目前遇到的困难联系起来，由此说明采用更一般的扩散速度表达式的必要性．

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"。

论泥沙灾害学体系建立的理论基础

泥沙灾害是地球表层各种主要灾害之一 .泥沙灾害学是泥沙学、地貌学与灾害学学科交叉的产物 ,它是描述泥沙在其侵蚀、输移和沉积运动发生变异时造成灾祸过程及其防治方法的科学 .泥沙灾害在本质上不同于通常的气象灾害、水灾害、生物灾害和地质灾害 ,泥沙运动也不能用传统的气象学、水力学、生物学和地质学来描述 .作为主要灾害之一 ,泥沙灾害具有灾害学中关于所有灾害描述的一般特性 ;作为相对独立于过去四大灾害的系统 ,泥沙灾害系统具有自身独特的体系和规律 .明确的运动物质主体、固有的颗粒运动特性、独特的泥沙灾害系统和不同的灾害防治方法形成了泥沙灾害学的特殊体系 ,从而也构成了泥沙灾害学的理论基础 .

基于摄动理论的泥沙群体沉降公式研究

国内外许多学者对单个颗粒泥沙沉降公式进行了大量的实验研究和分析,鉴于单个颗粒的沉速与群体沉降可以相差10倍,目前泥沙群体沉降公式大多为经验表达式,因此,深入研究群体颗粒泥沙沉降公式有重要的意义。考虑到在群体泥沙沉降中粗细颗粒粒径大小对泥沙沉降公式的影响,基于摄动理论和最小二乘法,在泥沙群体沉降一般模式的基础上,提出一种新的泥沙群体沉降计算模式。通过对现场实测资料和水槽试验数据进行计算拟合,并与其它经典公式相比较,发现所推导的公式要优于后者。研究结果表明:针对群体泥沙沉降中粗细颗粒粒径大小,考虑其颗粒间的相互影响,按群体泥沙颗粒粒径大小范围分别考虑,是一种群体泥沙沉降计算比较有效的途径。

低浓度固液两相流中泥沙垂直分布的摄动理论解释

本文从低浓度两相流中固相和液相的相互作用着眼，从基本的动量方程和连续方程出发，将悬浮固体颗粒的存在视为对相同流动条件下清水紊流的摄动，引入摄动分析的理论，并通过动量方程直接得出了悬移质泥沙浓度分布规律。

从水力学经验公式看泥沙运动基本理论的发展

水力学理论的学科发展是由数学推导为主导和以实验及经验公式工程应用为主导共同推动的结果,经验公式是水力学学科的重要组成部分。不应因为泥沙运动学科存在较多的经验公式、半经验半理论公式,而认为泥沙运动学科缺少理论或理论不完美。认为唯有严格的数学推导才能体现泥沙运动学科理论完美的观点恐怕过于理想。在学科发展的某些节点问题上,需要实验和经验公式发挥主导作用。与水力学相比,泥沙运动理论中的经验公式的适用范围还有待拓展,期待不久的将来能出现物理概念清晰、适用范围广、精度高的泥沙运动计算公式。

论泥沙运动理论的流派及相互关系

泥沙运动理论种类繁多 ,众说纷纭 ,这给泥沙工作者带来了诸多不便。按各学者研究泥沙运动所引起的水流强度指标 ,对泥沙运动理论的流派地行了划分 ,分为力学派、运动学派和能量学派。在理论上 ,各学派均可表示成统一的形式 ,根本区别在于各学派对于阻力系数对泥沙运动影响上认识不一致。在运用上 ,除个别问题外 ,对各学派的优劣存在较大分歧 ,特别在预测输沙强度方面 ,虽说能量学派占有一定的优势 。

河流泥沙随机吸附理论及试验研究

本文建立了泥沙吸附重金属污染物的随机理论。根据这个吸附理论可以发现对河流泥沙吸附重金属污染物的相对吸附量及其概率密度函数起主要影响的参数是:溶解态重金属污染物浓度G、吸附系数K_1和均方差D。本文还提出了综合参数Z的概念。Z能综合反映参数G、K_1和D的影响。根据汉江、渭河等江河中泥沙吸附重金属离子的实验资料对该随机吸附理论进行了验证,结果表明计算值和实测者吻合较好。

基于两相流动理论的混流式水轮机叶轮内泥沙磨损的数值模拟

为研究长短叶片对水轮机两相流动的影响,选用RNGκ-ε湍流模型和混合多相流模型,针对混流式水轮机全流道在不同开度下的含沙水流两相流动内部流场进行数值模拟,分析长短叶片转轮和常规转轮内两相流动机理及不同转轮内的泥沙磨损状况。结果表明,长短叶片转轮改善了沙水在叶轮内的流动状态,沙粒体积分数在叶片上分布均匀,未出现大体积分数沙粒局部集中现象。研究成果进一步丰富了水轮机叶轮磨损的相关内容。

水涡轮机械中泥沙磨损与固液两相流理论研究

本文概述目前国内外水涡轮机械固液两相流及泥沙磨损问题的理论研究现状，讨论水涡轮机械中适用的固液两相流动基本研究方法，结合泥沙磨损的诸多影响因素，就进一步开展泥沙磨损问题的研究提出了自己的设想。

泥沙突变理论在海底管线冲刷中应用

基于泥沙突变理论,针对海底管线冲刷下泥沙的运动特征,建立恒定流作用下的泥沙起动模式,确定希尔兹数、无量纲参数、冲刷坑深度之间相互作用的非线性方程,推导了恒定流作用下海底管线冲刷坑深度的预测公式。将相同条件下该公式的计算结果与前人的试验资料进行了对比,可发现尽管计算结果存在一定的误差,但也基本能满足对冲刷坑深度的预测和判断,从而证明了泥沙突变模型在预测海底管线冲刷坑深度中的适用性。

泥沙突变理论在细颗粒泥沙输沙率中的应用

基于尖点突变理论,针对影响泥沙起动、底床冲刷的主要因素,在不同水流强度下,建立了恒定流下泥沙起动模式,以及沙粒雷诺数、希尔兹数与泥沙冲刷强度的非线性方程,进行了相应的物理模型试验,并将已有试验得到的沙粒雷诺数代入非线性方程,探讨了沙粒雷诺数的大小对非线性方程的影响,将所提公式的计算结果与已有资料进行对比,发现该理论公式的计算值与试验值具有较好的一致性,能基本满足对细颗粒泥沙冲刷强度的预测需求。

不同影响因素下路用黄河泥沙动剪切模量和阻尼比试验及理论模型研究

沿黄河高速公路建设过程中,黄河泥沙作为路基填料的可行性已经得到验证和重视,然而目前有关黄河泥沙作为路基填料的动力特性的研究较少.本文利用英国GDS动态三轴试验系统,对取自黄河中下游郑州段的泥沙进行应力控制的动三轴试验,探究了围压、相对密实度和试验频率对黄河泥沙动剪应力–动剪应变关系、动剪切模量G和阻尼比D的影响,绘制了动剪应力–动剪应变关系骨干曲线和滞回曲线.结果表明,黄河泥沙的动剪切模量、阻尼比与剪应变关系可以用Hardin双曲线模型描述,围压对G和D的影响较大、试验频率对G和D的影响较小.综合与其他土体的动力特性对比表明,黄河泥沙动剪切模量折减曲线规律以及阻尼比D曲线规律和其他土体相符,其动力特性更接近于粉土和砂土,但与其他土体并不完全一致,具有一定的特殊性.最后,本文考虑了围压、相对密实度的影响,并结合现有经验公式,建立可以较好描述黄河泥沙最大动剪切模量G_(max)与围压、孔隙比关系的经验公式,同时建立了动剪切模量比G/G_(max)和D的数学模型,拟合结果显示,建立的模型能较好地描述黄河泥沙的G/G_(max)和D随剪应变的变化规律.