极端降雨事件下三峡库区中部多尺度嵌套小流域径流泥沙特征分析

为研究三峡库区中部泥沙来源及类型分布,本文基于中国科学院成都山地灾害与环境研究所万州典型区水土保持监测站多尺度嵌套小流域2003—2022年降雨极值与泥沙特征数据,利用Mann-Kendall秩相关检验,深入分析了库区流域内输沙量趋势变化及其与降雨极值之间的关系。结果表明:(1)三峡库区中部典型区小流域降雨天数和中雨、大雨以及暴雨天数有明显增加趋势;(2)支沟向出口汇聚过程中,部分推移质泥沙沉积,但在极端降雨时,沉积泥沙再次启动汇入下游,且极端降雨事件下流域坡面泥沙主要以悬移质形式流失;(3)由于人为活动的影响,嵌套小流域内各支沟和集水区的侵蚀模数存在显著差异,最大侵蚀模数与最小侵蚀模数之间的比值高达10.71。同时,小流域及其嵌套支沟的年侵蚀模数呈现不同程度增加的趋势,并在极端降水事件频繁发生的2020年达到最大值。(4)虽然三峡库区中部典型区小流域降雨整体上有降低趋势,但极端性的降雨频发仍是水土流失防治的重点区域。因此,针对频发的极端性降雨侵蚀特征及其小流域内泥沙迁移规律,加强小流域推移质与悬移质源头生态风险排除与治理,稳固河道沉积泥沙将有效降低小流域把口站泥沙的输出。

沙波与刚性非淹没植物复合床面推移质泥沙输移特性研究

鉴于复合床面条件下刚性非淹没植物改变推移质输沙特性的相关研究成果较少,为此采用水槽试验和理论分析方法,研究了平行排列的刚性非淹没植物对泥沙起动谢尔兹数和推移质输沙强度的影响。结果表明,平行排列的刚性非淹没植物使得泥沙起动谢尔兹数增大了97.2%,推移质输沙率降低了80%以上。通过理论分析提出了适用于刚性非淹没植物平行排列条件下恩格隆推移质输沙率公式,经验证该公式具有较高的精确度。

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化水槽试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。研究表明:随着漂石颗粒相对淹没度(h/D,平均水深与漂石有效直径之比)的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。

长江河口枯季河床沉积物与河床沙波现场观测研究

于 2 0 0 2年 3月利用浅地层剖面仪、双频道测深仪、旁侧声纳和ADCP流速剖面仪、ENDECO海流仪、OBS测沙仪在江阴至横沙岛航行 1 50km ,取得河床沉积物、河床形态和与此相关的动力因子实测资料。采用沉积学和泥沙运动力学相结合的方法进行研究 ,结果表明 :观测期间该河段河床沉积物颗粒组成以细砂为主 ,中值粒径为 2 φ左右 ,分选较好 ;河床泥沙以单颗粒群体跳跃运动为主 ,在河床上形成沙波形态 ,并发育良好 ;其河床沙波的形成、发展和消失与河床沉积物颗粒度特征和涨落潮水流强弱息息相关。

长江河口底沙运动规律

于1981－1988年以浅地层剖面仪和回声测深仪取得沙波观测资料，运用这些资料以及河床表层沉积物和历年河口水文、地形资料，采用水文学、沉积学与泥沙运动力学相结合的研究方法，分析长江河口底沙的运移规律。结果表明：长江河口底沙运动非常频繁，一般有单颗粒滚动、跳跃，沙波及沙体推移等形式；在沙质床面上沙波发育良好，其形成、发展和消失与潮差和落潮流速有一定的相关性，因受涨、落潮流改造，沙波难于得到充分发展；沙体推移为长江河口底沙运动的主要形式，推移量很大，有时甚至能使滩槽移位，迫使通海航道改线。研究底沙运动规律为长江河口治理提供科学依据。

三峡工程对现代长江三角洲地貌演化影响的初步研究

根据长江三峡蓄水前后十余年的入海泥沙通量和河口口门区冲淤的对比分析,初步探讨三峡工程对长江河口三角洲地貌演化的影响。结果表明:(1)三峡水库蓄水以来(2003-2008年),入库悬沙73%以上被拦截在水库里,因坝下游河床冲刷和支流来沙补给,三峡水库蓄水导致大通站输沙率下降49%;(2)1994-2000年、2000-2004年、2004-2008年,长江口门研究区(1 500 km)2净淤积量分别为7.25×108m3(1.21亿m3/a)、-1.03×108m3(-0.26亿m3/a)和-0.20×108m3(-0.05亿m3/a);(3)2000年以来,河口门外水深超过7 m的大部分区域处于蚀退,尤以10-20 m区域侵蚀最为强烈,但河口滩地(5 m线以内)较前一时段淤积加强。主要结论:三峡水库蓄水加剧了长江入海泥沙的减少;入海泥沙减少是长江三角洲从淤积转为侵蚀的主要原因,近几年入海泥沙减少和河口口门区出现的冲刷有一半左右可归因于三峡工程的运行;河口滩地的逆势淤积是近年一系列的河口重大工程影响的结果。

应用地理信息系统研究长江口南港底沙运动规律

利用地理信息系统软件强大的数据输入和空间数据分析功能 ,将长江口南港 1988年至 2 0 0 0年的海图数字化 ,通过最小距离内插得到栅格水深图 ,并且通过相邻两年海图对应位置水深值相减 ,得到河床冲淤变化图 ,在此基础上定量分析成形沙体的特征 ,河道容积变化、河道淤积部位和底沙输移路线、预测下一年河道淤积部位、输沙率等 .研究表明GIS技术是定量研究底沙运动的一种有效手段 ,长江口南港近 12年内河道发生淤积 ,底沙主要来自洪水和落潮流冲刷上游河床底部 ,再在下游堆积形成新的淤积体 .长江口南港底沙输移趋势以进入下游南槽为主 ,少量进入北槽 .

基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式

基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系式.实测资料表明,推移质输沙率与床面层内有效水流功率有良好的相关性,且高于推移质输沙率与水流功率的相关性.经2 800组试验资料与天然河流资料的检验表明,该关系式的适应性良好,计算精度较高,并优于同类型的基于水流功率的推移质输沙率公式.

非均匀沙推移质输沙率及其级配计算

本文根据水流功率理论,导出了非均匀沙推移质输沙率公式,并考虑了床沙运动的随机性及床面粗化对输沙率的影响;提出了推移质级配计算的公式。由非均匀推移质输沙率及其级配计算公式的计算值与作者、Samaga、Gilbert试验值及长江新厂(二)站、美国东汊河实测值吻合较好,并且能够用于均匀沙的推移质输沙率计算,具有广泛的通用性。

长江河口水下沙洲类型及典型水下沙洲的推移规律

对长江河口水下沙洲的类型及其演变规律进行了研究，把水下沙洲分为 4 种基本类型：节点型沙洲、弯道型沙洲、涨落潮流分异型沙洲、分汊口型沙洲。并研究了河口区若干典型沙洲在最近 20 a 的推移规律和冲淤状况，对沙洲冲淤量进行了计算，结果表明河口水下沙洲冲淤频繁， 1991 年后仅上、下新浏河沙 5 m 等深线内沙体每年冲淤量达 1.5×106 t，尤其是 1998 年大洪水导致上新浏河沙被冲失近 1/3 。

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.

非均匀沙分级推移质公式

根据近底泥沙交换的随机 -力学模式及输沙率概率分布 ,从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率的新公式 .采用作者提出的分级起动概率和颗粒跳跃速度表达式处理有关参数 ,而公式所及常数则由均匀沙输移试验资料确定 .由此获得的非均匀沙分级推移质公式物理概念清楚、数学处理严密、能自动适应均匀沙情形 .用非均匀沙分级输移试验资料的验证结果表明 。

水流强度对推移质三维运动规律的影响

利用粒子示踪技术对恒定均匀明渠流中的推移质颗粒运动进行了测量,采用了三种比重的试验沙,通过改变沙样粒径及水力比降,得到了10组不同水流强度下粒子的三维运动轨迹,计算了粒子三个方向上的速度分量并对大量颗粒的计算结果进行了统计分析。试验结果表明,推移质颗粒运动的平均纵向速度与颗粒雷诺数成幂函数关系,垂向和横向上则基本为随机运动,没有明显的平均运动趋势;颗粒纵向紊动强度及紊动能量均随Shields数增大而增强,由于比重及粒径尺寸的约束,颗粒纵向和垂向紊动强度在数值上大约为清水的一半。

往复流作用下的粗颗粒推移质的输沙规律

推移质是海岸带泥沙输运的重要组成部分,粗颗粒推移质在波浪、潮汐等往复流作用下的运动规律是海岸工程建设的重要依据。从理论分析和试验研究两个方面分别对往复流作用下的粗颗粒推移质输沙规律进行了研究,提出了一个瞬时推移质输沙率的计算模型,并将试验结果与该模型的计算结果进行了对比验证,发现该计算模型对线性往复流作用下的推移质泥沙的运动趋势模拟良好,但对于其相位滞后效应考虑不足,其误差来源在于对附加质量力的忽略。

近50年来长江中游泥沙输移变化

对1950年以来长江中游泥沙输移资料作了初步分析。分析结果表明:20世纪60年代下荆江裁弯后,三口(松滋口、太平口、藕池口)分流分沙减少,下荆江径流量和输沙量相应增加,洞庭湖泥沙淤积减少;80年代中期以后,长江中游干流及洞庭湖出口的年输沙量呈减少趋势,城陵矶至武汉河段河床由淤积转为趋向冲淤平衡;三峡工程初期蓄水运用后,长江中游含沙量沿程恢复距离较长,但床沙质部分恢复距离相对较短。

粗化过程中的推移质输沙率

将床面可动沙颗粒数视为一种随机过程 ,首次从理论上建立起冲刷粗化过程中输沙率变化的微分方程 ,据以解出输沙率随时间呈指数衰减规律变化的理论公式 .与部分实验资料的比较表明 ,公式在一定程度上与实际一致 .

“径向粗化”机理解析

不断增加的野外证据和室内水槽试验的结果表明:在一定的空间尺度内,非均匀底沙在向下游输运的过程中会出现“径向粗化”的现象,即颗粒级配沿径流方向增大的现象。本文基于热力学第二定律和泥沙运动力学的相关理论,探讨了形成这一特殊现象的内在机理。研究表明,“熵致相变”和“体积排斥效应”决定了具有混合粒径的颗粒系统在趋向平衡态的演化过程中,不同属性的颗粒会发生分异而相同属性的颗粒则会聚集在一起,特别是粗颗粒群体通常集中分布在系统的边缘处。但是这一过程的实现不仅需要外部对称破坏场如水流的剪切作用等来触发和强化,也需要通过“逆序级配”的运动途径来实现。而后者则是由以碰撞作用为主的颗粒运动中产生的法向离散力所决定的。

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。

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验,分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化,并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明,粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体,形成比平整床面更复杂的底部边界,粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响,颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大,泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异;受床面结构影响,部分颗粒表现出较强的横向运动,颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同,粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构,从而改变水流底部边界条件,进而对泥沙颗粒运动造成影响,泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。