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.

黄河小浪底水库水–沙–电耦合过程计算

小浪底水库是保障黄河下游防洪、供水等目标的关键性骨干工程,故研究小浪底水库优化调度方式对于水库塑造下游河道形态及排沙减淤等方面具有重要意义。研究建立了小浪底水库水–沙–电耦合的优化调度模型,通过经济价值量化发电效益与水库排沙减淤效益,形成发电效益最大和综合效益最大两类优化目标;根据小浪底水库拦沙后期调度规程,对坝前水位、下泄流量、水轮机出力进行约束,并采用动态规划逐日求解,分析了在不同优化目标下典型枯水年(2015年)与丰水年(2012年)的调度方案及其结果。结果表明:1)当优化目标为发电效益最大时,2015年和2012年的优化方案分别实现了71.30×10^(8)和102.15×10^(8) kW·h的发电量。2)当优化目标为综合效益最大时,2015年的优化方案可实现排沙量0.31×10^(8) t与发电量70.17×10^(8) kW·h,而2012年的优化方案可实现排沙量1.66×10^(8) t与发电量95.24×10^(8) kW·h。3)2种优化目标都实现了综合效益的提升,而以综合效益最大为优化目标时,牺牲部分发电效益换取汛期库区冲刷,增加了水库使用寿命与水库排沙减淤效益,相较实际方案进一步提升了综合效益。4)2个典型年份的优化方案均较实际调度结果实现了发电效益与综合效益的提升,且丰水年的提升更为明显;此外,还针对典型年份现有调度方式,提出了相应的优化建议。

基于功率谱分析的蒋家沟泥石流侵蚀输沙量准周期的探讨

泥石流侵蚀输沙量不仅反映了泥石流形成区地理环境特征和泥石流搬运能力,也反映了泥石流规模和泥石流搬运泥沙等固体物质在泥石流堆积区造成的严重程度。本文以泥石流灾害典型区长江上游蒋家沟流域1965—2007年的泥石观测资料为基础,利用功率谱方法分析了该流域泥石流侵蚀输沙量的周期变化,发现其存在5～7a的显著震荡周期,这种周期的形成主要与该流域5～6a的年降水量周期震荡以及受降水控制和影响的滑坡活动与坡面侵蚀影响相关。

泥沙输移与水流强度指标

利用大量的实验室水槽和天然河道输沙资料 ,研究了各种水流强度指标与泥沙输沙强度的相关关系。结果表明 ,水流功率、平均流速、沙粒切应力能较好地预测输沙率而单位水流功率、佛汝德数、Velikanov参数则较好地预测输沙浓度。

基于水流功率的坡面流挟沙力模拟

基于WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型挟沙力方程,用两组水槽试验数据评价了水流功率对陡坡坡面流挟沙力的模拟能力。研究结果表明,坡面流挟沙力随着水流功率的增大而增大,可以用水流功率1.25次方的幂函数较好地模拟挟沙力(NSE=0.97),计算得到的泥沙输移系数独立于自变量水流功率,且趋向于常数。分析不同泥沙粒径的试验数据发现,泥沙输移系数随着泥沙粒径的增大呈幂函数递减(R2=0.99),从而构建了基于泥沙中值粒径、水流功率以及某一粒级泥沙在侵蚀泥沙中所占百分比的坡面流挟沙力方程,用独立的试验数据对方程进行检验发现,纳什效率系数高达0.97,检验结果表明模拟值与实测值间无显著差异,说明基于水流功率构建的坡面流挟沙力方程具有较好的实用性,可以实现陡坡坡面流挟沙力的有效模拟。

基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法

坡面水流输沙能力是土壤侵蚀模型的重要参数之一,也是土壤侵蚀精确预报的基础。该文选用多沙粗沙区典型黄土(中值粒径d50=0.095 mm,d50′=0.04 mm)进行了坡度范围为7%~38.4%,单宽流量范围为0.000 14~0.005 26 m2/s的水槽模拟输沙试验,经无量纲化处理后分析了坡面水流输沙能力与坡度和单宽流量以及输沙能力与各水流强度指标间的耦合关系。结果表明:坡面水流输沙能力与坡度、单宽流量呈幂函数关系(R2=0.955),且单宽流量较坡度而言对输沙能力的影响更为显著;含沙水流平均流速与坡度、流量呈幂函数关系;剪切力可以通过幂函数关系式预测坡面水流输沙能力(R2=0.900,NSE=0.756 1);水流功率、有效水流功率是比剪切力更好的预测因子,其中考虑临界水流功率W0=36.5,水流功率与输沙能力幂函数关系(R2=0.950,NSE=0.978)最佳;单位水流功率并不能作为预测输沙能力的水流强度指标。该文关于黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力的研究为土壤侵蚀预测模型提供了新的方法。