近50年来浙江入海河流水沙通量变化过程

基于1961—2012年浙江主要入海河流年径流量和输沙量的时间序列资料，结合流域降水量和相关人类活动，通过数理统计，阐述了河流入海水沙通量的多尺度变化过程。结果表明：1961—2012年浙江入海河流径流量基于多年平均值上下波动、无明显趋势性变化，降水量的波动是径流量年际变化的主要影响因素。近50年来，河流的输沙量年际波动比较剧烈，整体呈减少的态势。径流模数和输沙模数双累积拟合陆线表明，输沙量存在2—5个不等的时间尺度变化特征，各阶段输沙量明显减少与人类活动关系密切，流域的水土保持、水利枢纽兴建、人为采砂等活动改变了河流的水沙过程。

钱塘江强潮河口排涝闸现状、问题及应对措施

目前钱塘江河口沿线的挡潮排涝闸以内凹式布置为主,闸室宽度规模约为闸上河道宽度的0.60~0.85。由于钱塘江河口所具有的强涌潮和高含沙量特性,容易造成闸下淤积,局部淘刷严重;加上闸上河道配套规模偏小,从而影响了排涝闸排涝能力的充分发挥。针对上述问题,结合多年工作实践经验和前人的研究成果,提出了在闸前增设调蓄设施、闸轴线与堤线一字型布置等技术。上述措施可以在确保工程安全的前提下,有效地提高排涝闸的排涝能力,有利于提高区域的防灾减灾能力,为当地社会和经济发展提供防洪安全保障。研究成果可为感潮河口排涝闸等类似工程的设计提供参考。

瓯江河口江心屿河段河势演变规律初探

瓯江河口江心屿河段位于河口过渡段,是典型的分汊河段,其河床演变同时受陆域与海域两向来水、来沙条件共同控制,表现为河床冲淤幅度大,主槽不稳定、南北摆动、浅滩变化快等特点。本文利用历年水文泥沙资料和水下地形测图资料,综合论述了瓯江河口江心屿分汊河段主支汊变迁、南北汊分流比变化和河段深泓线变化,分析了江心屿分汊河段的河势演变规律,根据河段的水沙资料和典型断面的冲淤变化,建立了分汊段典型断面与落潮分流比之间的关系,据此可通过调整过水断面的整治措施初步调控南北汊分流比,以期为水行政主管部门开展治理提供决策依据,最后提出了江心屿分汊河段整治意见。该文对其他河口分汊河段的研究和整治有借鉴意义。

飞云江河口河势演变新特征及影响因素初探

为了解浙江飞云江河口近期河势变化特征及河势变化影响因素,通过实测资料分析,对各个特征地貌单元的变化过程进行了详细的研究,并初步分析了大型涉水工程和人类活动对河势的影响。研究结果表明:1979年以来飞云江河口主要的河势变化发生在涂头-上望河段,其变化可分为心滩退化、支汊淤积和主槽位置调整三大类。通过实测径流、泥沙资料统计分析,提出上游建库和江道采砂等人类活动造成的水沙边界条件变化是导致飞云江河口形势变化的主要因素。

不规则波作用下垂直挡板式透空堤透浪系数试验研究

垂直挡板式透空堤作为一种新型的透空式防波堤结构,通过将挡浪板垂直设置于波能最集中的水体表层来消减波浪,透浪系数是其最关键的指标。通过物理模型试验,分析不规则波作用下入射波高、波周期、挡板相对入水深度、相对堤宽、相对挡板超高、相对面板超高等因素对垂直挡板式透空堤透浪系数的影响规律,并在Wiegel公式的基础上拟合了垂直挡板式透空堤透浪系数的计算公式。可作为今后类似透空式防波堤结构透浪系数的近似估算,具有一定的参考价值。

管道穿越富春江分层河床最大冲刷深度试验研究

设计水文条件下河床最大冲刷深度是管道等穿越河床工程设计的关键参数,分层河床最大冲刷深度预测尤为困难。采用分层、分粒径组的方法模拟河床分层泥沙,探索分层河床冲刷预测的模拟方法,预测了管道穿越富春江分层河床最大冲刷深度。结果表明,分层河床组合抗冲能力越弱,冲刷深度越大。试验冲刷深度结果合理,可做为工程设计的参考依据。

涌潮潮头掺气的模型试验研究

强烈掺气的涌潮潮头在向河口上游推进的过程中对整个水域的环流结构、泥沙的输移、污染物的扩散乃至整个河口区域的生态平衡等都将产生巨大的影响,因此针对涌潮潮头掺气特征的研究就显得尤为重要。作者在玻璃水槽中模拟了涌潮潮头,运用高速摄像记录系统拍摄涌潮潮头掺气的状态,并对其破碎状态进行观测、统计和分析。通过试验中涌潮潮头形态与涌潮Froude数之间的响应关系与现实中二者之间的响应关系的一致性,检验了试验中所模拟的涌潮潮头形态的合理性。涌潮潮头破碎掺气要历经4个阶段且不断重复,最终在潮头形成一系列的气泡云;通过对比不同工况下涌潮潮头掺气的形态,提出潮头形态的变化主要与落潮流速和涌潮潮头高度相关。为深入定量地研究涌潮潮头的掺气特性,定义涌潮潮头的掺气长度,其与潮前水深及其流速、涌潮潮头的高度及其传播速度等因素密切相关;利用量纲分析确定涌潮潮头的相对掺气长度与涌潮强度和涌潮Froude数之间的函数关系后,运用非线性回归分析试验数据得到计算涌潮潮头掺气长度的经验公式;最后通过对钱塘江盐官段涌潮潮头掺气长度的几组观测值与经验公式计算值的对比与误差分析,验证了经验公式的实用性,为更好地预测涌潮潮头掺气的特征提供了量化的基础。

斜坡式海堤结构尺度对越浪量的影响研究

为系统研究坡式海堤结构尺度对越浪量的影响,开展了相关波浪水槽试验,在观察越浪量试验现象的基础上,分别研究了斜坡坡度、防浪墙顶超高、防浪墙高度对斜坡式海堤越浪量的影响。结果表明:防浪墙顶超高对越浪量的影响最为显著,越浪量随防浪墙顶超高的增大而减小,且减小趋势随之变缓,无量纲形式下的越浪量随相对防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系;随着斜坡坡度的增大,因斜坡面上损耗能量的增加大于反射能量的减少,越浪量总体呈现减小的变化趋势,斜坡坡度对越浪量的影响不及防浪墙顶超高;防浪墙顶超高一旦确定,防浪墙高度对越浪量的影响相对较小。

规则波作用下淤泥质泥沙起动试验研究

选取浙江舟山近岸淤泥质泥沙为研究对象,采用规则波对淤泥质泥沙的起动进行水槽试验研究。结果表明,淤泥质泥沙具有薄层轻微悬扬、表层个体剥离、泥团卷起悬扬3种典型的起动状态,同一水深下的泥沙起动波高随波周期的增大而递减。以泥团卷起悬扬状态作为判断淤泥质泥沙起动的标准,佐藤公式、窦国仁公式计算的起动波高均与本文试验值总体上接近,可将两家公式计算结果的平均值用于淤泥质泥沙起动波高的估算。泥团卷起悬扬状态下过程最大含沙量往往在0.8~2.0kgm3,过程最大含沙量随临界切应力增大而呈现明显的指数递增关系。研究成果便于深入了解淤泥质海岸地区泥沙在波浪环境下的水力特性,同时可为海岸泥沙数模计算及工程分析的参数选取提供参考。

跨海桥梁大尺寸承台波浪力数值模拟研究

随着跨海桥梁深水化,桥墩尺寸和波浪荷载不断增加。为提高跨海桥梁安全性,通过Fluent软件建立了三维数值波浪水槽,进行了波浪作用大尺寸承台的数值模拟,分析了波高、淹没系数、周期以及承台长度对承台波浪力的影响。研究结果表明:在文章计算范围内,承台波浪力和波高基本呈线性变化关系。随着淹没系数Cs增大,承台水平力先增加后减小,而承台垂向力先减小后增加再减小。承台相对水平力fx随承台相对长度kb先增后减,当kb=1.3左右时相对水平力达到最大。承台相对垂向力fz随kb变化关系受承台淹没系数Cs影响:当Cs<1时,承台相对垂向力fz随kb增加逐渐减小,其中当kb趋近于0时fz=Kp,当kb趋近于+∞时fz=0;当Cs>1时,承台相对垂向力fz随kb增加先增后减,其中当kb趋近于0和+∞时fx均趋近于0。

超强台风对沙滩侵蚀及其防护研究

通过对深圳大小梅沙沙滩历史地形资料收集和现场调查,分析了沙滩海域海床冲淤变化情况及沙滩地形变化的主要动力因子,探讨了超强台风对沙滩的侵蚀破坏情况,研究了台风作用下泥沙运动特性。基于波浪-泥沙物理模型试验复演了超强台风对沙滩侵蚀破坏,通过对比人工岬角实施前后的沙滩地形变化,分析了人工岬角对沙滩稳定性的影响。研究结果表明:近20年间沙滩以侵蚀为主,海床整体处于冲淤交替的调整性演变;大浪条件下沙滩侵蚀较严重,岸滩存在一定幅度的冲淤调整。物理模型试验能够很好地复演沙质海滩受台风浪冲淤范围和幅度,人工岬角使得其附近海域波浪能量有所衰减,泥沙沿岸输送至岬角附近并淤积,减小了向远海的泥沙流失。

往复流作用下海底管线冲刷模拟研究

海底管线冲刷悬空是诱发管道涡激振动破坏的一个主要原因。为更好地对管线冲刷悬空情况进行评估,本文应用水动力-泥沙冲刷耦合模型,对往复潮流作用淤泥质海床海底管线局部冲刷过程进行了模拟研究,模型采用标准k-ε紊流方程对N-S方程进行封闭,控制方程采用有限差分法进行离散,模拟结果表明,双向潮流作用下,管道局部冲刷轮廓基本呈现对称状态,其最大冲刷深度位置因水流流速的转向而有所摆动,往复流引起的冲刷深度较恒定流情况减小约20%左右。

基于FVCOM的杭州湾三维泥沙数值模拟

应用FVCOM建立了三维潮流泥沙数学模型,根据实测水文资料,对杭州湾开展了三维潮流泥沙验证,结果基本满意.应用模型计算了杭州湾大潮期间涨落潮泥沙输运过程,通过平面、立面的泥沙分布特征,成功再现了杭州湾潮流泥沙的运动过程.尽管模拟精度达不到平面二维模型的水平,但为三维潮流泥沙模型在强潮河口湾的应用作了重要的探索,通过进一步完善模型参数及分析,模型可以应用于涉水建筑物对附近三维水沙影响的分析评估,可为强潮河口湾开发、水环境保护及生态建设等提供更加丰富的研究成果,具有广阔的应用前景.

钱江通道段河床最大冲刷深度的综合分析

钱江通道位于钱塘江河口的强涌潮区域,在洪潮水动力作用下河床冲淤剧烈。极端水动力作用下河床的冲刷深度是过江隧道工程建设的关键技术问题之一。本文基于河床演变分析、动床数值模拟、动床物理模型试验、沉积物分析等手段进行研究。首先建立了钱江通道过江隧道河段洪、潮水流冲刷深度的预测模型,经钱塘江河口的实测地形、水流泥沙及河床冲淤等资料的验证。在此基础上预测了过江隧道断面在极端水动力作用下最大冲刷深度,并与沉积物分析方法进行比较,四种研究方法所得的结果定性定量基本合理,进一步表明了预测模型的可靠性,预测的最大冲刷深度可为过江隧道的合理埋设提供参考依据。

瓯江河口潮汐特征变化及其原因分析

利用瓯江河口沿程4个长期潮位站的监测数据,结合潮流数学模型,计算分析1960~2014年各站年均高、低潮位,年均涨落潮历时特征值,得出瓯江河口近54 a来潮汐特征变化过程,分析相关影响因素,探讨河口潮汐特征变化原因。结果表明:瓯江河口下游的龙湾站多年来潮汐特征尚无明显趋势性变化;河口中上游的温州、梅岙和花岩头站趋势性变化明显且变化规律基本一致,整体表现为高潮位上升、低潮位下降、潮差增大,涨潮历时延长、落潮历时缩短的特征,时空格局上,上游站位潮汐特征变幅大于下游站位,低潮位变幅大于高潮位变幅。原因分析表明,流域来水对河口潮汐特征的影响不明显;堤线调整和围垦工程等人类活动主要引起工程局部河段潮位变化;河口高强度的采砂活动应是温州、梅岙、花岩头站潮汐特征变化的主因。瓯江河口不同河段因受径流、潮流、人类活动等因素的影响程度不同,其潮位特征沿程的变化特点也不同,需要在河口工程设计、防洪减灾与河口治理等方面予以关注。

波浪作用下海底管线局部冲刷临界条件

为保护海底管线避免冲刷,对海底管线局部冲刷的临界条件进行研究是十分有必要的。基于海床多孔介质假设,通过添加源项方法来实现海床泥沙颗粒对水流的阻滞作用,建立了海底管线周围水动力场-渗流场耦合数值模型。利用前人数值试验结果对该数值模型进行了验证,在此基础上基于边界造波法和VOF方法对波浪作用下海底管线周围水动力场-渗流场进行了联合数值求解。分析了波浪KC数、相对埋深e/D对管线两端压差的影响,研究了管涌出口处水力梯度的变化规律。研究发现管线两端压差和渗流水力梯度随着KC和相对埋深e/D的增大而减小。管线冲刷的临界无量纲流速随着KC和相对埋深的增大而增大,并通过曲线拟合建立了一个用于计算管线冲刷无量纲流速的经验公式,为实际工程中海底管线的防护提供了重要的技术支持。

涌潮水流作用下桩柱表面压强及受力分析

涌潮水流是一种蕴含较大能量的强非线性间断流.针对我国钱塘江河口地区范围内桥墩等桩式建筑物在涌潮水流作用下长期遭受的猛烈冲击问题,采用物理模型试验对桩柱在潮前水深上下两部分表面压强时程变化及涌潮潮头最大冲击压强出现位置进行了探讨并拟合得到最大冲击压强计算公式;采用数值模拟手段进行分离式建模,对桩柱在潮前水深上下两部分受力进行提取分析并拟合得到涌潮作用力计算公式.研究结果表明,涌潮水流与桩柱相互作用过程可分为3个阶段:在瞬时冲击期内,潮前水深以上桩柱部分在潮头猛烈冲击作用下,桩柱表面压强及受到的作用力瞬间增大至极大值,潮前水深以下部分表面压强和受到的作用力增长缓慢;衰减振荡期内,桩柱在潮前水深以上部分表面压强和受到的作用力迅速下降,潮前水深以下部分压强波动不大,受到的作用力衰减速率明显小于潮前水深以上部分;绕流作用期内,桩柱在潮前水深上下两部分表面压强和受力波动逐渐减小.桩柱在涌潮作用下表面压强及受力大小与涌潮水流参数中的潮前水深h0和落潮流速V0呈负相关,与涌潮高度H呈正相关;涌潮作用下最大冲击压强出现在0.5 H附近,拟合得到的最大冲击压强及作用力计算公式经验证后具有良好的精度,可为相关应用提供参考.

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr<1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。

钱塘江强涌潮河段水沙数值模拟

通过建立涌潮作用下的二维泥沙数学模型,验证了钱塘江尖山河段两种不同河势下的水文资料,并应用模拟结果分析了水沙的异同点。结果表明,两种河势下,钱塘江河口尖山河段水沙运动的共同点是：潮波变形剧烈,是涌潮形成、发展和壮大的河段;涌潮到达时,流速及含沙量急剧增大,瞬间增幅大,且水流及含沙量均存在间断;涌潮是含沙量急速增加的主要动力因素。水沙运动的不同点是：分汊河势下沿程各潮位站的高、低潮位均高于走南河势,但潮差略小于走南河势,涨、落潮平均流速均较走南河势强,分汊河势存在南、北两股涌潮,最终形成交叉潮,涌潮作用下的最大含沙量为走南河势的2~3倍,单宽输沙率为走南河势的1.5~2.5倍。研究成果可为尖山河段治理研究和有关部门管理提供技术支持。

闸上河道规模对行洪影响分析

闸坝工程建设后往往会抬高上游河道洪水位,对两岸的防洪不利,因此需要采取应对措施以抵消其不利影响。以某工程建设拦河闸枢纽为例,采用平面二维数学模型,对两种方案沿程洪水位变化、影响范围以及洪水过程线的变化进行了分析。研究表明:拦河闸闸上河道规模扩大后,库区上游500~1000 m左右水位较常规方案有所抬高,但是幅度不大,库区上游1 km以外4~8 km范围内水位较常规方案大幅度降低,防洪效益明显。上游通过扩大闸前河道规模的方法,可达到既满足供水要求又能降低上游洪水位的目的。研究成果可供类似工程参考应用。