深水库区细颗粒淤积物重力驱动流动数值模拟——以三峡水库为例

针对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积特征,从过程机理出发,提出了深水库区细颗粒泥沙淤积过程的物理图形。采用临界坡度作为细颗粒淤积物失稳流动的判别标准,借鉴浅水流动模式,描述失稳后细颗粒淤积物重力驱动流动过程,通过耦合三维水沙数学模型,建立了细颗粒淤积物重力驱动流动的数值模拟方法,在此基础上对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积形态进行了模拟研究。研究结果表明:水库蓄水运行初期近坝区细颗粒泥沙主要淤积在断面深槽内,且呈水平状,考虑重力驱动流动后的模拟结果与实测结果吻合较好,从而为进一步深入研究深水库区细颗粒泥沙运动特征提供了技术支撑。     

高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究

粘性细颗粒泥沙在盐水中会产生絮凝。影响其絮凝的因素很多,矿物组成是其中的一个重要因素。选取高岭土作为研究对象,通过一系列试验得出所研究的高岭土的中值粒径为0.0084mm,最佳絮凝盐度为13‰,起动流速为8.5 cm/s~10 cm/s,由试验数据分析得出高岭土在不同流速条件下的淤积量以及淤积百分比,既而确定其不淤流速为40 cm/s。     

AlCl3对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响

铝类絮凝剂对细颗粒泥沙絮凝沉降有重要作用,常应用于浑水澄清、农业污水处理等研究中。在AlCl₃浓度为0～1.7mmol/L,泥沙浓度为10g/L时,用吸管法研究了AlCl₃对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响,结果表明:在液面下同一深度,泥沙浓度随时间呈指数衰减;悬液经多次搅拌后再沉降,其沉速减缓;当AlCl₃浓度为0.9～1.7mmol/L时,出现明显的清浑水交界面,交界面随时间等速下降,平均沉速为4.756cm/min,对应的絮团平均粒径为0.0315mm;土娄土絮凝临界粒径为0.027mm。     

基于挟沙力的三峡水库泥沙淤积形态分析

三峡水库蓄水运用后,泥沙淤积主要分布在常年库区的宽谷和弯道,峡谷则无累积性淤积。基于实测资料计算了三峡成库前（2001年）和成库后（2003-2011年）的挟沙力,结果表明挟沙力随着不同运行阶段坝前水位的抬高而逐步降低,宽谷河段降低幅度较大,峡谷河段降低幅度较小,泥沙淤积比率逐步增大。宽谷河段挟沙力普遍降至含沙量以下而发生淤积,峡谷河段挟沙力仍大于含沙量而无累积性淤积。流量越大,宽谷河段的挟沙力越小于含沙量,而峡谷河段的挟沙力越大于含沙量,表明宽谷河段淤积主要发生在汛期,而峡谷河段汛期以冲刷为主。由于细颗粒泥沙絮凝沉降以及黏性淤积物难以冲刷,恢复饱和系数淤积取1、冲刷取0.01得到的沿程淤积量计算值与实测值吻合较好。弯道河段计算的淤积量与实测值差异较大,表明弯道河段二维特征明显,利用一维的挟沙力计算淤积量不能适用。     

小浪底水库淤积形态数值模拟

水库淤积形态是影响库容分布、水库排沙的一项重要因素。小浪底水库近坝段淤积泥沙粒径极细,具有流动性,针对其细颗粒泥沙淤积特点,揭示了水库细颗粒淤积物的流变特性与流型特征;通过引入水、淤积物、床面之间的界面受力分析,构建了细颗粒淤积物失稳流动描述模式,并与水沙输移模型相耦合,建立了考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态模拟方法,在此基础上对小浪底水库淤积形态进行了验证分析。研究结果表明:低密度细颗粒淤积物为宾汉型流体,淤积平衡坡降较小,当其密度大于1.25 g/cm³后,流动性快速减弱;考虑细颗粒淤积物流动特征的水库淤积形态模拟结果与实测结果吻合较好。研究成果可为水库淤积形态形成机理及其对水沙调控的响应研究提供技术支撑。     

三峡水库运行初期的泥沙淤积特点

针对三峡蓄水运行后的泥沙淤积问题,基于实测资料,采用输沙率法和断面法分析了三峡水库运行初期的泥沙淤积特点.结果表明:三峡水库2003—2013年泥沙淤积总量为15.31亿t,平均排沙比为24.5%,均较论证阶段降低;库区泥沙淤积主要分布在常年回水区的宽谷和弯道河段,宽谷段全断面发生淤积、弯道断面流速较小一侧淤积、峡谷无累积性淤积;常年库区近坝段泥沙淤积速度逐年减小,而上段泥沙淤积速度则呈增大趋势;淤积物粒径沿程分选不明显,常年回水区淤积物中值粒径多在0.01 mm以下.库区峡谷段深泓线无明显变化、尚未出现泥沙淤积三角洲、库尾泥沙淤积上延和尾水抬高不明显,据此初步推断峡谷河段存在富余挟沙力而成为局部侵蚀基准面,整个库区将无统一平衡比降的趋势.     

小浪底水库淤积形态数值模拟

水库淤积形态是影响库容分布、水库排沙的一项重要因素。小浪底水库近坝段淤积泥沙粒径极细,具有流动性,针对其细颗粒泥沙淤积特点,揭示了水库细颗粒淤积物的流变特性与流型特征;通过引入水、淤积物、床面之间的界面受力分析,构建了细颗粒淤积物失稳流动描述模式,并与水沙输移模型相耦合,建立了考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态模拟方法,在此基础上对小浪底水库淤积形态进行了验证分析。研究结果表明:低密度细颗粒淤积物为宾汉型流体,淤积平衡坡降较小,当其密度大于1.25 g/cm 3后,流动性快速减弱;考虑细颗粒淤积物流动特征的水库淤积形态模拟结果与实测结果吻合较好。研究成果可为水库淤积形态形成机理及其对水沙调控的响应研究提供技术支撑。     

紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝影响

以分形聚集生长模型为基础,通过三维模拟泥沙颗粒在布朗运动、重力沉降和紊流作用下的碰撞、粘结和破碎过程,探讨了紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝速度、絮团平均粒径及分形维数的时空影响。试验结果表明:紊流作用下,泥沙絮凝及絮团平均粒径的变化可分为加速段、等速段和减速段,絮凝等速段的作用时间及粒径等速增长段的速度均随紊动强度呈先增后减的规律,且中部区域的絮凝速度和絮团平均粒径较小;泥沙絮团分形维数随水流紊动强度的增加逐渐增大,最终趋于稳定,随时间呈先减后增的规律。模拟空间下部区域分形维数最大,上部次之,中部最小。     

三峡库区黏性泥沙在紊动剪切作用下的絮凝试验研究

采集三峡库区忠县黄花城河段黏性泥沙进行紊动剪切作用下的絮凝试验研究。试验装置主要包括沉降柱、絮体分离室和絮体图像采集系统,试验中采用振动格栅产生近似均匀紊流场,并通过ADV（Acoustic Doppler Velocimetry）测量流速来校核流体剪切率和格栅振动频率的关系。试验结果表明:① 该黏性泥沙絮凝效果明显,絮体最大粒径D_f,95为73~126 μm、平均粒径D_f,50为18~33 μm,絮体粒径分布受紊动剪切率和泥沙浓度的影响较大;② 随着紊动剪切率的增大（从3.84 s-1至30.07 s-1）,D_f,95呈先增大后减小的趋势;当剪切率为19.94 s-1时,D_f,95达到最大值,大絮体（粒径大于96μm）的数量百分数也达到最大值;③ 相同紊动剪切率条件下,不同浓度（0.3~1.0 g/L）泥沙絮凝后的絮体粒径分布,基本符合"泥沙浓度越高,D_f,95越大"的趋势。     

三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙输移数学模型

黄河是高含沙河流,含沙量季节差异显著。因此研究黄河干流的非恒定水沙输移规律以及库区泥沙的淤积问题极为重要。应用圣维南方程组以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙含沙量计算公式,并根据沙量平衡方程推求出三门峡库区河底高程的变化规律。使用已有的资料对模型进行的验证表明:模型计算与实测资料符合良好,该模型具有较好的应用前景。     

含离子浓度参数的粘性泥沙沉速公式研究

以长江为例分析了河流中的水化学特性,得出河流中影响粘性泥沙沉速的主要是Ca2+。阳离子影响泥沙沉速的主要原因是粘性沙的絮凝。对泥沙絮凝沉降过程进行理论分析,推导出絮凝沉速与离子浓度之间的关系式。并且根据试验结果确定以Ca2+浓度为参数时经验关系式中的系数值。用实测的沉速对絮凝沉速公式进行了初步的验证。验证结果表明,用张瑞瑾沉速公式计算结果与实测结果相差很大,而絮凝沉速公式计算结果与实测结果相符合。     

Modeling the influence of settling velocity on cohesive sediment transport in Tanshui River estuary

Settling velocities of suspended cohesive sediment in estuaries vary over a range of several orders in magnitude. Variations in the suspended sediment concentration are often considered as the principal cause. Turbulence and the suspended sediment concentration, as well as other factors such as salinity, dissolved organic substances, flocculation ability, and the rate of floc growth affect setting velocities. A laterally–averaged finite difference model for hydrodynamics and cohesive sediment transport is developed and applied in the Tanshui River estuary, Taiwan. The model has been calibrated and verified with water surface elevation, longitudinal velocity, salinity, and cohesive sediment measured. The overall performance of the model is in qualitative agreement with the available data. The model is used to investigate the influence of settling velocity on cohesive sediment transport dynamics. The simulation indicates that the turbidity maximum zone is near Kuan–Du. When settling velocities increase the surface cohesive sediment concentration at Kuan–Du station trends to decrease and bottom cohesive sediment concentration increases. Both surface and bottom cohesive sediment concentrations decrease at Taipei Bridge and Pa–Ling Bridge. This implies that suspended sediment advected seaward and deposited. There is consequently a net seaward flux of suspended sediment near surface, and a net landward flux near the bed.     

三峡水库蓄水初期近坝区淤积形态成因初步分析

三峡水库蓄水运用后,库区泥沙淤积将显著增加.基于三维水沙数值模型及实测资料分析,对水库蓄水初期近坝区泥沙淤积形态的成因进行了初步探讨.研究结果表明坝前淤积形态的成因既与坝前水流流态的三维特性有关,又与水库蓄水初期坝前淤积物颗粒特性有关.水库蓄水初期沉积在近坝区的泥沙颗粒较细,初始干容重较低,使得淤积物表现出一定的浮泥特性.坝前淤积总量较大主要是宽谷河段水流特性造成的;而基底深槽处淤积物厚度较大、淤积面呈水平状的主要原因则是浮泥状淤积物在重力作用下向河底运动、并沿深泓线在基底深槽中汇集.     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

流态化多级速度梯度混凝反应对絮体的保护作用

多级速度梯度的建立理论上可为絮体的成长创造更理想的环境。目前对流化床混凝工艺的研究多是基于单级速度梯度开展的。以粒径为800 μm 和1 200 μm的树脂颗粒为固相,建立多级速度梯度流化床混凝装置,探讨絮体的成长与形态特征。研究结果表明：在单级速度梯度流化床混凝装置中,当以1 200 μm树脂颗粒为固相颗粒、混凝时间为50.3 s时,絮体发生破碎,混凝效率较混凝时间为41.8 s时降低3%;相同初始填充高度的多级速度梯度条件下,絮体尺寸随着混凝时间的延长而逐渐增加,由5.7 μm成长至70.0~75.0 μm,同时混凝效率也较单级速度梯度下提高了5%~10%。絮体之间的碰撞为絮体成长的主要模式。