水沙调节后荆江典型河道横向调整过程的响应——Ⅱ.上、下荆江调整差异初探

三峡水库2003年6月蓄水运用后,下游河道水沙过程已发生大幅变化,对于岸滩抗冲性较弱的荆江河道来说,河道的横向调整过程势必受到影响。采用考虑岸滩崩塌的河势研究数值模型,针对三峡水利枢纽工程运行所引发的水沙变异过程,初步探讨了荆江典型河道横向调整及河势变化对水沙条件变化的响应。对于下荆江石首河段来说,来沙减少后,冲刷加剧,局部河岸坍塌及平面变形加剧,主要发生在受弯道水流顶冲的位置,但河势演变趋势及平面变形总体上基本一致,并未发生较大变化。对于上荆江沙市—新厂河段来说,来沙量减小后,河道平面变形幅度总体上减小,局部最大减幅可达50%左右。     

中国北方季节性冰冻河流岸滩崩塌数值模拟——以松花江为例

季节性冰冻河流（季冻区河流）受水动力-冻胀/冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,且对河道演变具有重要影响。通过建立水动力-冻胀/冻融耦合作用岸滩崩塌力学模式,以中国东北地区松花江干流大顶子山航电枢纽下游近坝段为例,开展季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的三维数值模拟分析。研究结果表明:岸滩坡脚侧蚀主要由水力冲刷所控制,冻胀作用使岸滩开裂深度增加,冻融过程则会使岸坡土体力学强度降低,影响岸滩稳定;岸滩崩塌对季冻区天然河流演变具有显著影响,考虑岸滩崩塌的模拟结果与天然实测结果基本吻合,可较好地模拟河床冲淤、岸滩崩塌所引起的河道演变过程。研究成果可为季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的深入研究提供技术支撑。     

三峡工程运用初期石首河弯河势演变三维数值模拟

采用考虑河岸坍塌的三维水沙数值模型,对三峡工程运用初期石首河弯的河势演变进行了模拟分析.数值模型中采用基于非正交网格的局部网格可动技术,将传统水沙模型与二元结构河岸坍塌力学模型相结合.利用三峡水库蓄水前后2002~2004年石首河段冲淤演变资料对模型进行了验证,模拟结果与实测结果吻合较好;模型不仅能模拟出河道的垂向冲淤过程,而且还可模拟出由河岸坍塌所引起的河道横向摆动过程.计算分析了三峡工程运行至2016年末河段的河势演变情况,结果可为河段的河道整治提供参考.     

岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟——以长江中游太平口水道为例

长江中游河道岸滩侧蚀现象普遍,易对航道稳定形成不利影响,深入研究岸滩侧蚀冲刷机理及其航道响应过程具有重要意义。建立了考虑相邻土体影响的黏性岸滩侧蚀坍塌力学模式,以长江中游太平口水道为例,基于局部网格可动技术,构建了岸滩侧蚀及其河床冲淤变化的三维水沙动力学模型;在模型验证相似的基础上,分析了清水冲刷条件下腊林洲边滩侧蚀对太平口水道航道格局的影响。研究结果表明:模型可较好地模拟由岸滩侧蚀所引发的河势演变过程;上游来沙减少后,太平口水道河床以及未守护低滩部位将进一步产生冲刷;腊林洲边滩稳定与否,对太平口水道“南槽-北汊”航道格局的稳定具有重要作用。     

长江荆江河道演变与崩岸关系分析

荆江位于长江中游的上段,因其流经荆州而得名.新中国成立后.护岸工程的实施,增强了荆江河岸抗冲能力.抑制了近岸河床的横向发展,但局部河势出现了一定程度的调整,有的河段河势变化剧烈,荆江河道崩岸仍然十分频繁.本文分析总结了荆江近期河道演变的特点;分析研究了河道演变过程中主流线的变化、河道冲刷对崩岸模式的影响.从而得出:主流线的变化、河道的冲刷变化可能诱发崩岸产生,崩岸如果得不到有效控制将会影响河势的发展.     

岸滩侧蚀崩塌速率的试验量测方法

岸滩侧蚀崩塌现象普遍存在于冲积河流演变过程中,是河道治理需重点关注的问题之一,岸滩侧蚀崩塌速率的准确量测则是崩岸机理及其治理措施研究的关键基础。基于图像处理技术,建立了河岸侧蚀崩塌速率试验量测系统,通过图像追踪河岸模型上边缘示踪网格位置变迁,提出了一种河岸侧蚀崩塌速率测量方法。以试验水槽为例,对河岸侧蚀崩塌速率进行了量测,并与经验公式计算值进行了比对,两者基本吻合,可较好地反映流速、土体级配等岸滩侧蚀崩塌速率的影响因素及其变化规律。研究成果可为江河崩岸机理的深入研究提供技术支撑。     

基于层次分析法的河道岸滩稳定性综合评价

为评价河道岸滩稳定性受河流动力条件及河岸边界等双重约束条件的影响,基于定量与定性研究相结合的方法,通过构建标准化的层次结构模型,以河道岸滩崩塌影响因子层次结构为基础,构造基于层次分析法的河道岸滩稳定性综合评价与分析函数关系,对不同线性约束条件下的河道岸滩稳定性进行综合评价分析,评价结果表明:河道岸滩综合稳定性函数值在枯水期的河段1、2、3河道中的稳定值分别为0.682 1、0.592 4及0.524 1;而在洪水期,河段1、河段2及河段3的河道岸滩综合稳定性函数值分别为0.982 1、0.874 3与0.568 2。对比可以看出,河段3最不安全,河段2次之,最安全的河段为河段1。     

河型转化机理及其数值模拟——Ⅰ.模型建立

为研究河型转化过程机理,建立了考虑弯道二次流影响与边岸崩塌过程的平面二维河流数学模型,包括水流模型、泥沙模型和边岸崩塌模型。通过在水流动量守恒方程中增加弥散应力项以考虑弯道二次流的影响,并采用室内水槽实验结果对水流模型进行了验证;利用上荆江沙市至石首天然长河段的水沙过程和河道演变资料,对泥沙模型进行了验证;结果表明本模型数值计算量合适,有较好的适应范围。模型中提出了边岸崩塌过程的模拟技术,相对于传统平面二维水沙模型而言,可以更好地模拟天然河道的横向摆动以及洲滩消长过程。     

辽河中下游河道整治的探讨

以辽河现有河道条件进行的本次研究,目的是实现护堤固滩并对河势实行控制,使得河槽适应于河流水量与来沙量。河道的治理工程所用方法是采用丁坝护岸以及平顺护岸以达到稳定河床的目的,并作为河势控制节点。为适应水量和来沙量的河槽大小制定出相应的治导线,将其作为进行河道治理和河道清淤的一项总体规划线,以实现河势的控制以及对中水河槽进行固守的目的。通过辽河流域的总体状况及防洪现状,对辽河河流的来水来沙应具备的条件和水库对其产生的影响进行了系统分析,依据实测的水文泥沙数据与资料,提出了辽河的中下游河道开展的整治工程的措施。     

荆江近岸河床演变对水沙条件的响应探讨

近岸河床的变化对于险工段河势稳定、护岸及堤防的安全产生影响。1990年代以来,尤其三峡水库蓄水运行后,上游来沙大幅减少,荆江河床普遍发生了冲刷,近岸河床发生了相应调整。主要结合荆江河段近岸河床监测资料及已有分析成果,从三个方面分析近岸河床演变对水沙条件变化的响应,一是近岸河床冲刷坑特征值与水沙条件的关系;二是近岸岸坡稳定性对水位变幅的响应程度;三是近岸河床平滩河道形态尺度对水沙过程的响应程度。通过计算分析得出近岸河床特征值与水沙定性及定量的关系。     

黄河下游限制弯曲段河道冲淤数学模型

模型对黄河下游特有的来水来沙条件及河床边界条件下的河道冲淤规律进行了模拟。根据不平衡输沙理论,结合天然河道实际情况,将河道断面进行滩槽划分,采用综合阻力公式反映水沙条件变化,沉速计算考虑了含沙量特别是细颗粒影响,模型可应用于高含沙水流。验证结果与实测资料基本符合。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅲ. 数学模型的建立与验证

基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,建立海啸作用下泥沙运动数学模型。地形演变模型采用WENO差分格式,并将WENO差分格式与Lax-Wendroff格式和FTBS格式进行对比分析。运用Synolakis、Kobayashi和Young的实验数据分别对水动力模块和地形演变模块进行验证,数值模拟结果与实验数据吻合良好,模型能够很好地模拟海啸波的传播、破碎、上爬、回落过程以及岸滩的冲淤变化过程,该数学模型能够运用到海啸作用下的岸滩演变研究和预测中。     

龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响

多年调节水库由于年际运行过程的差异引起水库水温结构变化,探明其规律及对下游河道水温响应具有重要意义。以黄河龙羊峡水库为研究对象,利用水库蓄水后的1988～2008年运行过程及水温观测资料,分析了水库运行方式与水温结构变化关系,探讨了水库不同运用过程对下游河道水温的影响。研究结果表明:龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响程度与水库运用过程密切相关。12～3月,水温结构为弱分层或等温分布,较高水位的蓄热增温效应明显,下游河道水温与水库水位变化具有同相位关系;5～10月,水温结构为分层分布,水位是决定分层形态变化最主要因素,下游河道水温与水库水位变化具有反相位关系,同时,水位与河道水温在不同的出入库水量条件下,呈现不同的线性相关关系。11月和4月,水温结构近乎为等温状态,也是水温结构变化的转折点。研究成果为分析大型水库在不同运行条件下水温结构及下游河道水温提供一定的参考依据。     

山区下切河流地貌演变机理及其与河床结构的关系

为研究河床结构在下切性河流地貌演变过程中所起到的作用与影响机制,对中国典型下切性河流区域的地貌特征与河床结构发育进行了调查与统计分析.结果表明,当河流剧烈下切使得河谷边坡超过临界坡度后,易于失稳而发生大规模的崩塌滑坡现象,河流演变从而进入下切拓宽阶段.大量边坡物质进入河道,促进了河床结构的发育,能够维持较高的河道纵坡降...     

凹岸崩塌体对急弯河道水力特性的影响

二元结构河岸下部非黏性土层持续冲刷侵蚀, 上部黏性土体崩塌并堆积于凹岸坡脚, 改变弯道水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为探究崩塌体对急弯河道水力特性的影响, 以荆江石首河段为背景, 建立弯道三维水流数学模型, 模拟不同崩塌体尺寸下的弯道水流结构, 并对比分析壁面剪切力的变化规律。结果表明: ①崩塌体堆积于凹岸坡脚驱离水流动力轴线, 减小凹岸次环流强度并改变环流方向。②崩塌体对弯道不同区域壁面剪切力的影响不同, 其中, 床面及凸岸坡面的平均壁面剪切力增大; 凹岸坡面平均壁面剪切力在崩塌体头部及上游区域减小, 在崩塌体尾部区域增大。③崩塌体越大, 剪切力变化幅度越大, 剪切力相对变化幅度为崩塌体截面积变化幅度的2%~10%。研究成果可为河道整治及岸线规划利用提供技术支撑。     

水库下游河流再造床过程的时空演替现象——以丹江口建库后汉江中下游为例

在实测资料和前人研究的基础上,引入“空代时”假说,分析研究了丹江口建库后汉江下游河流再造床过程的时空演替现象。分析表明,河流再造床过程在冲刷延展、河床粗化、含沙量及其特征、岸滩侵蚀以及河型变化等方面具有较典型的时空演替现象。产生时空演替现象的根源在于河流自调整作用在同一变源下空间和时间响应的一致性,是过程的相似。输入水沙条件的变化、水库下游河道支流入汇、河床边界条件的变化以及因此导致的不同调整方式是引起时空演替复杂响应的主要原因。如能排除干扰、建立时空演替现象的数学模式将有助于水库下游河流调整的分析和预测。     

黄河上游沙漠宽谷河段塌岸引起河道横向变化特征

通过黄河上游沙漠宽谷河段现场考察及实测资料分析,依据河岸物质来源及组成将黄河上游崩塌河岸划分为粘性河岸及非粘性风沙堆积河岸两大类,前者可分为平面崩塌、弧形滑动崩塌和复合式崩塌3种类型,后者表现出非粘性河岸的表层滑移及平面崩塌两种形式。进一步以磴口、乌海河段为例,分析粘性河岸和风沙堆积河岸的塌岸特征,并结合近10年的遥感影像解译分析河岸线崩退变化规律,揭示塌岸引起河道横向变化特征。结果表明粘性河段的塌岸后退距离大于风沙堆积河段,局部河段短期出现凹退凸淤的动态岸线变化特点,但全河段长期仍然处于总体淤积的态势。     

考虑河岸变形的三维水沙数值模拟研究

将粘性河岸崩塌模拟力学方法与水沙模型相结合,构建了考虑河岸变形的三维数值模型。基于非正交网格,采用局部网格可动技术处理由河岸崩塌引起的河道摆动过程。模型采用有限体积法对方程进行离散,采用与动量插值技术相结合的SIMPLEC算法进行模型求解。通过弯道发展过程的计算表明,模型能够有效地模拟出河道的复杂演变过程。     

黄河上游沙漠宽谷河段塌岸引起河道横向变化特征

通过黄河上游沙漠宽谷河段现场考察及实测资料分析,依据河岸物质来源及组成将黄河上游崩塌河岸划分为粘性河岸及非粘性风沙堆积河岸两大类,前者可分为平面崩塌、弧形滑动崩塌和复合式崩塌3种类型,后者表现出非粘性河岸的表层滑移及平面崩塌两种形式。进一步以磴口、乌海河段为例,分析粘性河岸和风沙堆积河岸的塌岸特征,并结合近10年的遥感影像解译分析河岸线崩退变化规律,揭示塌岸引起河道横向变化特征。结果表明粘性河段的塌岸后退距离大于风沙堆积河段,局部河段短期出现凹退凸淤的动态岸线变化特点,但全河段长期仍然处于总体淤积的态势。     

1986—2021年雅江-尼洋河交汇段辫状河道演变过程

雅鲁藏布江与尼洋河交汇段的辫状河道形态及变化主要受尼洋河入汇、河谷边界条件及滨河植被的影响,时空变化的差异性和复杂性值得研究。利用1986—2021年遥感数据提取河道-沙洲-植被主要形态参数(主河道迁移率、弯曲率、面积等)分析辫状河道形态的复杂特征与演变过程。结果表明：主河道迁移率最大为483 m/a,曲率减小3.43%,植被面积逐年增加到8.05 km²。米林—派镇段辫状河道受边界条件和水文条件的差异影响,主河道在尼洋河汇入前呈横向单侧摆动,汇入后雅鲁藏布江主河道同时发生横向与纵向摆动;2013年以来该河段的植被仅有11.8%的覆盖区域对河床产生抑冲促淤的正向反馈并促进沙洲的稳定。