床面附近泥沙交换率在悬移质输沙计算中的应用

总结并分析了关于悬移质运动方程的源/汇项或底部边界条件的已有的处理方法.认为在悬移质输沙计算中,这些方法因引入了平衡输沙概念、忽略了推移质颗粒对悬移质运动的影响或因缺乏床面附近泥沙质量交换率的理论表达式,均存在着某些不足.运用床面附近泥沙质量交换率理沦,对一般的悬移质输沙方程的底部边界条件进行了新的探讨,并提供了关于一维和垂向二维悬移质输沙的计算实例.     

漏斗式全沙排沙技术及其应用

主要介绍了一种新型泥沙处理技术,即“漏斗式全沙排沙术”.该项技术既可以排除粗颗粒的推移质泥沙,也可以排除细颗粒的悬移质泥沙.对0.5mm以上的粗颗粒泥沙的截沙率为100%,对0.5mm以下细颗粒泥沙的截沙率为90%,排沙耗水量仅占渠道引水量的2%～5%.     

黄河泥沙冲淤数学模型研究

应用作者提出的动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调正及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系,建立了黄河下游及水库河床变形计算一维数学模型。经1960年～1988年共28年实测水沙资料的验证计算,结果与实际基本符合。该模型的特点是可预报各种水流及河床边界条件下的动床阻力;可同时计算确定混合沙中各粒径组的推移质、悬移质挟沙力、含沙浓度垂线分布及上滩水流含沙量;能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲的实际情况;能够基本反映泥沙多来多排及高含沙水流的冲淤特性;能综合反映出来水流量、含沙量及级配的调节变化产生的输沙冲淤差别。应用该模型计算黄河小浪底水库库区及下游河道的冲淤,成果比较合理。     

三峡建库前后下荆江有效流量研究

有效流量是天然河流某一时段内悬移质输沙量最大所对应的流量,可反映中、短期造床作用。根据监利水文站1991—2016年逐月流量、输沙量及悬移质级配,分析三峡建库前后流量频率及不同粒径组悬移质泥沙输移特性;运用理论分析法与分组频率法计算下荆江分组悬移质输沙量对应有效流量的大小、重现期、历时。研究成果表明:受来水来沙、水流挟沙能力以及床沙补给等因素影响,有效流量随泥沙粒径增大而减小。建库后,因河床冲刷各粒径组间有效流量偏差增大,0. 062 mm0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期减小;细颗粒泥沙含沙量严重不饱和河道输送粗颗粒泥沙的能力相对较大,悬移质级配粗化;累积50%的泥沙输移需43%～82%的累积流量以及62%～90%的累积历时,且累积流量和累积历时随着泥沙粒径的增大而减小和缩短。研究三峡建库前后有效流量变化对分析冲刷条件下下荆江河段河床演变具有重要意义。     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.     

喀什地区水文测站单断沙关系分析

基于喀什地区某水文悬移质泥沙测验数据,对该测站断面平均含沙量与单位含沙量之间的相关关系进行分析。结果表明:该站点单断沙比例系数为0. 975,符合《河流悬移质泥沙测验规范》精度要求。在单断沙关系系数分析基础上,可在日后泥沙测验中,对不同水位下的单样含沙量进行测定,并间接推求对应的断面平均含沙量,从而降低悬移质输沙率的测验工作量,提高含沙量整编的精度。研究可为实现该站点悬移质泥沙间测提供重要的参考依据。     

黄河中游测区输沙率与流量异步施测法分析

在悬移质输沙率与流量异步施测法基本原理分析的基础上,采用理论公式法及经验相关法对测点位置流速权重系数进行了分析计算;根据河流断面特性,建立了多年综合及相邻流量测次累积面积百分数与累积流量百分数相关曲线法等不同的部分流量权重系数借用方案。经实测资料检验,输沙率与流量异步施测法的计算误差符合《河流悬移质泥沙测验规范》的精度要求,能满足悬移质泥沙测验的生产需求。     

断面输沙率计算方法的商榷

１我国现行使用的断面输沙率计算方法我国现行水文断面输沙率计算方法,按国家技术监督局和中华人民共和国建设部１９９２年７月２４日联合发布的《河流悬移质泥沙测验规范》规定：河道断面输沙率由部分输沙率求和而得,计算公式为：Ｑｓ＝Ｃｓｍ１·ｑ０＋１２（Ｃｓｍ１...     

新疆渭干河部分流域河流泥沙分析

木扎提河、卡普斯浪河及克孜尔河3条河流1980—2010年31年多年平均悬移质输沙量之和为883×104t,3条河流的年径流量之和占到渭干河部分流域年径流量86%以上,3条河流的悬移质输沙总量可以代表全流域的多年平均悬移质输沙总量。根据流域泥沙的观测资料情况,对新疆渭干河部分流域河流含沙量的分布及输沙量、悬移质输沙量、河流输沙量的年内分配及年际变化等进行了分析。     

黄河内蒙古河段输沙量与淤积量计算方法

基于多沙河流"多来多排"输沙基本公式,建立了考虑上站来沙量、前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的输沙量一般表达式。进而根据黄河内蒙古河段1953—2010年实测水沙资料,得到了内蒙古巴彦高勒—头道拐全河段及巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—头道拐分河段的年输沙量公式,并根据输沙率法采用建立的输沙量公式计算了各河段1953—2010年的逐年冲淤量。选取三湖河口—头道拐河段的计算结果分析表明,在输沙基本公式基础上增加前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径参数,所得公式计算的年冲淤量与实测值之间的相关系数R2由基本公式的0.41依次提高到0.50、0.75和0.80,说明在基本公式基础上进一步考虑这些参数的必要性。此外,全河及分河段输沙公式计算所得输沙量及各河段冲淤量和累计淤积量与实测值的符合程度均较好,表明建立的输沙公式能够用于不同水沙条件下的输沙量和冲淤量计算,可为分析内蒙古河段的输沙特性和长期淤积趋势提供参考。     

考虑泥沙冲淤对水流控制方程的改进与模拟

以一维数学模型为例,通过数值实验及渭河实际资料的验证,发现在含沙量较大的情况下,水流连续方程里的浑水与床面的交换项对流量影响是明显的,计算中应予考虑.解释了在像黄河这样的多沙河流中存在的“水变沙”、“沙变水”的现象.由此可见,在模拟含沙量较大河流的水沙数学模型中,应完整考虑水流连续方程的微元河段的水量变化率、进出通量变化及浑水与床面的交换通量这三项.     

流域产流产沙BP网络预报模型的初步研究

运用BP神经网络模型的基本原理,以流域降水条件为基本因子,建立了流域产流产沙BP网络预报模型.该模型能用于定量分析流域人类活动因素对流域产流产沙的影响.西汉水、大通江、香溪河流域资料验证表明,模型基本合理、可靠.     

双峰型非均匀沙推移运动特性及输移规律

采用图像识别与推移质动态监测技术,开展基于双峰型非均匀推移质的系列水槽试验.通过引入反映床面粗糙度、粘性底层特性与颗粒非均匀度η(粗细比)的综合水流强度函数Ψ_b、特征弗劳德数Fr_b,系统研究了不同水流强度与床沙组成条件下的推移质输移特性以及颗粒非均匀度对输沙率的影响.通过对关键因子的辨识与量纲分析,提出了双峰型非均匀推移质输移模式,建立了基于近壁特征因子的水流强度Ψ_b与非均匀推移质输移强度Φ'的函数关系.对双峰型底沙输移机理的分析表明,非均匀沙的组成特征使得η成为影响Φ'的重要参量;正是细粒对粗粒的解怙作用对粗沙运动产生重要影响,使推移质输移率与颗粒非均匀度间呈现驼峰关系,峰值对应的粗细比η_c约为3∶7.     

河流冲刷过程中表层床沙粗化对不平衡输沙的影响

在分析前人的不平衡输沙研究成果的基础上,针对非均匀沙河床,提出了床沙交换速率的新物理概念,计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程.研究表明,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化,致使挟沙力降低,不平衡输沙距离较均匀沙情况大大延长.床沙交换速率愈慢,则冲刷距离愈长.     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言，平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶，形成高强度输沙。本文开展水槽试验，研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程，分析了输沙参数的变化特性及数理规律，描述了翻坝输沙模式及运动特征，揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识：①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定，上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况，上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动，推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝，后向下游输移；对于更高水流强度工况，后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变，周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言,平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶,形成高强度输沙。本文开展水槽试验,研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程,分析了输沙参数的变化特性及数理规律,描述了翻坝输沙模式及运动特征,揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识:①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定,上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况,上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动,推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝,后向下游输移;对于更高水流强度工况,后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变,周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

Supply limited sediment transport in a high-discharge event of the tropical Burdekin River, North Queensland, Australia

Interactions between catchment variables and sediment transport processes in rivers are complex, and sediment transport behaviour during high‐flow events is not well documented. This paper presents an investigation into sediment transport processes in a short‐duration, high‐discharge event in the Burdekin River, a large sand‐ and gravel‐bed river in the monsoon‐ and cyclone‐influenced, semi‐arid tropics of north Queensland. The Burdekin's discharge is highly variable and strongly seasonal, with a recorded maximum of 40 400 m³ s^?1. Sediment was sampled systematically across an 800 m wide, 12 m deep and straight reach using Helley‐Smith bedload and US P‐61 suspended sediment samplers over 16 days of a 29‐day discharge event in February and March 2000 (peak 11 155 m³ s^?1). About 3·7 × 10⁶ tonnes of suspended sediment and 3 × 10⁵ tonnes of bedload are estimated to have been transported past the sample site during the flow event. The sediment load was predominantly supply limited. Wash load included clay, silt and very fine sand. The concentration of suspended bed material (including very coarse sand) varied with bedload transport rate, discharge and height above the bed. Bedload transport rate and changes in channel shape were greatest several days after peak discharge. Comparison between these data and sparse published data from other events on this river shows that the control on sediment load varies between supply limited and hydraulically limited transport, and that antecedent weather is an important control on suspended sediment concentration. Neither the empirical relationships widely used to estimate suspended sediment concentrations and bedload (e.g. Ackers & White, 1973) nor observations of sediment transport characteristics in ephemeral streams (e.g. Reid & Frostick, 1987) are directly applicable to this river.     

黄河下游不同河段分组悬沙输移对河床冲淤的影响

小浪底水库运行后, 坝下游分组悬沙输移特点发生改变, 不同河段冲淤过程有所差别。基于1999—2018年坝下游实测水沙资料及固定淤积断面地形数据, 分析汛期分组悬沙输移的沿程调整特点, 建立分组悬沙输移及河床边界条件双重影响下不同河段河床累计冲淤量的计算关系。分析结果表明: ①汛期各组沙输沙率远小于蓄水前, 且中沙输沙率降幅最大, 在各水文断面平均降幅为85%;沿程上细沙输沙率基本不恢复, 而中沙和粗沙恢复距离分别到利津及艾山。②坝下游河床持续冲刷, 各河段河床组成均发生不同程度的粗化; 在拦沙后期(2007—2018年), 游荡段和过渡段床沙中细沙和中沙占比不足5%, 对悬沙几乎无补给作用, 而弯曲段床沙对中沙仍有一定的补给能力。③下游各河段以冲刷下切为主, 但调整幅度不同, 故对水流的约束能力有所差异。建立了各河段累计冲淤量与前期河相系数及进口断面分组来沙系数的经验关系, 并采用2019年下游水沙数据对公式进行了初步验证, 公式能合理反映断面形态与分组悬沙输移对河床累计冲淤过程的影响。