用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

垂向混合产流模型在辽宁西部地区适用性分析研究

基于垂向混合产流模型,结合辽宁叶柏寿流域和凉子河24场洪水统计数据,对流域洪水进行适用性模拟,通过与实测洪水数据对比分析,结果可知:垂向混合产流模型在模拟精度上较传统辽宁非饱和水文模型有较为明显的改善,传统模型精度为丙级,采用垂向混合模型后,其洪水模拟精度可达到乙级。     

变水头入渗试验推求垂向渗透系数的计算方法

在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上,推导出描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式,提出了确定土壤垂向渗透系数的MP方法.利用土壤非饱和数值模拟及室内土槽入渗试验得到的单环水位变化过程,验证了MP方法推求土壤垂向渗透系数的可靠性.结果表明:MP方法推求的土壤垂向渗透系数比目前采用的Philip方法、Nestingen方法及Green-Ampt方法精度更高,具有广泛的应用前景.     

近岸波生流运动三维数值模拟及验证

开发建立了近岸波生流运动三维数值计算模式。模式中,引入了三维时均剩余动量、破波表面水滚、波浪水平与垂向紊动作为主要驱动力,同时考虑了波流共同作用的底部剪切力。推导了可综合反映底坡、能量传递率和密度影响的水滚能量传输方程;将Larson-Kraus的二维波浪水平紊动系数表达式拓展至三维。采用大量实测数据和文献资料测试验证了所建模式,表明所建模式可有效模拟波浪增减水、底部离岸流、沿岸流、裂流、堤后环流等不同维度的波生流现象。此外,研究也表明破波水滚效应可解释波生流峰值向岸推移的物理现象,从而在模拟中不能忽略;破波带内沿岸流速垂向较为均匀的现象与波浪附加垂向紊动有关。     

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

垂向二维非恒定流及悬浮物分布模型研究

采用σ坐标变换拟合复杂边界、VOF方法追踪自由水面变化和SIMPLE算法求解控制方程等建立垂向二维非恒定水流及悬浮物分布数学模型。该模型适用于变量在横向上分布基本均匀的水流流动特性及悬浮物扩散迁移过程的模拟,与刚盖假定或静水压强假定等条件下建立的垂向二维数学模型相比更符合实际情况。分别对概化水库水流结构的沿程变化、明渠均匀流及带有槽沟的明渠非均匀流及悬浮物浓度分布进行了模拟,计算结果与实测值符合良好。模型的应用可为河道或水库的洪水调度、水污染控制、取水工程优化等提供参考。     

基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法

针对内涝一维、二维耦合模型垂向流量交换计算过程复杂、计算稳定性差等问题,采用节点水量平衡原则对垂向流量交换方法进行改进。将节点分为超载节点及未超载节点,对于超载节点利用节点水量平衡原则进行垂向交换流量计算,将垂向交换流量计算与一维模型水力计算相融合,实现节点垂向交换流量与管段流量同时求解;对于未超载节点采用变水头孔口出流公式进行垂向交换流量计算,实现考虑地表水深变化的节点回流计算。采用Infoworks ICM模型作为对照,对比分析不同案例模拟结果,研究表明,改进方法与对照模型模拟结果吻合度高(纳什效率系数超过0.8),在内涝模拟过程中能准确模拟垂向流量交换,并保证系统水量平衡,对城市内涝模拟分析具有较好的应用价值。     

近岸波浪传播的非静压数值模型

基于均匀网格,建立了沿水深积分的非静压波浪传播数值模型,模型的求解分静压步和动压步两部分。静压步的控制方程为全非线性浅水方程,采用有限体积格式求解,通过采用线性重构技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。动压步通过应用有限差分方法求解泊松方程考虑动压力,使得模型具备模拟色散性波浪传播的能力。引入波浪破碎指标,波浪破碎后模型退化为静压模型,破碎波自动捕捉为间断。通过算例对所建立模型进行了验证。     

磨刀门河口环流与咸淡水混合层化机制

为研究磨刀门盐水混合层化特征,基于SCHISM模型,建立了三维盐度数值模型,根据实测资料对其进行验证。结合水体势能异常理论,对枯季磨刀门河口混合层化的时空变化特征及深槽与浅滩的层化机制差异进行分析。结果表明:磨刀门河口小潮时水体层化最强,中潮时水体层化最弱,且拦门沙至挂定角段水体层化始终较强。磨刀门深槽水体层化主要受纵向平流、纵向水深平均应变和垂向混合影响,而浅滩水体层化则受横向平流、横向水深平均应变和垂向混合影响;磨刀门河口表、底层水体湍动能耗散率较高,而中间水层存在低耗散区,且涨潮时湍动能耗散率比落潮时大。     

长江中下游水沙数值模拟研究

根据长江中下游水沙运动特征,采用水动力学、河流动力学和数值模拟技术相结合的技术途径,建立了一、二维混合的非恒定流非均匀沙非平衡输沙的数学模拟模型,对长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙运动及其河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网区内水沙动边界的处理、河网汊点分流分沙计算模式、动床阻力和河湖交换模式等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法.为了验证模型的适应性和有效性,采用1981年至1989年10年长江中下游水文资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙输运特征和河道冲淤的宏观效应.     

长江上游沱沱河源区多年冻土发育特征

沱沱河流域是长江的发源地之一,其广泛分布的多年冻土对长江源区的产汇流过程、生态系统乃至于区域气候都有着重要影响,对该区域多年冻土分布和特征的调查和了解,可为研究江河源区多年冻土与气候、水文、生态的相互作用关系提供基础数据支撑。2020年10—11月,研究团队对沱沱河源区的多年冻土开展了为期50天的野外调查工作,并在不同下垫面类型、不同地貌部位和不同海拔高度共布设钻孔32个,总钻进深度1 200 m。该文是基于钻孔和探坑资料对沱沱河源区多年冻土特征和地下冰发育状况的初步总结。结果显示,沱沱河源区多年冻土在一定程度上受河流和地热影响形成了局部融区,其多年冻土下界大致在4 650~4 680 m之间;钻孔揭示的多年冻土上限平均埋藏深度为（2.47±0.98） m,部分地区存在融化夹层;受浅表层沉积物岩性和地热的影响,多年冻土下限埋藏深度相对较浅,平均为19.3 m,多年冻土相对较薄,平均厚度为15.0 m;多年冻土下限深度和多年冻土的厚度最大为75.0 m和72.7 m;地形地貌、沉积物特征和地热条件是影响多年冻土厚度存在较大空间差异的主要原因。研究区内地下冰主要分布于15.0 m深度以上范围内,同时也发现了处于萎缩状态的冰核丘与石质冻胀丘,这些现象也一定程度上与该研究区多年冻土退化过程有关。     

河口海域SDZY水质预测模型的研究及应用

根据弱混合型河口海域的水流条件及边界条件,针对温热排水污染源,从物理机制入手,提出了三维 多层二维平面综合预测模型,对排污口区域,用三维模型考虑了垂直方向的流动及流场的梯度变化,同时考虑了垂直方向的热量交换和温度场的梯度变化,对远离排污口区域,用多层平面二维模型,考虑各层的流速场和温度场的梯度变化。通过对实际河口海域流场和温度场的模拟计算,模型具有较高的精度和实用价值。     

长江中下游中生代花岗岩类源区的壳—壳混源性质

长江中下游地区中生代花岗岩类形成于大别造山带碰撞后岩石圈物质的调整演化过程。Ｓｒ、Ｎｄ、Ｐｂ同位素组成数据表明，早、晚阶段花岗岩类具有相似的壳－壳混合源区性质，其主要源岩端员可能分别相当于以大别杂岩为代表的深变质岩系和中、新元古界底侵（ｕｎｄｅｒｐｌａｔｉｎｇ）基性物质与部分古元古界沉积－火山－侵入岩系组成的扬子陆块下地壳岩石。这两种成分不同的下地壳物质在这里呈指状穿插体结构。长江中下游地区下地壳在碰撞造山过程中曾是大别地块与扬子地块之间的深部构造混杂带。本文主要根据各类已有的Ｓｒ、Ｎｄ、Ｐｂ同位素组成资料讨论花岗岩类的源区性质问题     

长江黄河源区积雪空间分布与年代际变化

应用长江黄河源区及其周边地区16个气象站逐日积雪资料,分析了长江黄河源区积雪的空间分布和年代际变化特征.结果表明:以巴颜喀拉山主峰为中心的黄河源头和长江源东南部地区是年积雪深度高值中心,黄河源头以西和五道梁以东的长江源东北部和黄河源西北部广大地区是低值中心.冬春累积积雪深度占年累积积雪深度的比例>71.0%,夏半年(6~9月)对其的贡献小,但夏半年的积雪日数占年积雪日数的1/3.曲麻莱达日一线以南地区积雪主要发生在1月份,以北地区一年有两个高值期:前冬10~11月和春季3~5月.长江源和黄河源头地区积雪建立早,积雪季节长,结束晚,消退过程缓慢;而黄河源东部地区,积雪建立稍晚,积雪发展比较缓慢,消退过程迅速.近40 a来长江黄河源区积雪呈确定的增长态势,长江源区冬春积雪增长了62.11%,黄河源区增长了60.18%.但二者积雪变化位相基本相反,变化幅度长江源大起大落,而黄河源比较平缓,多雪年份出现也不一致.整个源区20世纪60年代至70年代初为积雪偏少期,70年代中期至90年代是积雪偏多期.从20世纪70年代中至80年代末,积雪明显增加,90年代积雪增加速度有所放慢,近40 a江河源区平均冬春累积积雪深度增加了60.95%.长江源区对整个源区积雪变化起主导作用,源区平均冬春累积积雪深度变化主要表现长江源的特征.     

水沙调节后荆江典型河道横向调整过程的响应——Ⅰ. 二、三维耦合模型的建立

三峡水库蓄水运用后,下游河道来水来沙条件均会发生改变,从而影响河道河势演变过程(包括垂向冲淤变化以及横向调整过程)。为解决长河道因岸滩崩塌引起的河势演变模拟问题,依据水位、流量及输沙量守恒和河床及河岸变形连续等条件,提出虚拟断面连接法构建了考虑岸滩崩塌的二、三维嵌套河势研究数值模型。采用1996年10月~1998年10月沙市至新厂河段实测资料对模型进行了验证,模拟结果与实测结果吻合较好,从而为定量研究水沙条件变化对荆江河道横向调整过程的影响提供了技术支撑。     

长江源区新构造运动特征分析

基于笔者在长江源区野外调查所取得的大量实际资料,结合前人研究成果,运用构造解析法,分析了长江源区新构造运动的特征,认为长江源区第四纪以来的构造运动十分强烈,新构造运动除以整体性、差异性和阶段性隆升的垂直运动外,还表现出以地壳缩短-推覆褶皱和断裂-块体走向滑动为主的水平运动,运动过程既表现出继承性复活,又有一定的改造性和新生性,新构造运动塑造了长江源区的地貌-水系格局。     

层次分析法在长江源区生态地质环境质量(脆弱性)评价中的应用

以长江源区生态地质环境调查基础数据为契机,采用层次分析法(AHP)模型的方式,提出长江源区生态地质环境指标体系,最终划定本区域生态地质环境质量综合指数。在定性的基础上从一个崭新的角度定量化分析长江源头生态地质环境质量的变化,得出影响本区域生态环境的主要因素为动植物环境的改变,进而揭示长江源区生态地质环境发展的未来趋势,为今后研究长江源区生态地质环境质量及其合理发展做出了较为客观、准确的评价。     

长江中下游江湖关系演变趋势数值模拟

以长江中下游防洪系统为对象,概述了在大型复杂防洪系统洪水行为数值模拟基础上,成功地将长江中下游洪水演进数学模型转化为面向长江防洪系统防洪规划方案评估需求的长江中下游江湖水沙演变的数学模型.为适应防洪规划方案论证涉及江湖水沙相互制衡相互关联客观情况,建立了面向江湖水沙关系及其演变的数学模型.针对长江中下游江湖水沙运动特点,在水沙数值模拟的范围内侧重对下荆江河道冲刷、荆江三口分流分沙模式、洞庭湖泥沙淤积、江湖耦合等环节进行了讨论,提出了合理可行的数值处理方法.模拟结果较好反映了江湖水沙演变规律,主要成果已应用于长江中下游防洪规划和防汛调度方案中.     

长江-黄河源寒区径流时空变化特征对比

长江源区比黄河源区寒冷而干燥, 年径流量仅为黄河源区的60%, 径流年内分配较黄河源区均匀性差, 丰水年与枯水年比例基本相当, 而黄河源区枯水年占较大优势. 近40 a来长江源区径流量总体上呈明显的递减趋势, 黄河源区径流量则呈现略微增长趋势. 长江源区径流量以8～9 a的周期变化较为显著, 黄河源区径流量则以7～8 a周期比较显著. 对寒区径流变化的主要影响因子分析表明, 长江源区温度因子对径流年际变化影响大于黄河源区, 而降水因子影响相对较小, 长江源区寒区水文环境对径流影响较大是造成长江、黄河源区径流差异形成的主要原因.