冲积河流泥沙输移幂律函数指数变化规律

冲积河流泥沙输移幂律函数关系与不平衡输沙理论是对河道不平衡输沙同一物理现象的不同描述,两者既有区别也有联系。比较研究发现:对于恒定均匀流不平衡输沙过程,当输沙位于近平衡态时两者含沙量导函数表达式具有一阶近似等价性,当输沙远离平衡态时前者含沙量导函数中隐含考虑有泥沙恢复饱和系数的变化。基于两者等价性,推导建立了幂律函数指数计算表达式,表明指数随泥沙沉速、单宽流量和沿程距离而变化,且随着输移距离的增大呈指数衰减。基于前者含沙量导函数表达式结构特点,分析建立了相应泥沙恢复饱和系数变化的计算表达式。综合以上成果,改进提出了一种变幂指数的泥沙输移幂律函数计算模型。对库里·阿雷克沉沙池沿程断面输沙指数及含沙量计算结果表明,不同距离过水断面输沙指数的变化规律是合理的,含沙量计算值与实测值变化趋势基本符合。     

水库测验中垂线输沙率的计算方法

我们分析整理刘家峡水库异重流测验资料时,发现按水文测验规范中的方法计算垂线输沙率和平均含沙量,随着垂线流速和含沙量分布不同,其结果与实际有不同程度的误差。在某些情况下,会出现计算成果与实际相差一倍以上这类的错误。为此提出一种较精确的方法。该方法原理如下:沿水深方向分成 n 个计算单元,如图1所示。假定在一个计算单元内流速和含沙量为直线变化,则     

基于ADCP反向散射强度估算悬沙浓度在洋山港的应用研究

洋山深水港地形差异大,流态复杂,在宽阔的西口门和窄深东口门,以传统方法同步开展悬沙输移监测十分困难。详述了在颗珠山汊道应用ADCP走航测沙的实现方法,结论显示,与传统代表垂线法成果相比,通过ADCP声反向散射信号计算的垂线平均含沙量,其对比标准差约为6%,随机不确定度在12%(置信水平为95%)左右,误差分布基本成正态,两种方法之间的断面输沙率相关系数达到0.96,可见,利用ADCP的声反向散射信号,只要标定得当,在洋山港区得到的垂线平均含沙量和断面输沙率是可信的,该技术将为洋山港区关键控制断面悬沙监测提供新思路。     

时段平均输沙率计算方法探讨

以流量和含沙量在时段内呈线性变化，而输沙率应是二次函数为出发点，用积分的方法推导出时段平均输沙率的计算公式，认为采用这套公式计算日平均输沙率和日平均小于某粒径沙重百分数是合理和实用的。可以提高成果的准确性。     

悬移质单宽输沙率的计算

众所周知,悬移质泥沙运动的基本理论有两种:由维里卡诺夫根据能量守恒原理而创立的重力理论;由马卡维也夫根据施密特的紊动扩散概念而提出的扩散理论。这两种理论所导出的悬移质含沙量沿垂线的分布公式,都存在着一个共同的缺点,就是水面处的含沙量均为零。同时,重力理论所导出的公式,对于粗颗粒泥沙(沉降速度ω>3.0cm/s)在含沙量较小的水中应用比较适合,在能量方程的建立     

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。     

基于动理学理论的推移质输沙公式

根据Boltzmann方程得到了床面附近运动颗粒的速度分布函数,将其在速度空间上积分,同时考虑床面颗粒起动概率的影响得到了床面颗粒的冲刷率函数。在此基础上,将该函数代入Einstein提出的推移质输沙基本模式中得到了基于动理学理论的推移质输沙公式。研究结果表明:① 公式计算结果与实验数据吻合,相对误差为10%~50%,可用于高强度和低强度输沙,能够较好地反映出床面附近运动的推移质颗粒的统计属性;② 得到的推移质输沙率理论表达式与经典推移质输沙公式十分接近,同时大大改善了Einstein公式在高强度输沙情况下的计算结果,这也说明了本文理论推导的正确性。     

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。     

罗索夫斯基弯道环流公式的统一

在弯道环流理论和工程应用研究中,罗索夫斯基公式具有重要意义,但对于光滑和粗糙床面,该公式分别用两个式子来表示,通用性不强,且卡门常数取值0 5也显得不合理。对此进行了分析,并针对公式推导中存在的问题,采用底床不可滑动条件,对公式重新进行了推导,得到了统一的弯道环流流速垂线分布公式,同时得到了统一的水面横比降表达式。通过对光滑和粗糙床面条件下弯道环流实验资料的验证,并和原罗索夫斯基公式及修正式比较,结果表明得到的公式不仅与实际值最为符合,而且适合不同粗糙度的床面,是计算弯道环流流速垂线分布的通用公式。     

粗糙透水床面明渠水流的垂线流速分布

为了进一步揭示粗糙透水床面明渠水流运动特性,针对垂线流速分布研究存在的问题,根据边界层理论,推导了含有摩阻流速、理论床面流速和原点位移等3个参数的修正对数公式;通过水槽试验,运用激光多普勒测速仪,分别对用直径1 cm玻璃珠构成的粗糙不透水和透水床面明渠水流的垂线流速分布进行了测量。结果表明:推导的修正对数公式与实测符合很好;相同水流条件下,透水床面的摩阻流速要大于不透水床面,各自的阻力系数保持基本不变;理论床面流速是主流平均流速的0.35~0.45倍,且床面相对流速随着雷诺数的增大而略有减小。     

国内外河口悬沙通量研究进展

系统地介绍了国内外河口悬沙通量研究的进展,目前对于河口悬沙通量主要采用模型研究、水文学方法、机制分解、仪器直接测量等方法从理论和实际相结合的角度来进行研究。目前物理模型的研究成果比较直观,但受到模型尺度和精度等的限制,数学模型研究具有快、准的优点,可以给出令人满意的定性结果,但未能达到定量预报的程度;传统的水文学方法可以用来研究河口地区悬移质泥沙在不同动力因子作用下的输移情况;机制分解法是比较成熟和可靠的方法,但该方法与河口动力机制和泥沙输移过程结合不够;使用先进仪器进行直接测量则受到仪器精度和取样点的布设等条件的限制。因此,关于河口悬沙通量的研究还有待于深入和细化。     

泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。     

Distribution of suspended sediment concentration in wide sediment‐laden streams: A novel power‐law theory

The diffusion equation of suspended sediment concentration in a wide sediment‐laden stream flow is dependent on the vertical gradient of streamwise velocity and the sediment diffusivity. This study aims at investigating the influence of the streamwise velocity laws on the suspended sediment concentration distributions, resulting from the solution of the diffusion equation. Firstly, the sediment concentration distributions are obtained numerically from the solution of the diffusion equation using different velocity laws and compared with the experimental data. It is found that the power‐law approximation produces good computational results for the concentration distributions. The accuracy of using a power‐law velocity model is comparable with the results obtained from other classical velocity laws, namely log‐law, log wake‐law and stratified log‐law. Secondly, a novel analytical solution is proposed for the determination of sediment concentration distribution, where a power‐law, wall‐concentration profile is coupled with a concentration wake function. The power‐law model (for velocity and concentration) is calibrated using the experimental data, and then a generalized wake function is obtained by choosing a suitable law. The developed power‐law model involving the wake function adjusted by an exponent predicts the sediment concentration distributions quite satisfactorily. Finally, a new explicit formula for the suspended‐load transport rate is derived from the proposed theory, where numerical computation of integrals, as needed in the Einstein theory, is avoided.     

土壤中污染物迁移转化规律的数值模拟研究

考虑到田间土壤的结构性以及运移其中的污染物的化学反应特征,建立了两区双点平衡/动力学吸附溶质运移模型。用拟交替显隐式有限差分格式对模型进行了离散,通过编制的相应程序,对一施药期的水田进行了模拟。研究了土壤中污染物的迁移转化规律,分析了不可动水和非平衡吸附相对浓度分布的影响。结果表明：不可动区水相和非平衡吸附相的浓度具有的滞后现象,在污染前期一定程度上起到了延缓污染作用,而在污染后期又在一定程度上加重了污染。二者的存在均对溶质的迁移转化具有重要的影响,进行数值模拟时应充分考虑二者的存在。模拟及分析结果为土壤环境质量评价提供了定量依据,同时对环境污染的治理与控制具有理论和现实意义。     

淤泥质浅滩泥沙临界起动切应力剖面确定

为了确定淤泥质浅滩泥沙的临界起动切应力垂线剖面,采用音叉密度计在淤泥质连云港徐圩浅滩进行了定点密度垂线分布测量,并针对该海域的泥沙利用长水槽和环形槽开展了泥沙起动室内试验。淤泥密度现场结果表明,浅滩泥沙密度与深度满足对数型关系;室内试验得出密度1 050~1 400 kg/m³的泥沙临界起动切应力值为0.1~1.0 Pa,泥沙临界切应力与密度呈指数关系;进而确定了临界起动切应力与深度的关系即临界起动切应力剖面,该剖面关系式可供数学模型模拟淤泥质浅滩的泥沙起动过程参考。     

河网非恒定水沙数学模型研究

建立了能够适用于多种情况的河网非恒定流水沙数学模型。推导提出了河网泥沙方程组的分级解法,提出了适用于河网计算的汊点分沙模式,分析和对比了多种分沙模式的适用性,对河网区域中可蓄水汊点也提出了相应的处理办法。采用汉江杜家台分蓄洪区的资料作了模型的验证和应用。     

沙质河道冲刷不平衡输沙机理及规律研究

通过动床水槽试验,观测沙波运动,揭示了湍流扫荡河床使表层床沙产生频发的群体起动冲刷现象。据此,提出了床沙交换及冲刷粗化分二个层次的物理模式;分析了冲刷时表层床沙粗化的必然性,确定了悬移质扩散过程中适于非均匀沙河床的新的近底边界条件。依据所建立的不平衡输沙立面二维数学模型,计算了大量不同情况下的含沙量扩散恢复过程,据此总结出了冲刷时含沙量恢复饱和系数α的预报公式及变化规律。     

现场抽滤法在悬浮物浊度分析中的应用探讨

以悬浮物浊度标定为研究对象,通过对不同分析方法得到的浓度结果与浊度仪之间相关性的分析,探索悬浮物浓度测量的较佳方案。根据实测数据的对比分析,发现现场抽滤法相较于自然焚烧法、室内抽滤法和沉淀烘干法,具有省时间、低费用、高效率和可靠性高的特点。主要原因为室内各类分析方法相较于现场抽滤会出现较多不确定的影响因素,包括运输存储过程中容器瓶壁的吸附作用、水样微生物的滋长以及方法本身的系统误差,如焚烧法操作过程,有机物在高温环境下挥发,致使分析处理的研究对象与观测仪器所测不同,导致产生比较大的误差。现场抽滤法不但适合在水流比较平稳的内河使用,而且在流态复杂,泥沙浓度变化较大的河口地区的泥沙浓度测量中也具有的较强实用性。