中华鲟产卵栖息地的三维水力因子适宜性分析

建立三维水动力学模型分析中华鲟产卵栖息地水力因子的时空分布和中华鲟产卵时的适宜水力特性,为设计最佳的生态调度方案提供科技支撑。研究结果表明,中华鲟产卵栖息地的上产卵区水深和流速的变化主要受流量影响,涡量的变化主要受地形影响;中华鲟产卵前需要高流量脉冲刺激产卵。坝下与隔流堤之间流速和涡量值的大小与波动远大于其他区域,均值为2.4 m/s和11 m2/s。产卵栖息地水体表层、中层和底层的流速和水平涡量分布格局相似,均是在上产卵区值较大,空间分布多样性高。水体中层垂向涡量的值远大于底层和表层。产卵栖息地水体表层、中层和底层水力分布特征为中华鲟繁殖提供了有利的水力条件,体现出中华鲟对产卵栖息地不同功能区的自主选择性。     

水库浑水异重流潜入点判别条件

泥沙淤积是影响多沙河流水库寿命的一大难题,而异重流排沙是减少库区淤积的重要措施之一。异重流的潜入现象是异重流开始形成的直观标志,研究异重流潜入条件的判别方法有助于掌握异重流在库区内的演进规律。总结了水库异重流潜入条件的定性描述及定量计算方法,指出已有的潜入点判别公式的优缺点及适用范围,改进了描述异重流运动的动量方程,同时分析了异重流流速与含沙量沿垂线不均匀分布对动量传递的影响;在此基础上提出新的异重流潜入条件判别式,并用多组室内及野外实测资料对该判别条件进行率定与验证。分析结果表明,新的计算公式可用于判别小浪底库区异重流的潜入条件。     

水库异重流一维水沙耦合模型

建立了基于库区不规则断面的一维非恒定异重流数学模型,并采用明流与异重流水沙输移模型交替运算的两步模式,即用潜入条件动态判别异重流计算的上游边界位置,将潜入点上游的明流浑水段与下游异重流段计算连接起来。水流运动、泥沙输移与河床变形过程完全耦合,采用TVD(Total Variation Diminishing)形式的MUSCL-Hancock格式进行数值求解。将该模型应用于恒定流量与释放定量悬沙两种条件下的异重流水槽实验模拟,比较了有无水面梯度项对模拟精度的影响,计算结果表明该模型能较为准确地预测异重流的厚度、含沙量分布及传播过程。     

三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道泥沙淤积分析

通过实测三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化,计算分析了下引航道及口门区的淤积量及分布、拦门沙淤积形态、淤积机理及清淤时机,建立了口门含沙量与长江含沙量、口门斜流流速与长江流量、拦门沙淤积高度与来沙量等关系;并结合倒灌异重流理论,计算验证了下引航道及口门区异重流、环流淤积。结果表明,下引航道及口门区主要集中在主汛期(7~9月)淤积,汛末(10~12月)进行一次清淤即可满足航深要求。     

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     

磨刀门水道枯季水动力特性分析

根据2009年12月1025日磨刀门水道上至竹银下至口门近半月的同步实测水文资料,对该水道在大、中、小潮下表、中、底层的水动力特性进行了分析和探讨。结果显示,枯季磨刀门水道总体涨、落潮流速都不大,即使大潮时该水道总体表层涨落潮平均流速分别仅为0.5m/s和0.76m/s;水动力特性一般呈现:表层落潮流速显著大于涨潮流速,底层涨、落潮流速相差不大的规律;表底层涨落潮流速一般呈现随潮型增大而增大的趋势;表层涨潮历时小于落潮历时,底层涨潮历时大于落潮历时;实测结果显示,包括口门及上游河道范围内的表、底层流速出现相反的现象,时段一般出现在经过第一个长时间的落潮流之后的第二个较短落潮时间段内,且沿水深方向的转流点更为靠近表层。     

黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型

采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.     

河型转化机理及其数值模拟——Ⅱ.模型应用

采用平面二维河流数学模型,系统研究概化河道的河型转化过程及其控制因素,成功模拟得到了初始比降、流量、入口含沙量增大和河岸抗冲性减弱时,河流从弯道向分汊、游荡河型转化的过程。根据模拟得到的河道平面形态、横断面形态、河床纵剖面,沿程水面线及沿程输沙率的变化,分析了河床初始比降、入口含沙量、流量和河岸抗冲性等各种因素对河型转化的影响。结果表明,模型计算得到的河型转化过程,与经典的河型成因及河型转化理论给出的趋势较为一致。     

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。     

康定雅拉河无名沟崩滑坡面泥石流峰值流速流量的沿程变化特征

在分析崩滑坡面泥石流的基本特征和其峰值流速流量一般规律的基础上，以康定雅拉河无名沟1995年的百年一遇泥石流为研究示范，在了解该流域的基本特征，分析该次泥石流的形成，容重、颗粒组成等基本特性的基础上，用弯道超高的理论和用古乡沟泥石流建立的流速计算公式，计算测量断面的流速及泥石流峰值流速沿程变化，用形态调查法分析计算不同断面的泥石流流量，并分析其沿程变化，通过分析可知崩滑坡面泥石流峰值流速与流量在整个流通过程是逐步变化的，在靠近物源区，流量随着物源的加入逐步增加，而流速随着能量的消耗逐渐减少，在靠近堆积区由于坡降的减小，流速与流量呈减小的趋势，崩滑坡面泥石流峰值流速泥石流流速也有一个相对的匀速段，但这个匀速段的长度较短，崩滑坡面泥石流峰值流量过程的沿程变化曲线接近于正态分布，此类泥石流防治中的拦挡措施要注意充分利用其在坡降减小的过程中流速和流量迅速降低的特征，而其排导措施要注意到此类泥石流的高阻力特征，注意保证排导槽的足够坡度。     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

海域岛隧结合区水流结构和沉管沉放过程水流力试验研究

港珠澳跨海通道由东、西人工岛实现桥隧过渡,海中隧道采用沉管法,沉管段总长5 664 m,从西人工岛开始布置E1—E33管节,标准管节长180 m,宽37.95m,高11.4 m,重约8万t。岛隧结合区受到人工岛挑流和基槽开挖水深突变的影响,水流结构复杂,沉管沉放时也会引起水流变化。沉管安全沉放和精准对接安装需掌握受到的水流力大小。利用宽水槽几何比尺为100的正态模型,开展岛隧结合区水流分布和沉管沉放过程水流力试验研究。结果表明:岛头无掩护措施时,岛壁挑流影响到E1管节中部附近,表、底层流速大于中层;E1管节沉放过程中纵向水流力最大可达4 601 kN,E2管节纵向水流力平均5 149 kN;掩护E1管节后,E1管节处流速大幅减小,E2管节中部受掩护体挑流影响最大,流速最大增加40%,中层流速大于表、底层;E2管节纵向水流力平均5 240 kN。当沉管完全入水后,基槽内流速较小,沉放过程中受到的水流力逐渐减小。岛隧结合区水流垂线分布并不是指数分布,受到岛头壁挑流的影响沿管节长度方向流速分布也不均匀,管段浮运水流力公式并不适用计算沉管沉放过程受到水流力的大小。     

黄河下游"2004·8"洪水分析

2004年8月,黄河中游地区出现强降雨过程,依据防洪方案,小浪底水库泄放了一次高含沙洪水过程。洪水在下游表现为含沙量高、花园口洪峰增值突出、洪峰流量沿程衰减较小等特点。分析认为造成花园口洪峰增值的主要原因是由于高含沙水流比前期清水水流阻力较小,使其流速大大快于前期的槽蓄水流的流速,在演进的过程中,不断“挤压”峰前的清水和部分前期槽蓄量,形成叠加。通过分析对今后高含沙洪水的研究、监测与调度等提出了建议。     

“泾渭分明”的现代特点分析

清浊变化是指常年及汛期的含沙量及输沙量变化。泾河年均径流量仅为渭河的1/2倍(资料截止1997),输沙量却为渭河的2.35倍,含沙量为渭河的4.57倍。现在是泾浊渭清。输沙量与最大流量间为正相关关系,相关系数渭河为0.7516,泾河为0.8279。输沙量季节集中的程度更大,最大月输沙量占年输沙量的71.23%,最大月径流量占年径流量的39.22%。渭河较小的输沙量在于气候干旱导致的径流量减小。泾河较大的输沙量在于泾河流域现代人为活动对生态系统破坏更为严重。     

三峡水库蓄水后长江中游水沙时空变化的定量评估

定量评价三峡蓄水后长江中游流域水文情势的时空变化,为长江中游生态保护和区域水资源管理提供科学依据。采用变化范围法分析了长江干流5个水文站的流量、含沙量日均数据,定量评估了三峡工程蓄水后,长江中游水沙变化度最大的江段和水文指标类别,及其对应的生态影响。研究结果表明三峡蓄水后,下游河道含沙量的变化度远大于流量,除城陵矶站外,含沙量较蓄水前有了大幅度下降,宜昌站的含沙量下降幅度达到了一个数量级,洞庭湖对长江干流含沙量有明显的调蓄作用。流量的变化度随着与大坝距离的增加而减小,且在7~11月流量下降幅度明显。这些水文节律的变化将影响下游鱼类产卵栖息地以及滞洪区水生生物与周边植被的生长。     

Sediment dynamics in the lowermost Mississippi River

There is much to be gained from investigating sediment dynamics in the lower Mississippi system, the largest river in terms of discharge and sediment load in North America. Such work can improve conceptual knowledge concerning downstream changes at the lower end of large river systems and can be applied to manage sediment diversions for wetland restoration in south Louisiana. Suspended sediment dynamics in the lowermost Mississippi River system in Louisiana are characterized using three approaches: (1) temporal changes in discharge-suspended sediment relationships showing interannual variations and the effects of floods over short timescales; (2) empirical relationships between discharge and suspended sediment variables at various locations; and (3) downstream changes in discharge-suspended sediment relationships. Interpretation of this data set is enhanced with other secondary data regarding processes, morphology, and bed materials.

Upstream, near Old River, LA, empirical relationships show nonlinearity, particularly in fine sediments, with decreased concentrations at highest discharges. During high discharge years, suspended sediment concentration peaks precede discharge crests by 40–85 days. The lead generally decreases with decreasing discharge maxima so that in low discharge years sediment peaks and discharge crests closely coincide in time. Downstream, near Belle Chasse, LA, fine bottom materials are resuspended and the timing of sediment peaks and discharge crests is coincident, regardless of flow magnitude. Conceptually, results suggest caution when generalizing about the relative timing of the sediment wave and flood wave and their downstream progression. These phenomena are influenced by local bed material and hydraulic conditions, and depend on the causative factors of sediment peaks. From an applied perspective, diversions should be managed differently depending upon where they are constructed along the river and upon the magnitude of the annual maximum flow. During high discharge years, when concerns for navigation and water supply are minimal, flow should be diverted on the rising limb upstream, near Old River, and during the discharge crest downstream near New Orleans.     

长江中下游河道冲淤演变的防洪效应

近年来长江中下游来沙量持续减少,河道面临长距离、长历时的冲淤调整,河道蓄泄关系发生变化,对防洪造成影响。在长江中下游河道冲淤及其蓄泄能力变化预测成果的基础上,对比计算了现状和未来河道蓄泄能力条件下,遇1954年洪水,长江上游水库防洪调度和中下游地区超额洪量的变化情况。结果表明,未来随着长江中下游河道进一步冲刷,河道槽蓄容积增加,相同防洪控制水位下的河道安全泄量增大,三峡水库在进行防洪调度时可下泄流量增大,总拦蓄洪量减小,长江中下游地区总超额洪量减小,但超额洪量在地区分布上存在从上游向下游转移的情况。     

长江中下游河道冲淤演变的防洪效应

近年来长江中下游来沙量持续减少，河道面临长距离、长历时的冲淤调整，河道蓄泄关系发生变化，对防洪造成影响。在长江中下游河道冲淤及其蓄泄能力变化预测成果的基础上，对比计算了现状和未来河道蓄泄能力条件下，遇1954年洪水，长江上游水库防洪调度和中下游地区超额洪量的变化情况。结果表明，未来随着长江中下游河道进一步冲刷，河道槽蓄容积增加，相同防洪控制水位下的河道安全泄量增大，三峡水库在进行防洪调度时可下泄流量增大，总拦蓄洪量减小，长江中下游地区总超额洪量减小，但超额洪量在地区分布上存在从上游向下游转移的情况。     

强潮河口区近底部沉积动力过程的高分辨率观测与分析

现场试验表明,三角架观测系统稳定性良好,获取了边界层内多层位、连续的温、盐、流速、浊度同步观测数据,适用于浅海近底部沉积动力过程高分辨率观测及物质输运研究。观测结果显示:观测期间,边界层内存在向陆的余流,并呈现逐渐减小的趋势,其主要由涨、落潮流的不对称造成,大风天气和密度环流亦是影响余流强弱的重要因素;观测期间多数时刻底部切应力大于起动切应力,底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮;悬沙浓度对沉积动力的响应在涨、落潮,大、小潮阶段均有各自的特点,水动力的变化、潮流加/减速时间的长短、床面泥沙的供应量、上部水体泥沙的沉降是导致悬沙浓度变化的主要原因;底部边界层内,涨、落潮期间不对称输沙导致潮周期内悬沙净向河口湾内输运。     

Numerical simulation of turbidity current flow and sedimentation: I. Theory

A computer-based numerical model of turbidity current flow and sedimentation is presented that integrates geological observations with basic equations for fluid and sediment motion. The model quantifies those aspects of turbidity currents that make them different from better-understood fluvial processes, including water mixing across the upper flow boundary and the interactions between the suspended-sediment concentration and the flow dynamics and sedimentation. The model includes three numerical components: (1) a layer-averaged three-equation flow model for tracing downslope flow evolution using continuity and momentum equations, (2) a sedimentation/fluidization model for tracing sediment-size fractionation in sedimenting multicomponent suspensions and (3) a concentration-viscosity model for quantifying the changes in resistance of such suspensions toward fluid and sediment motion. The model traces the evolution of a model turbidity current in terms the layer-averaged flow velocity, flow thickness, sediment concentration distribution, and the rate of sedimentation and sediment size fractionation. It generates synthetic turbidites with downslope variations in thickness and grain-size structuring at each point along the flow path. This study represents an effort to evaluate quantitatively the effects of basin geometry, sediment supply and sediment properties on the mechanics of turbidity current flow and sedimentation and on the geometry and grain size characteristics of the resulting deposits.