典型窝崩三维数值模拟

窝崩是冲积河流常见的一种崩岸类型,具有发展速度快、破坏力强等特点,且不易成功模拟。以长江下游扬中河段指南村窝崩为例,基于窝崩机理及其力学模式,采用考虑回流区紊动影响的挟沙力公式模拟窝塘内泥沙输移,初步建立了窝崩三维数值模拟方法。研究结果表明:窝崩发生初期窝塘内局部水流具有底层流速大于上层流速的特征,这为窝塘底部及坡脚淘刷提供了动力条件;窝塘内回流区水流挟沙力的计算对窝崩形态模拟结果存在显著影响,考虑回流区紊动影响的泥沙输移特性后,模拟结果与实测结果基本吻合,可较好地模拟窝崩的快速发展过程。研究成果可为窝崩机理的深入认识和窝崩治理提供科技支撑。     

窝崩区水流结构的概化水槽试验研究

窝崩是长江中下游常见的一种崩岸类型,具有流场结构复杂、发展速度快、破坏力强等特点。为揭示不同类型窝崩三维水流结构的特点,以长江中游虾子沟和下游扬中窝崩为例,设计了一般型与口袋型的窝崩概化模型,开展了相应的水槽试验。采用PIV流场测量技术,获得了一般型和口袋型窝崩的三维流场,研究了这2类窝崩的水流结构。试验结果表明：(1)窝塘及附近区域可分为主流区、掺混区和回流区;(2)一般型与口袋型窝崩回流区流速的最大值分别为主流平均流速的0.19倍和0.27倍,掺混区存在着较大的流速梯度且紊动强度大,掺混宽度沿主流方向逐渐增大;(3)一般型窝崩回流区的垂向平均流速比口袋型大48%～76%,且回流中心相比于口袋型更靠近窝塘外侧,这导致一般型窝崩更易将窝塘内泥沙输运至主流区;(4)在较高主流流速条件下,一般型窝崩窝塘水体与主流的交换速率大于口袋型窝崩,较低主流流速下则相反。     

流滑型窝崩水流结构特征及其变化规律

针对长江中下游河段流滑型窝崩,进行水槽概化模拟试验,依据精细的流场观测数据,分析窝塘附近水流结构特征及变化规律,为探索此类崩岸力学机制奠定基础。结果表明,窝塘附近水流结构可分为口外主流区、口门涡流区和窝塘回流区三大区域。随着窝崩发展,三大区域内水流结构也随之产生变化。口外主流区基本为明渠弯道水流,有明显环流特征;口门涡流区呈现长条形态,其内存在多个大小、形态、位置和强度变化的涡旋,总体规律随主流快速下移不断破碎或分解,口门上、下两端水流呈明显三维特征且脉动性很强,水面波动剧烈;窝塘回流区内为典型空腔回流,随窝崩发展,其范围扩大,中心下移,形态由椭圆形趋向圆形,强度呈现增强-减弱-稳定的趋势。     

单向明渠流与波浪作用下植被对水沙运动影响研究综述

作为河、湖以及滨海湿地生态系统中必不可少的组成部分,水生植被具有重要的生态服务价值,且许多生态服务价值是通过改变水体动力条件实现的。含植被水流研究不仅可用于科学阐明水生植被的生态环境效应,还能指导河湖生态系统修复及污染治理的工程实践。本文考虑单向明渠流与波浪2种水动力环境,对国内外有关水生植被对水流结构以及泥沙运动影响研究的主要成果进行梳理。单向明渠流条件下,植被对水动力的影响研究主要集中于植被对水流阻力的影响以及冠层内水体的紊动结构与紊动尺度特征;波浪条件下,植被对波高与波浪流速的减弱作用以及冠层内水体的时均与紊动结构特征是研究重点。受水动力条件控制,植被影响下的泥沙运动特征也受到广泛关注,且研究焦点为单向明渠流条件下水生植被对泥沙起动与输移的影响以及波浪条件下植被对床底泥沙再悬浮的影响。     

长江口水流挟沙力公式初步研究

本文根据泥沙运动理论和水流能量平衡原理,结合水流对泥沙的作用效果并分析了现有水流挟沙力公式的适用条件,通过实测资料的整理和研究,推导得出长江口水流挟沙力公式.结果表明,河口半潮平均挟沙力应考虑水流对悬移质的输送和对床沙中悬移质的上浮,同时还应考虑河口其它动力因素(如风、波浪等)及其各类动力过程的非线性作用效应对水流挟沙力的贡献.本文提出的公式从泥沙输运及悬浮的角度去分析河口水流挟沙力,从而有利于河口冲淤特性的分析研究.对长江口而言,洪季水流对泥沙的输运作用大于悬浮作用,落淤的可能性大于冲刷;而枯季水流对泥沙的作用则以悬浮为主,冲刷的可能性大于落淤,从另一侧面解释了长江口"洪淤枯冲"的现象.     

(五)沙量平衡和输沙平衡

水流周界上和周界内的泥沙经常处于冲刷、输移、淤积过程之中。同一时段内,输入一定空间和输出该空间的泥沙质量之差,与该空间内泥沙质量的增加量相等。这就是沙量平衡。是质量守恒定律对性质不易改变的泥沙的引用。在重力加速度各处相差不大的空间内,沙量平衡可用泥沙重量——沙量来表述。若空间内的沙量不变,则输入的沙量(不为零时)等于输出的沙量,这就是输沙平衡。泥沙进入一个空间的方式有:(1)由流体的时均流速带动;(2)由流体的紊动扩散带动;(3)因重力作用而运动;(4)由外力如地壳运动、人类活动等推动。此外分子运动和近底水流的上举力也能带动泥沙。如果只考虑悬移质泥沙和略去后几种方式,且流速沿程(x 向)不变,没有横(y)向、垂(z)向时均流动,x 方向的紊动扩散影响也可略     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

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。     

输移型泥沙灾害及其特征初步研究

近年来,泥沙灾害越来越引起人们的重视.输移型泥沙灾害是泥沙灾害的子类型.本文提出了输移型泥沙灾害的基本概念,并对输移型泥沙灾害的类型和特征进行了初步的探讨.根据输移介质的不同,输移型泥沙灾害可进一步分为风力输移型和水力输移型泥沙灾害.风力输移型泥沙灾害主要包括浮尘、扬沙、沙尘暴和沙丘移动等,这类泥沙灾害主要发生在干旱-半干旱地区,但影响范围很广.以水流为搬运介质的输移型泥沙灾害主要有泥石流灾害、高含沙水流灾害和一般挟沙水流灾害,另外还有以水为介质,以重力搬运作用为主的泻溜、土体蠕动等灾害.水力输移型泥沙灾害仅限于流域,涉及范围较小,出现的频率较低、幅度较小,其灾害表现形式为在冲刷、淤积和河床演变过程中对人类产生危害,具有伴生性、潜在性、突发性和链锁性等特征.     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性，以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象，基于室内概化模型试验，采用多普勒声学流速仪（ADV）测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速，分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示：宽窄相间水槽中，扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度，最大值位于0.2倍水深处；扩散段两侧坡脚处紊动能最大；侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内，中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处；扩散段内水流紊乱，两侧出现旋涡和涡脱，易造成侧壁侵蚀加强，引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性，可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。     

水流紊动对泥沙絮凝的影响

主要研究水流紊动对泥沙絮凝的影响。认为水处理方面的絮凝动力学理论可用于研究泥沙絮凝问题。根据试验实测资料及国外有关试验结果研究表明,在紊动状态下,泥沙絮凝存在两个阶段,每个阶段中紊动对泥沙絮凝的影响也有所不同。     

淹没刚性植被明渠紊流沿程流动特性差异

淹没刚性植被通过改变水流结构,造成时均流速、紊动强度、雷诺应力等水力参数垂线分布不均匀和沿程差异化。采用声学多普勒测速仪(ADV)测量3种淹没度(3.0、4.0、5.0)下的流速,结合统计学方法,系统分析植被段内及其上、下游过渡段流速和紊动特性差异。结果表明：植被显著增强了水流紊动,且紊动特性取值与淹没度正相关;植被段内流速差异在低淹没度下的植被层内和高淹没度下的自由流动层内更加显著,而紊动特性沿程增强,且垂线分布具有相似性,最大值点位于冠层顶部附近;当淹没度满足KH涡的形成和发展条件时,随淹没度的增大,植被段内紊动特性垂线分布出现转折点(临近此点梯度急剧减小并趋于0)的断面数量增多,经验证,在充分发展的紊流区此点可作为KH涡的上边界点。     

含沙量对过饱和总溶解气体释放过程影响分析

高坝泄水常为高含沙水流,对含沙水体过饱和总溶解气体(TDG)释放规律的研究具有重要的理论和现实意义。为探讨泥沙含量以及紊动强度等特性对过饱和TDG释放过程的影响,设计了静置水柱、搅拌诱发紊动以及明渠水流3种实验条件,通过对不同含沙量工况下过饱和TDG释放过程的观测研究,分别计算各工况下的释放系数。结果表明,泥沙含量和紊动强度均对过饱和TDG的释放起着促进作用,而且随着含沙量和紊动强度的增大,释放系数逐渐增大。本研究对于过饱和TDG数值模拟研究中释放系数的取值具有指导意义,同时也可为过饱和TDG影响的减缓措施研究提供基础数据和参考依据。     

含淹没植物河流水流紊动强度最大值及其影响因素

根据含淹没植物河流水流紊动强度与流速和流速分布的关系,建立紊动强度经验公式,并数学推导证明了紊动强度垂向分布最大值的存在。根据实验数据,该紊动强度最大值的大小及出现位置受植物和水流条件的影响:植物的存在增加水流阻力,植物排列密度改变紊动强度最大值的大小;植物叶片的摆动形成水流紊动的主要干扰源,植物/水深相对高度控制紊动强度最大值的出现位置;断面平均流速的变化改变水流的稳定性和植物冠层的高度,对紊动强度最大值的大小和出现位置均有一定影响。     

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明：(1)冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。(2)斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15～0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16～0.32,垂向分布介于0.2～1.3倍植被高度,纵向分布介于2～6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。(3)纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。     

淤泥质河口水沙运动数学模型相关问题

为研究淤泥质河口的水沙运动规律,建立了用于模拟淤泥质河口水沙运动的二维数学模型。该模型采用基于无结构三角网格下的有限体积法对方程组进行离散,结合Roe-MUSCL方法及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。模型中分别采用不同方法计算粘性和非粘性泥沙的输移源项,并引入粘性泥沙的起动流速和冲刷率计算公式。采用已有的概化水槽试验数据对模型进行了初步验证。然后模拟了1995年10月小潮及大潮期间海河口的潮流运动与泥沙输移过程,计算得到的潮位、潮流速及含沙量过程与实测过程符合较好,结果表明模型能够用来模拟淤泥质河口粘性和非粘性泥沙的不平衡输移过程。同时还比较了泥沙输移源项的不同处理方式对计算结果的影响,计算表明在淤泥质河口水沙运动数学模型中必须同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移。     

30°分水角明渠水流紊动特性试验研究

灌区分水口多为直角, 附近普遍存在冲刷、淤积及结构破坏现象。天然河流分、汇流多为锐角, 为探索非直角分水口区域明渠水流紊动特性, 以30°分水角明渠为研究对象, 采用声学多普勒点式流速仪测量各断面上的三维瞬时流速, 分析典型断面上的时均流速、环流强度、紊动强度、紊动能和床面剪切应力分布规律。试验结果显示: 分水口处水流横向流速沿渠宽方向变化较大, 易形成环流, 导致局部冲淤现象明显; 靠近口门侧水流紊动强度变化剧烈且分布无规律, 最大值出现在口门上唇断面; 分水口处下层水体紊动能明显大于上层水体, 紊动能较大值多集中在口门附近; 口门断面下唇附近床面剪切应力较大, 易出现冲刷侵蚀, 破坏渠道稳定; 与直角分水口相比, 分水角为30°时, 泥沙颗粒不易进入侧渠道, 水流对渠底及边壁侵蚀速率较低。研究结果可为灌区渠系设计及运行提供参考。     

出渗对均匀大粒径泥沙附近水动力特性影响

为探讨出渗对均匀大粒径泥沙颗粒周围水流特性的影响,基于粒子图像测速技术（PIV）对出渗影响下的均匀大粒径泥沙颗粒群周围水流结构进行测量,并对不同出渗强度下颗粒群周围立面二维流场结构进行了分析。试验结果表明:出渗能够减小颗粒群周围原水流运动方向的流速,而增大垂直向上的流速,且两者均随着出渗强度的增强而对流速的影响愈加明显;根据实测数据,拟合出考虑出渗影响下的均匀大粒径泥沙周围纵向流速分布公式,相关性较好;出渗能增强颗粒群附近的紊动强度,加剧周围水体的能量耗散;随着出渗强度的增强,颗粒群周围的涡量值随之减小。     

整治工程影响下的河口拦门沙航道回淤特征及成因——以射阳港航道为例

通过不同时期实测地形资料,对比分析射阳港拦门沙航道一期整治工程建设后航道的回淤分布特征;利用实测水文泥沙资料和潮流数学模型计算分析射阳河口拦门沙航道开挖后的水流、含沙量特征;探讨了射阳港拦门沙航道淤积的泥沙来源和淤积成因。研究表明:航道开挖后沿程普遍淤积,尤其是口门及堤根区段航道淤积严重。导致航道淤积的主要原因为:有掩护航道内涨潮流速大、落潮流速小,口门外高含沙量水体进入航道后泥沙很难被带出航道,导致航道内普遍淤积;口门内2 km范围内回淤较大是由于越堤流输沙和口门内侧涨潮期间存在明显回流;导堤根部航道段回淤较大是由于射阳河与黄沙港河汇流后河道放宽,落潮期间出河口的水体挟沙力突然降低。