城市洪涝中人体失稳机理与判别标准研究进展

受全球气候变化和人类活动影响,近年来极端降水事件增多,由此引发的城市洪涝灾害频发。行人在洪水作用下易失去稳定,威胁生命安全,研究洪水中人体的失稳机理与判别标准,能为城市洪涝灾害的风险评估与管理提供科学依据。本文首先总结了国内外城市洪涝中人体失稳机理研究的相关成果,评估了现有人体失稳判别标准的适用范围及优缺点。基于力学分析和实测数据率定的计算公式虽然在推导过程中有一定的简化,但能较好地反映洪水中人体失稳的动力学机理,可以评估不同人群与不同洪水条件下的人体稳定性。针对当前城市洪涝中人体稳定性研究存在的不足,需要开展真实洪水中行人逃生以及沿漫水楼梯行走时的失稳机理与判别标准研究,并深入研究行人站立姿势调整对洪水中人体稳定性的影响;还需基于大数据等手段获取互联网上洪水中人体失稳的影像资料,构建洪水中人体失稳的实测数据库;同时还需推动人体失稳判别标准在洪水风险管理中的具体应用,最大程度地降低城市洪涝灾害带来的不利影响。     

黄河下游游荡段不同畸形河湾的演变特点

1980s中期以来,黄河下游游荡段经常出现畸形河湾,分析其演变过程及特点对游荡段治理具有重要意义.本研究采用黄河下游游荡段的遥感影像和实测断面地形资料,描述了不同畸形河湾的演变过程并分析其河湾形态参数和断面形态的变化.研究表明,黄河下游游荡段的畸形河湾具有演变周期短、扭曲程度较大和易发生自然裁弯等特点.游荡段不同位置畸形河湾的演变特点不同：游荡段上段的畸形河湾演变缓慢,裁弯历时长;中段的畸形河湾演变速率较高,河湾扭曲程度大;下段的畸形河湾演变速率高,容易发生自然裁弯.河湾形态参数可反映畸形河湾的演变过程,其变化特点与畸形河湾的形成和裁弯过程相对应.在畸形河湾形成过程中,曲率半径和河湾间距减小,弯曲度、水流夹角和河湾振幅增大.游荡段3个畸形河湾弯曲度的最大值分别为1.20、2.10和1.61,反映了不同畸形河湾的扭曲程度.“Ω”形畸形河湾裁弯后的曲率半径、水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其演变过程中最值的605%、59%、27%和133%.“M”形畸形河湾裁弯后水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其最值的37%、83%和152%.在畸形河湾形成时期,伊洛河口断面位于畸形河湾凹岸侧的滩地以94 m/a的速率崩塌.裁弯后,河槽冲刷,两岸滩地崩退,河槽展宽速率为148 m/a.河床底部的冲刷从深泓点逐渐向两边发展.     

黄河尾闾段一维耦合水沙数学模型研究及其应用

小浪底水库于1999年运用以后,该河道经历了长时间持续冲刷过程.为掌握小浪底水库运用后黄河尾闾段洪水演进特点及河床冲淤规律,采用一维水沙数学模型研究是一条重要的途径.本研究首先采用浑水控制方程,建立了一维耦合水沙数学模型,并利用2003年利津-西河口段汛期实测水沙及汛前断面地形资料对该模型进行率定,计算的流量、水位及含沙量等过程与实测值吻合较好;然后采用2015年利津—汊3段汛期实测资料对该模型进行验证,结果显示水位与冲淤量计算值与实测值较为符合;最后基于2015年实测洪水过程,计算了若干组不同断面间距下的洪水演进及冲淤过程,分析了不同断面间距对沿程水位及河段冲淤量等计算结果的影响,结果表明:采用不同断面间距对水位计算结果影响较小,而对冲淤量计算结果会产生一定影响;在河段水沙及冲淤特性复杂的情况下,采用一维数学水沙模型计算时应考虑断面间距的选择.     

基于多波束地形测量的上荆江典型河段沙波形态特征分析

沙波形态影响水流结构、泥沙输移及动床阻力。本研究采用多波束测深系统首次精细测量了上荆江典型河段的床面地形,采用改进后的沙波形态量化算法统计了各类沙波形态参数,分析了不同水流强度下沙波形态的变化特征。计算结果表明:(1)测量河段小型与大型沙波的平均波高分别为0.16～0.81和0.96～2.31 m,波长分别为13～27和16～41m;沙波尺度相较于水深较小,小型与大型沙波的波高分别不超过水深的0.045和0.150倍;(2)沙波背流面坡度基本不超过14°,小于泥沙水下休止角,其与陡度之间的关系可以用线性方程描述;(3)中洪水流量对沙波形态尺度的塑造作用强于枯水流量,且对浅水区大型沙波形态尺度的塑造作用强于深水区。本研究量化了天然河流的沙波形态,较好地反映了沙波形态特征,能为大型冲积河流沙波形态的量化及特征参数的统计分析提供参考。     

三峡工程运用后长江中游河床调整沿程变化特点

三峡工程运行后,坝下游河道发生持续冲刷。本文研究了长江中游(955 km)不同河段沿程演变差异及其原因。总体而言,河床形态调整幅度自上而下减弱,这是因为在河床持续冲刷过程中,水流含沙量沿程恢复,故越往下游冲刷相对缓慢。平面形态方面,长江中游岸线崩退及洲滩变形的强度均呈沿程减弱趋势,且在荆江河段最为显著。断面形态方面,河床冲深幅度在宜枝下段>荆江河段>宜枝上段>城汉河段>汉湖河段。理论上距离三峡工程最近的河段冲刷应最为剧烈,但由于宜枝上段床沙粗化显著,限制了冲刷的进一步发展。过流能力方面,宜枝河段由于距洞庭湖较远,并未受到入汇顶托作用,故其平滩流量的调整基本由进口水沙条件控制,并随着河床冲深下切而增大;对于荆江、城汉和汉湖河段,河床冲刷虽显著,但支流或湖泊的入汇顶托对平滩流量产生的影响大于前者,故平滩流量总体随上下游水位差同步波动。     

三峡工程运用对近期荆江段平滩河槽形态调整的影响

针对近期荆江段河槽形态的显著调整,定量研究了三峡工程运用对其造成的影响。计算了2002—2013年该河段断面及河段尺度的平滩河槽形态参数,并建立这些参数与宜昌站汛期水流冲刷强度的经验关系。还原了在无三峡工程时宜昌站的水沙数据,计算了相应的河槽形态参数,分析了有、无三峡工程时荆江段河槽形态调整的差异。计算结果表明:三峡工程运用后近期荆江段平均河床比降略有调平,河段平滩水深逐年增加,但平滩河宽变化较小,使得河相系数减少6.7%~10.3%;无三峡工程时平滩河槽形态调整较缓,河段平滩水深及面积的增幅分别仅占有三峡工程时的16%和18%。故三峡工程运用没有改变近期荆江段河槽形态趋于窄深的调整趋势,但一定程度上加快了调整过程。     

黄河下游游荡段排沙比对水沙条件与断面形态的响应

提高黄河下游游荡段的输沙能力是河道治理的主要任务,而河道输沙效率（排沙比）受到来水来沙条件和河床边界条件的共同影响。本文基于1971—2016年花园口—高村河段（简称花高段）的实测水沙及地形资料,计算了花高段的平均河相系数及水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）,从汛期和场次洪水2个时间尺度,定量分析了排沙比与水沙条件及前一年汛后主槽形态之间的响应关系。分析结果表明：① 汛期和场次洪水排沙比与来沙系数呈负相关,与水流冲刷强度呈正相关,临界的汛期不淤来沙系数为0.012 kg?s/m ⁶,场次洪水排沙比与来沙系数及水量比的决定系数为0.76;② 游荡段排沙比与河相系数呈负相关,当河相系数大于15 /m ^0.5时,河段排沙比基本小于1;③ 以来沙系数与河相系数为自变量的汛期排沙比计算式的决定系数为0.82,计算精度较高,对于场次洪水排沙比而言,断面形态的影响权重大于来沙系数。这些排沙比计算公式能够反映游荡段的输沙特点,有助于定量掌握断面形态及水沙条件对河道输沙能力的影响。     

生产堤溃口展宽过程的概化模型试验研究

为研究生产堤溃口横向展宽过程的发展规律,以黄河下游生产堤土体为材料,开展概化模型试验,分析溃口处水深、流速、流量以及溃口宽度的变化。试验结果显示,溃口横向展宽的机理主要表现为水流冲刷堤身下层土体伴随上层悬臂土体发生绕轴崩塌;随着溃口展宽,堤前水深持续下降但下降速率逐渐减小,溃口流速呈先增大后减小的趋势,流速峰值约为1.1 m/s;随着主槽流量增加,溃口宽度发展至0.7 m时,溃口的水深、泄流流量、流速、展宽速率均有所增加。基于对溃口展宽的影响因素分析,提出溃口横向展宽速率的计算关系式,计算溃口展宽过程与实测值符合较好。研究结果不仅有助于生产堤展宽机理及发展规律的研究,还可为数学模型的建立与验证提供参考资料。     

考虑河道整治工程影响的一维水沙数学模型及其应用

在冲积河流上,各类河道整治工程的实施一定程度上会影响河床的演变过程.本文通过改进现有的一维水沙数学模型,重点研究护岸及护滩(底)这类限制河床进一步冲刷的整治工程对水沙输移及河床冲淤变形的影响.首先对固定断面的各节点采用特定的代码进行标记,以此区分河漫滩、有或无整治工程的主槽区域.然后对悬沙输移及河床冲淤变形模块进行改进:当断面发生淤积时,其形态调整不受整治工程的影响,淤积量将在整个断面上进行分配;当发生冲刷时,断面形态调整仅发生在未实施工程的位置或者受工程限制但形成了一定厚度淤积层的区域;在实施了整治工程且无法提供沙源的区域,河床冲刷则不会发生.最后长江中游荆江段2016年的模拟结果表明:考虑整治工程情况时,改进模型计算的河道冲刷量偏小且与实测值更为接近;河槽断面形态与实测结果也更为吻合.     

三峡工程运用后长江中游典型江心洲植被动态变化趋势及机制探析

受三峡工程运用的影响,长江中游水沙情势剧变,江心洲生境结构发生变化,洲上植被密度、活力和分布情况也随之改变。因此亟需开展针对江心洲植被的长期观测以厘清其对三峡调控的响应机制,从而制定有效的洲滩植被保护和修复策略。卫星遥感技术是开展长时间、长河段地貌观测的常用手段。目前应用卫星遥感技术监测江心洲植被动态的研究,主要聚焦于三峡工程运用对江心洲植被面积和覆盖度的影响,而较少深入探讨植物长势和分布模式的变化趋势。因此,本文以长江中游4个典型江心洲为研究对象,提出了一系列可用于反演江心洲淹没范围和滩面上植被动态的方法,并量化分析三峡工程运用对植被动态的影响。结果表明:(1)三峡工程运用后,江心洲整体淹没频率降低,部分原有边滩逐步满足耐水植物的生长条件,促使江心洲植被面积呈现增长的趋势;原分布在高滩上的不耐水植物逐步蔓延至低滩,导致江心洲植被茂密程度整体上升;(2)三峡工程运行前,2002年含沙量较大的漫滩洪水有促进植物第二年生长的趋势;而三峡工程运行后,2016年具有同样规模但含沙量减少近80%的漫滩洪水则有抑制植物生长的作用;(3)部分形态稳定的江心洲,其高、低滩植被分布模式之间的异质性受三峡...