凹岸崩塌体对急弯河道水力特性的影响

二元结构河岸下部非黏性土层持续冲刷侵蚀,上部黏性土体崩塌并堆积于凹岸坡脚,改变弯道水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为探究崩塌体对急弯河道水力特性的影响,以荆江石首河段为背景,建立弯道三维水流数学模型,模拟不同崩塌体尺寸下的弯道水流结构,并对比分析壁面剪切力的变化规律。结果表明：(1)崩塌体堆积于凹岸坡脚驱离水流动力轴线,减小凹岸次环流强度并改变环流方向。(2)崩塌体对弯道不同区域壁面剪切力的影响不同,其中,床面及凸岸坡面的平均壁面剪切力增大;凹岸坡面平均壁面剪切力在崩塌体头部及上游区域减小,在崩塌体尾部区域增大。(3)崩塌体越大,剪切力变化幅度越大,剪切力相对变化幅度为崩塌体截面积变化幅度的2%～10%。研究成果可为河道整治及岸线规划利用提供技术支撑。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

三峡库区黄花城河段环流结构与涡尺度特征初探

弯道水流结构在天然河流形态演变过程中起着重要作用,为进一步深化对弯道环流结构与紊动特性的认识,以三峡库区黄花城河段具有的连续弯道为研究对象,采用声学多普勒剖面流速仪(ADCP)开展原型三维瞬时速度测量,初步分析弯道环流结构与湍流结构尺度分布特性。研究结果表明：三峡库区黄花城河段存在河道层面宏观尺度的弯道环流结构;受局部壅水以及河床地形影响,在测量垂线上表现为全水深环流结构或双环流结构特征;超大尺度湍流结构仍然存在于库区连续弯道河流中,但尺度以及分布受弯道环流结构影响较大。     

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明：受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。     

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。     

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。     

弯道环流流速与泥沙横向输移研究

根据弯道水流特性,分析了断面环流的运动方程,采用普朗特紊流切应力构架建立了横向水流切应力的形式。通过对掺长形式的分析,给出了断面环流横向水流切应力沿垂线表达式,进一步建立了弯道恒定二元环流的横向流速分布公式。经对比分析与资料验证表明,导出的环流流速分布公式结构简单、合理,与资料有较好的拟合性。同时,利用导出的环流流速分布公式,还研究了弯道水流中泥沙的横向输移问题,建立了便于数值模拟的计算模式。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

三峡水库影响前重庆主城区河段河床演变分析

重庆主城区河段处于三峡水库变动回水区,又是嘉陵江汇入长江的河段,水流条件和泥沙运动十分复杂.采用重庆主城区河段在三峡水库影响前的1980、1996、2002～2005年观测资料,分析了岸线、洲滩、深槽、冲淤量等变化.结果表明,三峡水库影响前,重庆主城区河段年内有冲有淤,其中汛期主要为淤、汛前与汛后主要为冲,年际间略呈冲刷状态.     

黄河下游游荡段过流能力调整对水沙条件与断面形态的响应

河道过流能力与主槽形态有关,而主槽形态又取决于上游水沙条件,分析过流能力与这两者之间的关系对研究黄河下游游荡段河床演变规律有重要意义。从典型断面和河段平均两个尺度,定量分析了黄河下游游荡段1986-2015年平滩流量与水沙条件(来沙系数和水流冲刷强度)及汛前主槽形态(河相系数)之间的响应关系。结果表明:①1986年至小浪底水库运行前,游荡段淤积严重,主槽萎缩,河道过流能力急剧下降,自小浪底水库运行后,游荡段发生强烈冲刷,其断面持续趋向窄深,过流能力逐年恢复;②建立了断面和河段平滩流量与水沙条件及河相系数的幂函数关系,二者相关系数均在0.5以上,但河段尺度相比于断面尺度的相关系数至少可提高17%;③河段平滩流量与前5年汛期平均水流冲刷强度及河相系数的相关系数接近0.94,相应计算公式能较好地反映平滩流量的变化过程,为分析其他河段平滩流量的变化提供了参考方法。     

长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型

针对长江中游瓦口子至马家咀河段(弯曲分汊河段)的水沙运动特点,给出了二维水沙数学模型尤其是推移质不平衡输沙计算的模式,主要包括推移质不平衡输沙方程、床沙级配方程、河床变形方程;对模型中的几个关键问题提出了处理方法,如非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度等.利用大量的水流及河床变形资料,率定了模型的一些参数,进行了水面线、流速分布及河床变形的详细验证.在此基础上,根据设计部门提供的进出口水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲淤过程与分布及航道条件的变化.     

论河流的弯曲机理

基于能量守恒原理,通过实体模型试验的方法,对河流发生弯曲的机理进行了探讨。研究认为,河流具有弯曲的自然属性,其弯曲程度主要取决于水流能量的大小,与流量、比降有很大关系;河流发生弯曲是水流为补偿能量损失得以保持运动而形成的一种自然造床过程,河流在运动过程中,通过弯曲形成上游壅水,增加势能,使下游比降相对增大,动能得以增加,从而保持河段内的水沙输移达到相对平衡,此即"动能自补偿"的弯曲机理;河流弯曲程度与需要补偿的动能多少有关,河段上下断面的动能差越大,河段弯曲系数就越大。"动能自补偿"的机理得到了实验室观测结果的验证和野外原型定位观测资料的佐证。     

黄河下游辫状、弯曲和顺直河段间沉积动力特征比较

黄河下游沿程出现了辫状、弯曲和顺直河型段,河道平面形态的差异势必受到不同的沉积动力特征的制约。本研究根据对收集到的有关实测资料的统计和计算,对可以表征河道沉积动力特征的相关指标进行了量化分析,发现不同河型段间的沉积动力特征存在明显差别。河道比降在辫状河段最大,介于0.2‰~0.14‰之间;弯曲河段的次之,介于0.14‰~0.10‰之间;顺直河段的小于0.10‰。平滩流量时的流速在辫状河段的较大,不同年份间的变幅较大;弯曲河段的次之,不同年份间的变幅较小;顺直河段的最小,不同年份间的变幅不大,并向下游显著减小。单位河长能耗率在辫状河段最大,弯曲河段次之,顺直河段的最小,其间的比值为2.31∶〖KG-*2〗1.35∶1。单位面积能耗率在辫状河段最小,弯曲河段最大,顺直河段次之,其间的比值为0.52∶〖KG-*2〗1.18∶〖KG-*2〗1。河床沉积物粒度较细,并普遍缺失推移质组分,中值粒度在辫状河段、弯曲河段和顺直河段分别为3.0、3.2、3.67;河床沉积物的分选性也依次变好。受制于上述相关沉积动力特性,河床沉积速率在不同河型段有明显差别:中大流量时,辫状河段的最小,弯曲河段的最大,顺直河段的次之;在小流量时,三个河型段的河床沉积速率非常接近,但沿程略有减小。另外,辫状河段河床沉积速率明显依赖于流量的变化,且随流量的增大而明显减小。     

钱塘江河口段盐水入侵的时空变化及预测模型

杭州城市供水85%取自钱塘江河口段,取水水质在枯水大潮期都不同程度地受到盐水入侵的威胁,分析钱塘江河口盐水入侵时空变化及研制二维数值预测模型对保障城市供水安全十分必要。根据钱塘江河口段实测水文氯度资料,分析了强潮作用下盐水入侵的时空变化特征;据此构建考虑斜压作用的二维水流、盐度输移的耦合数学模型,计算格式采用守恒性较好的有限体积法;在模型验证的基础上,数值分析了径流和潮汐对钱塘江河口段盐水入侵的影响,结果表明河口段的盐水入侵明显地受径流和潮汐的影响,据此可通过增大上游新安江水库的下泄流量抑制盐水入侵上溯以减小取水口氯度及超标时间,确保用水安全。     

黄河下游河型的特性及成因探讨

黄河下游具有辫状河流、弯曲河流和微弯顺直河流3种河型，从横断面上可见，辫状河段的河道变化最频繁且最不稳定，微弯顺直河段最稳定；而弯曲河段明显向上游延伸，随着输沙量在各河段的阶段性变化，冲淤 状况在各河段也表现出阶段性，但加积升高是各河段发展的总趋势，从河相关系可见，弯曲河段和微弯顺直河段基本相似，但和辫状河段有着本质的区别。辫状河段的演变主要受到中上游来水来沙等自然因素的综合影响，但其更大范围的摆动仍然受到人为作用的影响；弯曲河段是河流自动调整的必然结果，两岸河堤对它的形成及向上游的延伸具有促进作用，但对它侧向迁移的特性具有较大的限制作用；而微弯顺直河段是人力强迫下河流局部调整的产物。     

钱塘江尖山河段北岸治江工程对环境影响分析

采用实测资料分析、数模计算和比尺模型试验等手段,研究比较尖山河段顺直和弯曲两种河势对钱塘江河口上游河床冲淤、潮汐、潮流、涌潮、盐水入侵等重要环境因子的差异.从钱塘江河口治理“减少进潮量、增大山潮水比值”的原则及多目标综合开发治理的目标和消除治理过程中已出现的不利因素考虑,应该采取弯曲河势更为有利.     

白龙江干流代表站径流变化特征及未来趋势预测

白龙江引水工程被列入国家确定的172项重大水利工程项目之一,分析研究白龙江干流代表站径流变化特征并进行未来趋势预测,为实施白龙江引水工程提供技术支撑。对白龙江干流白云、舟曲、武都、碧口4个代表站1956~2013年的实测径流系列资料进行分析,采用周期波均值外延叠加模型、谐波分析模型和逐步回归分析模型组合形成的加法模型对代表站未来径流变化趋势进行分析预测。结果表明:(1)该4站9月份多年平均流量占全年径流量比例最大,主汛期6~9月多年平均流量占全年径流量比例达到50%左右。(2)4个水文站多年径流量变化趋势呈现出逐渐缓慢减少的趋势,上游减少的幅度比下游小。(3)预测2015、2020、2025年年径流量的结果是:白云水文站均小于多年平均值,武都水文站均大于多年均值,舟曲和碧口水文站在多年均值上下浮动。     

Remote sensing-based analysis of the planform changes in the Upper Amazon River over the period 1986–2006

An analysis of the planform changes of the Colombian reach of the Amazon River was carried out over a period of 19.9 years. Remote sensing image processing techniques were applied to Landsat images acquired in 1986, 1994, 2001 and, 2006. These images were selected based on minimal daily water level variations, while providing the widest temporal span. Plan view river changes and geomorphologic characteristics were examined to identify which channel pattern classification best represents this large tropical river system. Discharge was also analyzed to determine whether changes in the river's plan view are a direct response to variations in discharge. The system had a depositional tendency between 1986 and 2006, with a period where erosion was more intense than deposition between 1994 and 2001. Percent change in the plan view area of the system (1.4% yr⁻¹) and the maximum migration rates (125 m yr⁻¹) suggest that this reach of the Amazon is less active than reaches upstream and the downstream reach between the confluences of the Jutaí and Japurá Rivers. Variations in discharge appear to be responsible for deposition and erosion dynamics observed after this remote sensing analysis in the Colombian reach of the Amazon River. Characteristics including multiple channels with vegetated islands developed from within-channel deposition, meandering planform, lateral activity of channel margins, and the absence of islands with saucer-like morphology suggest a multichannel, meandering pattern for this reach of the Amazon, that corresponds to a laterally active anabranching river.     

基岩弯曲河段洪水水流结构的试验研究

低坡度基岩弯曲河流在地质构造控制区域广泛存在（床面坡度小于5‰）,洪水对基岩弯曲河流的河床淤积与侵蚀具有较大影响,但以往研究对基岩弯曲河流的洪水动力结构认识不足。通过几何概化基岩弯曲河段,考虑Froude相似与边壁粗糙,建立基岩弯曲河道概化模型,分析洪水下的弯道水面线分布、时均流场与湍流结构特性。结果表明:在洪水流量下,弯顶上游出现最小水面横比降、凸岸水流分离、凹岸双环流发育、流速下潜且二次环流强度达到最大,在弯顶下游水面横比降达到最大并出现环流分裂;床面切应力分布于凸岸水流分离以及弯顶上游中心区域,横向动量输移集中于弯顶上游。试验结果为基岩弯曲河道中的床面侵蚀与沿程淤积提供了水动力方面的解释。     

近30年黄河下游河道深泓线摆动特点

冲积河流深泓摆动具有复杂的时空变化特点,其摆动特点对于研究黄河下游河势变化及河床演变规律具有重要意义。以1986-2015年黄河下游91个淤积断面汛后实测地形资料为基础,计算下游断面及河段尺度的深泓摆动宽度及强度,分析近30年来黄河下游各河段的深泓摆动特点,并探讨游荡段深泓摆动强度的主要影响因素。结果表明:深泓摆动方向具有往复性,各断面深泓摆动宽度呈现上段大、中下段小的特点;小浪底水库运行后下游深泓摆动宽度大大降低,游荡段、过渡段和弯曲段年均深泓摆动宽度较水库运行前分别减小了47%、37%和41%;河床边界条件（滩槽高差、河床组成等）对游荡段深泓摆动强度有一定影响,但上游来水来沙条件是主要影响因素;建立了游荡段深泓摆动强度与该河段前4年平均水流冲刷强度的幂函数关系,并对经验公式进行了验证。