河流动力学进展

从流域产沙、床面形态及河床阻力、泥沙输移、河流形态及其演变、工程泥沙、河流模拟、泥沙测验和环境泥沙等八个主要方面评述了河流动力学研究的内容、方法和现状,分析了存在的主要问题,讨论了未来可能引起关注的若干课题.     

含植物河道水动力学研究进展

提出了基于河道管理、河流修复与水资源可持续发展的含植物明渠水动力学研究理念,强调了含植物明渠水动力学研究的重要意义.从含植物水流的时均阻力特性、紊流机理的物理模型试验研究及数值模拟计算研究等几方面,深入介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究进展.指出:必须进一步解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度的相似模拟;建立柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性之间的定量规律;进一步研究含植物水流各向异性的紊流特性;发展更为精细的大涡数值模型来研究水深较大的复杂的各向异性紊流等有待于深入探讨的问题.     

河流水化学特性与流域泥沙输移的相关性研究

河流中的离子输移与泥沙运动有着密切的关系,通过对流域侵蚀过程中物理化学作用分析指出,流域的离子溶出与流域泥沙侵蚀过程具有伴随性,相应的泥沙和离子输移也具有相关性.通过研究嘉陵江和渭河干流站点的离子输移与泥沙输移的实测资料得出,河流离子输移量与泥沙输移量具有明显的正相关关系.河流中不同种类的离子输移与泥沙输移的相关程度不同,不同河流二者相关关系存在着一定的差异.     

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。     

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。     

含植物河道紊流结构研究进展

自然河流中,水生植物的存在改变了河道中的紊流结构.与普通明渠紊流相比,含植物河道水体掺混更剧烈,紊流结构更复杂.由于紊流结构直接影响河流中泥沙、污染物和营养物的输移,含植物河道紊流结构研究越来越受到重视.从紊流平均结构、紊动特性、拟序结构和紊流类型几方面归纳并总结了国内外研究进展,综合分析了影响紊流结构的因素,提出利用场与点相结合的综合分析方法,对拟序结构的形成及发展过程进行定量刻画,探究植物条件下紊流机理是今后的重要研究方向.     

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。     

河流景观生态学的发展与当前核心议题

河流景观生态学已成为河流科学研究与应用的新范式,但国内研究还颇为不足。从河流景观生态学发展的逻辑必然性、主要进程、基本内容与重要理论等方面进行了总结。结果显示,多尺度跨学科整体论河流认识要求和景观尺度上处理河流问题的实践需求共同推动河流景观生态学的迅速发展,其中心议题是河流物理景观系统与生物系统在不同等级尺度上的结构、格局与功能过程,尤其重视物理景观与不同等级生物系统的相互作用关系,对河流景观多尺度等级性、高动态性和有向性等突出性质的认识已取得重要理论发展。指出当前面临5个方面的核心议题亟需取得突破:改进和统一河流景观分类系统、河流景观跨尺度研究、河流景观方法对经典河流生态理论的再认识、河流景观机理与模拟、河流景观对气候变化与区域土地利用/覆被变化的响应研究。     

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。     

河流与地下水关系的演化及若干科学问题

河流和地下水之间存在着密切的水力联系和频繁的转化关系。近几十年来,受自然因素和人类活动的影响,河流与地下水之间的转化关系趋于复杂化,引起水循环的变化,诱发了一系列生态环境负效益,使水资源及生态问题突显,其中河流与地下水关系及其演化是河流与地下水相互作用中重要问题之一,是属于河流维持机理与地下水可再生能力的基础研究内容。笔者在对河流与地下水转化关系类型划分的基础上,依据室内和野外试验资料,结合地质、水文地质条件,分析了各类型的渗流特征和影响河流与地下水关系演化的因素;从国内外研究现状出发,分析了当前该领域存在的不足和急待解决的有关科学问题,为定量模拟和评价河流与地下水的演化关系提供了科学依据。     

感潮河网区水沙运动的数值模拟

根据感潮河网区水沙运动特征,建立了一维感潮河网区非恒定水沙数学模型,对河网区水沙运动和河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网区内动边界的处理、挟沙力公式的选用、内边界含沙量的确定等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法。采用东江下游感潮河网区的水文和河道地形资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了感潮河网区水沙运动的往复输运特征和河道冲淤的宏观效应。     

Complex variations in sediment transport at three large river bifurcations during discharge waves in the river Rhine

River bifurcations strongly control the distribution of water and sediment over a river system. A good understanding of this distribution process is crucial for river management. In this paper, an extensive data set from three large bifurcations in the Dutch Rhine is presented, containing data on bed‐load transport, suspended bed sediment transport, dune development and hydrodynamics. The data show complex variations in sediment transport during discharge waves. The objective of this paper is to examine and explain these measured variations in sediment transport. It is found that bend sorting upstream of the bifurcations leads to supply limitation, particularly in the downstream branch that originates in the outer bend of the main channel. Tidal water level variations lead to cyclical variations in the sediment distribution over the downstream branches. Lags in dune development cause complex hysteresis patterns in flow parameters and sediment transport. All bifurcations show evidence of sediment waves, which probably are intrinsic bifurcation phenomena. The complex transport processes at the three bifurcations cause distinct discontinuities in the downstream fining trend of the river. Differences among the studied river bifurcations are mainly due to differences in sediment mobility (Shields value). Because the variations in sediment transport are complex and poorly correlated with the flow discharge, prediction of the sediment distribution with existing relationships for one‐dimensional models is problematic.     

高含沙河流的低温输沙效应——以黄河上游巴彦高勒站为例

黄河是世界上含沙量最高的河流,其上游沙漠宽谷河段的冲沙输沙效应受来水来沙和地形条件变化等影响。为研究高含沙河流在低温条件下的输沙效应,通过引入水温因子,建立了黄河上游沙漠宽谷河段巴彦高勒站的输沙率模型。基于First Optimization平台的通用全局优化算法率定参数,验证了输沙率模型,量化了高含沙河流的低温输沙效应。结果表明:①水温越低(1~7℃),河道输沙率越大,表明水温对河道输沙率的影响主要表现在低水温时期;②任意一种工况下,水温1℃时河道输沙率约为25℃时的2.5倍;③低水温(5℃)较常温(16.6℃)下的河道输沙率提高了40.7%,在黄河上游开河低温期进行大流量冲沙输沙是水沙调控的最佳时机。研究成果以期为黄河上游沙漠宽谷河段低水温高效冲沙输沙和其他寒区高含沙河流的治理提供技术支撑。     

高含沙河流的低温输沙效应——以黄河上游巴彦高勒站为例

黄河是世界上含沙量最高的河流,其上游沙漠宽谷河段的冲沙输沙效应受来水来沙和地形条件变化等影响。为研究高含沙河流在低温条件下的输沙效应,通过引入水温因子,建立了黄河上游沙漠宽谷河段巴彦高勒站的输沙率模型。基于First Optimization平台的通用全局优化算法率定参数,验证了输沙率模型,量化了高含沙河流的低温输沙效应。结果表明:① 水温越低(1~7 ℃),河道输沙率越大,表明水温对河道输沙率的影响主要表现在低水温时期;② 任意一种工况下,水温1 ℃时河道输沙率约为25 ℃时的2.5倍;③ 低水温(5 ℃)较常温(16.6 ℃)下的河道输沙率提高了40.7%,在黄河上游开河低温期进行大流量冲沙输沙是水沙调控的最佳时机。研究成果以期为黄河上游沙漠宽谷河段低水温高效冲沙输沙和其他寒区高含沙河流的治理提供技术支撑。     

平原河流水沙界面生源物质迁移转化过程及水环境调控的研究进展

生源物质作为影响水质的重要因素,其在河流中的迁移转换一直倍受关注。水沙界面物质交换过程受众多环境和水动力因素的影响,过程极其复杂,不仅影响着河流生源要素的通量演变规律,还关系到河流水环境问题。为探究水沙界面生源物质迁移转化过程及作用机制,结合国内外研究最新进展,对泥沙颗粒与生源物质的微界面作用、水沙界面对生源物质的迁移转化作用、水流条件对泥沙吸附解吸生源物质作用机理进行总结和概述,总结阐述了河流水质模型和闸坝泵条件下的水环境调控模型,最后指出平原河流水沙运动对生源物质输运作用机理及水环境调控。针对上述已有的研究成果和存在不足,对今后研究方向提出展望。     

黄河下游河道输沙水量及计算方法研究

根据黄河下游1950年以来的水沙、河道冲淤及洪水观测资料,系统分析了黄河下游主要控制站输沙水量与来沙量、洪水量级、水沙搭配、区间引水引沙及河道允许淤积度等因子间的相互关系。在探讨泥沙输移规律和机理的基础上,引入水沙搭配参数,建立了适用于黄河下游主要控制站汛期及洪水期计算输沙水量的数学表达式,量化了水沙条件及河道允许淤积度变化对河道输沙水量的影响程度。该研究对维持黄河健康生命及黄河水资源的规划利用具有重要的理论和实际意义。     

无结构网格上平面二维水沙模拟的有限体积法

基于无结构网格有限体积法的算法框架,通过引入跨单元界面法向水沙数值通量的逆风分解,将悬沙与床沙交换以及分组挟沙力计算模式自然地嵌入二维水沙运动方程组的数值格式中,形成高精度、守恒性好的二维水沙有限体积算法。最后,利用该算法对谭江樟州河段的水沙输运和河床变形进行了数值模拟。结果表明,该算法能够较好地模拟复杂条件下河道水沙输运的往复特征和河床变形的动态过程,其精度满足河道工程后效分析的要求。     

感潮河网二维水流-输运耦合数学模型

感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响,还常受水闸调度等人类活动的影响,水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟,提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器,建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式,结合变量重构限制器技术,在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形,并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明,该模型计算精度高,可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程,具有较好的推广应用价值。