黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.     

黄河泥沙冲淤数学模型研究

应用作者提出的动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调正及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系,建立了黄河下游及水库河床变形计算一维数学模型。经1960年～1988年共28年实测水沙资料的验证计算,结果与实际基本符合。该模型的特点是可预报各种水流及河床边界条件下的动床阻力;可同时计算确定混合沙中各粒径组的推移质、悬移质挟沙力、含沙浓度垂线分布及上滩水流含沙量;能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲的实际情况;能够基本反映泥沙多来多排及高含沙水流的冲淤特性;能综合反映出来水流量、含沙量及级配的调节变化产生的输沙冲淤差别。应用该模型计算黄河小浪底水库库区及下游河道的冲淤,成果比较合理。     

床面附近泥沙交换率在悬移质输沙计算中的应用

总结并分析了关于悬移质运动方程的源/汇项或底部边界条件的已有的处理方法.认为在悬移质输沙计算中,这些方法因引入了平衡输沙概念、忽略了推移质颗粒对悬移质运动的影响或因缺乏床面附近泥沙质量交换率的理论表达式,均存在着某些不足.运用床面附近泥沙质量交换率理沦,对一般的悬移质输沙方程的底部边界条件进行了新的探讨,并提供了关于一维和垂向二维悬移质输沙的计算实例.     

黄河下游限制弯曲段河道冲淤数学模型

模型对黄河下游特有的来水来沙条件及河床边界条件下的河道冲淤规律进行了模拟。根据不平衡输沙理论,结合天然河道实际情况,将河道断面进行滩槽划分,采用综合阻力公式反映水沙条件变化,沉速计算考虑了含沙量特别是细颗粒影响,模型可应用于高含沙水流。验证结果与实测资料基本符合。     

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.     

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。     

细颗粒对粗颗粒床沙质输沙率影响的初步研究

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法.该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的一个重要因素.与黄河实测资料的对比表明,该计算方法能够反映高含沙紊流输沙时随流域细颗粒增多粗颗粒悬移质输沙率相对增大的现象,并具有较好的计算精度     

长江中下游河道采砂对入海泥沙的影响

河道采砂可对河道的稳定性、航运安全、生态环境等造成重要影响。河道采砂可能会增加河流的输沙,也可能会减少河流的输沙。长江中下游河道的采砂量虽然很大,但却不是导致入海泥沙减少的主要原因,由河道采砂引起的河流输沙减少的相应比例应该不到采砂量的10%。汉口站和湖口站的来沙减少是造成大通站输沙减少的最主要原因。     

冲积河流泥沙输移幂律函数指数变化规律

冲积河流泥沙输移幂律函数关系与不平衡输沙理论是对河道不平衡输沙同一物理现象的不同描述,两者既有区别也有联系。比较研究发现:对于恒定均匀流不平衡输沙过程,当输沙位于近平衡态时两者含沙量导函数表达式具有一阶近似等价性,当输沙远离平衡态时前者含沙量导函数中隐含考虑有泥沙恢复饱和系数的变化。基于两者等价性,推导建立了幂律函数指数计算表达式,表明指数随泥沙沉速、单宽流量和沿程距离而变化,且随着输移距离的增大呈指数衰减。基于前者含沙量导函数表达式结构特点,分析建立了相应泥沙恢复饱和系数变化的计算表达式。综合以上成果,改进提出了一种变幂指数的泥沙输移幂律函数计算模型。对库里·阿雷克沉沙池沿程断面输沙指数及含沙量计算结果表明,不同距离过水断面输沙指数的变化规律是合理的,含沙量计算值与实测值变化趋势基本符合。     

泥沙扬动临界条件研究

研究泥沙交换的临界条件对探讨河床变形机理以及河床演变的模拟计算都具有实际意义.通过考虑近底紊流对泥沙颗粒扬动的影响,导出了泥沙颗粒扬动的临界条件.利用所提出的以扬动概率表示的扬动标准对现有研究成果进行了分析比较.     

海洋环境沉积物输运研究进展

海洋环境中沉积物的输运涉及复杂的过程和机制。20世纪后半叶发展起来的悬沙输运数学模型已经成为海洋沉积动力学的一个有力的研究工具。悬沙输运数学模型的有效运行需要正确的数值解法和模型中所含参数的确定,包括悬沙沉降速度、扩散系数、底床糙度和切应力,以及底边界上的沉降-再悬浮通量。由于复杂的水动力条件、屏蔽效应以及海底生物扰动等因素的作用,海洋环境推移质输运的经验、半经验公式具有一定的局限性。因此,充分考虑以上各种因素是正确预测海洋环境中推移质输运的关键。海洋环境沉积物输运理论的进一步发展需要着重进行各种过程和机制的研究,而这项工作依赖于高精度、高分辨率现场观测仪器的发展和更先进的颗粒态物质运动理论的建立。     

波流边界层水沙运动数值模拟——II.泥沙运动模拟

为解析波流边界层内泥沙运动,建立了基于水动力-泥沙-床面互馈过程的波流边界层1DV泥沙数学模型,可用于模拟不同床面形态下粉沙-沙的含沙量过程。床面形态模块提供床面形态类型和相应参数;给出了平底和沙波床面粗糙高度和泥沙扩散系数的确定方法;采用了适宜粉沙及沙的制约沉速、底部参考浓度和起动剪切应力等公式;引入含沙量层化效应和制约沉降反映水动力与泥沙之间的相互影响。水槽试验资料验证表明,建立的模型较好地模拟了不同床面不同波流组合条件下的含沙量剖面。在此基础上,讨论了不同床面含沙量剖面模拟方法的差异,指出床面形态是决定含沙量变化的重要因素之一,仅通过改变床面粗糙高度不足以反映漩涡沙波床面的含沙量剖面特征。该模型可为研究波流边界层内泥沙运动和物质输运提供工具。     

沉积物粒径趋势分析:原理与应用条件

长期以来,沉积学家尝试用粒度数据来识别沉积环境的类型或判定物质运动的方式,但只取得了部分成功。粒度参数还有一项可能的用途,即用其平面差异来获取物质输运信息。沉积学家将粒度参数的平面差异定义为“粒径趋势”,并建立了以“粒径趋势分析”为基础的定性物质输运模型。粒径趋势分析的基本科学问题包括:如何提取粒径趋势信息;如何确定含有物质输运信息的粒径趋势类型;粒径趋势分析的应用条件是什么。粒径趋势信息可通过粒径趋势矢量的定义及其各向异性显著性的检验而获得,而经验证据也显示,含有物质输运信息的粒径趋势类型是存在的。初步研究表明,粒径趋势分析应满足以下条件:粒径趋势矢量具有显著性;底质采样深度应代表同一时间尺度;平面采样间距应符合地统计法的规则;避免使用位于采样网格边缘上的采样点的粒径趋势矢量;沉积物样品应属于同一个输运体系或研究区处于堆积状态。但是,由于不同来源的物质混合、源区沉积物特征及变化、不同水动力条件下的物质输运、悬沙沉降、溶解态—颗粒态物质转换、物质输运动力的侧向分布等因素与粒径趋势形成之间的关系还不够明确,因此这些条件还不是完备的,这个问题的解决依赖于粒径趋势形成的过程和机制的进一步研究。     

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。     

海洋沉积物动力学的示踪物方法

本文的论题是示踪物方法在海洋物源追踪和沉积物输运率计算中的应用 ,以及示踪物方法的普适性理论框架。定量的物源追踪需要适当的示踪标记和物质混合模型 ,有必要根据沉积动力过程的研究来确定示踪标记的变换函数 ,从而将改进的示踪标记用于混合模型分析。人工示踪物实验的现有方法以空间积分法最为常用 ,其关键是示踪物质心运动和沉积物活动层的界定。天然示踪物的质心位置是无法定义的 ,因此不能借用传统人工示踪物方法来估算物质输运率 ;在某些特殊情形下 ,可以利用天然示踪物的质量守衡原理来获得物质输运信息。今后 ,以示踪物质的连续方程为基础 ,有可能建立一种同时适用于人工和天然示踪物的普适理论框架。其中需解决的问题包括示踪物与现场物质的差异、沉积速率和活动层厚度的时间尺度、沉积物扩散过程等。     

沙质河道冲刷不平衡输沙机理及规律研究

通过动床水槽试验,观测沙波运动,揭示了湍流扫荡河床使表层床沙产生频发的群体起动冲刷现象。据此,提出了床沙交换及冲刷粗化分二个层次的物理模式;分析了冲刷时表层床沙粗化的必然性,确定了悬移质扩散过程中适于非均匀沙河床的新的近底边界条件。依据所建立的不平衡输沙立面二维数学模型,计算了大量不同情况下的含沙量扩散恢复过程,据此总结出了冲刷时含沙量恢复饱和系数α的预报公式及变化规律。     

Sensitivity of incipient particle motion to fluid flow penetration depth within a packed bed

A discrete element method is applied to a three‐dimensional analysis related to sediment entrainment on a micro‐scale. Sediment entrainment is the process by which a fluid medium accelerates particles from rest and advects them upward until they are either transported as bedload or suspended by the flow. Modelling of the entrainment process is a critically important aspect for studies of erosion, pollutant resuspension and transport, and formation of bedforms in environmental flows. Previous discrete element method studies of sediment entrainment have assumed the flow within the particle bed to be negligible and have only allowed for the motion of the topmost particles. At the same time, micro‐scale experimental studies indicate that there is a small slip of the fluid flow at the top of the bed, indicating the presence of non‐vanishing fluid velocity within the topmost bed layers. The current study demonstrates that the onset of particle incipient motion, which immediately precedes particle entrainment, is highly sensitive to this small fluid flow within the topmost bed layers. Using an exponential decay profile for the inner‐bed fluid flow, the discrete element method calculations are repeated with different fluid penetration depths within the bed for several small particle Reynolds numbers. For cases with slip velocity corresponding to that observed in previous experiments with natural sediment, the predicted particle velocity is found to be a few percent of the fluid velocity at the top of the viscous wall layer, which is a reasonable range of velocities for observation of incipient particle motion. This method for prescribing the fluid flow within the particle bed allows for the current discrete element method to be extended in future studies to the analysis of sediment entrainment under the influence of events such as turbulent bursting. Additionally, predictions for the slip velocities and fluid flow profile within the bed suggest the need for further experimental studies to provide the data necessary for additional improvement of the discrete element method models.     

Porosity and size gradation of saturated gravel with percolated fines

Fine particles may infiltrate through coarse alluvial beds and eventually saturate the subsurface pore space. It is essential to understand the conditions that lead to bed saturation, and to forecast the packing characteristics of saturated beds to assess the effect of excess fine sediment supply on a number of processes that occur in the stream–sediment boundary. To address this problem, in this study, a new method is introduced to predict the grain‐size distribution for the saturated condition, and the resulting porosity decrease, given the characteristics of the bed and the supplied sediments. The new method consists of the numerical aggregation of infilling fines in a finite bed volume, during which the bed properties change to affect further infilling. An existing semi‐empirical, particle packing model is implemented to identify these properties. It is shown that these types of models are adequate to describe regimes of natural sediment fabric quantitatively, and are thus useful tools in the analysis of sediment infiltration processes. Unlike previous developments to quantify saturated bed conditions, which assume that the supplied material is uniform and finer than the bed pore openings, the method developed herein considers poorly sorted fines, and can identify size fractions that are able to ingress into the bed due to being smaller than the particles that form the bed structure. Application of the new method to published experimental data showed that the final content of infiltrated fines is strongly sensitive to the initial bed packing density, highlighting the need to measure and understand open‐work gravel deposits. In addition, the new method was shown to be suitable for assessing the degree of bed saturation, when it was applied to a published data set of field samples.