高含沙水流特性和滩槽冲淤特征浅述

综述高含沙水流特性和滩槽冲淤特征的国内外相关研究进展,国内相关学者在产、汇流特性、流变特性、流动特性、输沙特性等方面做了大量的研究工作,国外目前关于高含沙水流的研究遵循与借鉴了我国的方法和理论。对滩槽冲淤特征的研究大多集中在黄河、渭河流域,成果集中在对河道冲淤规律的探讨和冲淤机理、冲淤特性、输沙用水量等的研究,对泾、渭河高含沙洪水的异常现象如洪水位抬高、贴边淤积等的研究相对较少,需进一步研究探索。     

平面二维水流泥沙数值模拟

基于三角形网格划分,采用有限元方法,建立了河道平面二维水流泥沙数学模型。采用质量集中的简化处理和预估校正的时间推进算法,较好地解决了有限元计算存储量和计算速度问题。以空腔流和突扩段两种情况为例对模型进行了检验计算,结果表明,模型能较好地模拟河道水流泥沙运动及河床变形情况,且计算稳定性好、速度快、精度较高。     

平面二维溃堤水流泥沙数值模拟

基于一阶迎风格式平面二维河道溃口水流模拟,建立了非均匀沙模型并用于模拟平面二维溃堤水流泥沙及河床变形。给出了实际算例,证明该模型计算速度快,精度高,符合水流泥沙运动基本规律。     

高含沙浑水静态剪切应力的试验研究

以试验为手段对高含沙浑液的静态剪切应力进行了探讨,得出静态剪切应力比用压力式流变仪测出的动态剪切应力要大,其差值随着静态时间的增长而加大,且与含沙量成正比,与粒径成反比的定性结论。配合水槽概化试验,论述了静态剪切应力的存在使高含沙水流层流区的阻力随时间增长而加大;静态剪切应力的存在也是造成河道滩槽贴边淤积和滩地高含沙水流整体停滞的根源,是河槽形成"自然堤"的主要因素。     

过渡段对连续弯道水流影响的数值模拟

通过分析不同长度的过渡段对连接连续弯曲河道后弯水流的影响,探讨航道整治工程设计中过渡段长度的确定依据。在模型试验资料验证的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法处理自由水面的水气两相流数学模型,对连续弯道水流进行模拟计算。对比不同过渡段长度条件下后弯水流特征的变化情况,发现增加过渡段长度可以减弱前弯对后弯水流的影响。当相对过渡段长度大于一定数值后,后弯的特征水流情况保持稳定,增加过渡段长度所引起的减弱前弯水流对后弯水流影响的效应基本丧失。以后弯水流条件趋于稳定为特征定义临界过渡段长度,可作为航道尺度设计中过渡段长度取值的计算基础。     

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。     

水流运动的能量方程在机井配套中的应用

本文通过解放军陆军第三医院深机井配套实例,阐述了水流运动的能量方程在机井涌水量、下泵深度校核及水泵扬程中的计算方法,这对水利工程中广泛应用能量守恒原理具有重要的实践意义.     

漫滩恒定明渠水流的三维数值模拟

采用Naot-Rodi代数应力模型(N-R模型),结合非均匀交错网格下的混合有限分析法(HFAM)来计算漫滩水流的三维流动。为了得到稳定的收敛解,作了两点改进:其一为非均匀网格中数值离散的导数项二阶格式的引入;其二为复式断面分块耦合技术的采用。给出了漫滩水流主流速等值线、二次流的断面分布、垂线平均流速的横向分布以及主槽与全断面流量比随相对水深的变化规律。部分结果与实验资料的对比,表明NR模型和HFAM能较好地用于研究漫滩水流流速、流量和水位的关系。     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

基于MODFLOW的岩溶管道水流模拟方法探讨与应用

针对岩溶管道水流特征,选取广西寨底岩溶流域为研究对象,分别采用三维有限差分地下水流动模型(MODFLOW)中的Drain和River模块概化模拟岩溶管道特征,结合管道内上游、中游及下游三个观测孔对比分析两种方法的适用性,结果表明：末期等水位线图中位于管道两侧处流线均有形状突变,符合实际管道水流动态特征,且能模拟出管道内水位变化趋势。最后分析两种方法模拟管道水流的原理,Drain模块中岩溶管道仅起排水作用,不允许管道内水流流向周围含水层,而River模块允许岩溶管道水与周围含水层水流交换,因而相对Drain模块而言,应用River模块概化模拟岩溶管道更加精确。      

振荡流底层悬沙运动的数值研究

建立了平底振荡流底层立面二维水沙数值模型,利用Smagrionsky(SGS)格子涡模型封闭二维Navier Storkes方程水流运动方程组,控制方程采用SMAC法求解。该模型能较精确地模拟振荡流底层水流流动特性,以及含沙量沿垂线分布和随相位变化的情况,且与水槽实验的实测资料基本吻合。     

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。     

河网非恒定水沙数学模型研究

建立了能够适用于多种情况的河网非恒定流水沙数学模型。推导提出了河网泥沙方程组的分级解法,提出了适用于河网计算的汊点分沙模式,分析和对比了多种分沙模式的适用性,对河网区域中可蓄水汊点也提出了相应的处理办法。采用汉江杜家台分蓄洪区的资料作了模型的验证和应用。     

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。     

三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙输移数学模型

黄河是高含沙河流,含沙量季节差异显著。因此研究黄河干流的非恒定水沙输移规律以及库区泥沙的淤积问题极为重要。应用圣维南方程组以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙含沙量计算公式,并根据沙量平衡方程推求出三门峡库区河底高程的变化规律。使用已有的资料对模型进行的验证表明:模型计算与实测资料符合良好,该模型具有较好的应用前景。     

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。     

潮间带滩涂沉积物与水体热通量模拟

为了揭示滩涂对近岸水温影响,开展潮间带滩涂沉积物与海水之间热量交换研究。以韩国西南海岸的滩涂为例,建立滩涂沉积物温度模型,模拟不同潮汐状态下沉积物垂向剖面温度以及沉积物与水体间的热通量,并分析了季节、滩涂位置、潮位-太阳辐射相位对热通量的影响。研究表明:模拟出的沉积物温度与实测值吻合较好。沉积物与水体存在大量热量交换,且集中在淹没后的前3 h,最大热通量可达398.7 W/m2。冬季月份海水向滩涂净传热。夏季月份滩涂向水体净传热,且当滩涂淹没时刻发生在当地正午或正午过后3 h内,滩涂传递给水体的热量相对较大,达2.0 MJ/（m2·d）;累积热通量随滩涂干滩率的减小而减小。研究成果为进一步深入研究滩涂影响下近岸水温变化提供了技术支撑。     

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响,构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型,通过生成不同的渗透系数随机场,讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明,所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场,模型具有良好的适用性;均质或非均质河床沉积物情景下,水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系,潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明,较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率,但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。     

河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究进展

河道内水流和泥沙是污染物迁移转化的主要载体,研究河道内污染物迁移转化过程以及水沙运动对其影响对于治理日益恶化的河流水环境非常重要。结合国内外研究最新动态,对水沙运动作用下污染物迁移转化的试验研究、作用机理、理论模式和数学模型等进行了总结和概述,重点对几种典型的理论模式和数学模型进行了比较分析。目前河流水沙运动对污染物迁移转化效应相关研究存在试验方法比较局限、作用机理存在分歧、理论模式和数学模型不完备等问题,需要进一步进行室内和野外试验技术创新、颗粒界面动力学的微观探索以及污染物在上下覆水和界面上迁移转化理论研究。对河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究的研究方向提出了展望。