水生植物对水沙运动影响的三维湍流模型

水生植物的存在改变了明渠内水流的流动结构,也影响着泥沙的输运。建立三维湍流模型,在水流控制方程中加入植被阻力项和植被密度项来考虑刚性植物对水动力特性和泥沙输运特性的影响。应用该三维数值模型计算了矩形水槽内淹没植被对水流水平时均流速垂向分布的影响、复式明渠边滩栽种挺水植被对水流深度、平均流速分布以及植被岛周围泥沙床面的冲淤变形的影响。数值计算结果与实测结果吻合良好,表明本模型可以有效地描述刚性水生植物对水流泥沙运动的影响。     

单向明渠流与波浪作用下植被对水沙运动影响研究综述

作为河、湖以及滨海湿地生态系统中必不可少的组成部分,水生植被具有重要的生态服务价值,且许多生态服务价值是通过改变水体动力条件实现的。含植被水流研究不仅可用于科学阐明水生植被的生态环境效应,还能指导河湖生态系统修复及污染治理的工程实践。本文考虑单向明渠流与波浪2种水动力环境,对国内外有关水生植被对水流结构以及泥沙运动影响研究的主要成果进行梳理。单向明渠流条件下,植被对水动力的影响研究主要集中于植被对水流阻力的影响以及冠层内水体的紊动结构与紊动尺度特征;波浪条件下,植被对波高与波浪流速的减弱作用以及冠层内水体的时均与紊动结构特征是研究重点。受水动力条件控制,植被影响下的泥沙运动特征也受到广泛关注,且研究焦点为单向明渠流条件下水生植被对泥沙起动与输移的影响以及波浪条件下植被对床底泥沙再悬浮的影响。     

粘性泥沙分层运动特征的试验研究

应用水槽试验研究了粘性泥沙的运动特性及水流条件和泥沙浓度对粘性泥沙运动的影响。实验结果表明,在一定的水流和泥沙浓度条件下,粘性泥沙运动存在着特殊运动形式——"分层运动","分层运动"形成时水槽中泥沙浓度沿垂线分布成"阶梯"形状,水流流速沿垂线分布为中部最大,向水面和水槽底部方向流速减小。分层运动的形成及其特征与水流条件泥沙浓度等因素密切相关,不同的泥沙浓度下形成分层运动的水动力条件不同,泥沙浓度增加,形成分层运动的水流强度也相应增加。     

泥沙知识痤讲 (三)推移质运动

河流泥沙运动的主要形式有沿床面滚动、跳跃和悬浮。此外在个别条件下可能发生滑动(当床面光滑时)和床面成层移动(当水流强度很大时)。悬浮运动的泥沙称为悬移质;滚动、滑动、跳跃、层移的泥沙称为推移质。推移质运动是由底部水动力和颗粒碰撞所引起,只发生在床面附近的区域(底层)内。1.泥沙起动当水流速度由小增大到一定数值后,床面上原来静止的个别泥沙,或因其粒径较细,或由于其位置突出,再碰上较大的纵向瞬时流速,就开始滚动。此时这种泥沙处于起动状态;而相应的水流时均速度则称为该类泥沙的起动流速。泥沙起动流速关系到开始测验推移质的时机,不冲渠道的设计、河床冲刷的极限深度,以及截流和抢险抛石的尺寸等等,故有重要的实用意义。泥沙起动时所受的作用力有:水流正面推力 P=     

河流管理中含植物水流问题研究进展

河流管理涵盖灌溉、防洪、河流生态、环境等众多内容,其目的在于保护和恢复河流生态系统的整体生态功能。植物是具有生态功能河流的重要特征,为动物提供了栖息地,是维持河流健康发展的重要因素。由于植物的存在改变了水流运动特性和泥沙及污染物输移规律,含植物水流问题引起了河流管理领域的广泛关注,并且成为河流动力学新的重要的研究课题。回顾了当前国内外河流管理中含植物水流问题研究的主要成果,归纳为水流阻力、紊流结构、泥沙运动和被动标量扩散输移四个方面的研究内容,详细介绍了重要的研究方法、结论和量测手段,讨论了含植物水流问题当前研究存在的不足,并指出今后的研究趋势。     

明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展

明渠非恒定流流速分布及非恒定流作用下推移质运动分别是水力学和泥沙运动力学研究中的重要问题之一。近几十年来,国内外许多学者在这些领域做过很多探索,取得了一定进展,也存在较多问题。在总结相关研究成果的基础上,简述了明渠非恒定流试验方法、流速分布、床面切应力、非恒定流输沙与水流运动不同步现象、产生原因、以及非恒定流推移质输沙公式等方面的成果,指出了现有研究中存在的不足,提出了需要进一步研究的关键问题:应用先进的量测仪器,研究非恒定流作用下非均匀沙运动输移规律。     

输移型泥沙灾害及其特征初步研究

近年来,泥沙灾害越来越引起人们的重视.输移型泥沙灾害是泥沙灾害的子类型.本文提出了输移型泥沙灾害的基本概念,并对输移型泥沙灾害的类型和特征进行了初步的探讨.根据输移介质的不同,输移型泥沙灾害可进一步分为风力输移型和水力输移型泥沙灾害.风力输移型泥沙灾害主要包括浮尘、扬沙、沙尘暴和沙丘移动等,这类泥沙灾害主要发生在干旱-半干旱地区,但影响范围很广.以水流为搬运介质的输移型泥沙灾害主要有泥石流灾害、高含沙水流灾害和一般挟沙水流灾害,另外还有以水为介质,以重力搬运作用为主的泻溜、土体蠕动等灾害.水力输移型泥沙灾害仅限于流域,涉及范围较小,出现的频率较低、幅度较小,其灾害表现形式为在冲刷、淤积和河床演变过程中对人类产生危害,具有伴生性、潜在性、突发性和链锁性等特征.     

泥沙起动概率的高速摄影测量方法

为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近.     

床面附近泥沙运动的分析

基于水、沙两相的分相测量试验结果,分析了床面附近泥沙颗粒的脉动和力学特性,指出床面附近的泥沙运动有着特殊的力学机制:颗粒相具有较强的非湍流脉动,其产生的脉动应力对颗粒的运动起着重要作用。论述了沙粒在水流中从推移运动到扬起悬浮的物理过程,讨论了过去一些理论中存在的问题和不足,概括了泥沙颗粒在水流中从床面扬起的基本模式,运用两相流理论分析了沙粒在水流中扬起的动力学机理。根据颗粒运动的垂向动量平衡原理,对泥沙颗粒的垂向浓度分布规律作了新的分析解释。证实了除浓度梯度之外,颗粒相的垂向脉动强度梯度也是泥沙扩散的重要扩散势,进一步揭示了悬移质浓度垂线分布存在两种类型的内在机理。     

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.     

The motion of sediment-water mixtures during intense bedload transport: computer simulations

A new model, which couples fluid and particle dynamics, has been developed to study the motion of the sediment-water mixture during intense bedload transport, including the velocity profiles of both sediment and water, the roughness length of an upper plane bed and the thickness of moving sediment layers. Standard mixing length theory is used to model the motion of water above the boundary between the overlying water and the sediment-water mixture. The turbulent flow within the moving sediment layers is described by a shear stress model, in which the effective viscosity of the flowing water is proportional to the velocity difference between the fluid and the sediment. The particle dynamics method, in which the equations of motion of each of many particles are solved directly, is applied to model the movement of sediment particles. The particle-fluid interaction is expressed by a velocity-squared fluid drag force exerted on each sediment particle. Both computer simulation results and theoretical analysis have shown that the velocities of both sediment and fluid during intense sediment transport decrease exponentially with depth in the top layers of a fast-moving sediment—water mixture. The thickness of the moving sediment layers, obtained from the computer simulation results, is proportional to the shear stress, which agrees with previous experimental observations.     

龙游石窟1号洞破坏成因及加固对策研究

龙游石窟1号洞和其他4个洞体,开发16a来,在取得了丰硕的社会经济效益和学术成果的同时,洞体在自然力的作用下,出现了严重的破坏。构成石窟的柱、墙和顶板陆续出现裂缝。其原因是构成洞体的泥质砂岩易于风化、易于流变,在干湿交替和温度变化的情况下极易破坏。同时处于浅埋状态的洞室顶板、柱子、墙体强度不足,在自重作用下发生以冲切、剪切、弯曲为主要特征的破坏形式。开发时施加的外部荷载加剧了这种破坏。针对这些破坏形式,加固方案宜采用整体设计分步实施的方案。先柱墙,后顶板。柱墙加固以柱支撑为主要手段,顶板以梁支撑为主要手段。两者相互联系形成一个美观的加固体系。     

Changes in the critical erosion velocity for sediment colonized by biofilm

In flowing water the incipient motion of sediment can be affected by the presence of microbial biofilm growth. This article documents a series of flume experiments using non‐uniform sediments, in which sediment entrainment was investigated for cases where the sediment was immersed in deionized water, so that no biofilm developed, and for cases where a bio‐sediment was cultivated by placing the sediment in a mixture of natural water and nutrient solution. Differences in entrainment and the velocity at incipient motion were measured over an eight week period, as biofilm grew. It was found that the incipient motion phenomena were quite distinct between the two kinds of sediment. Sediment with biofilm was more stable and, over time, incipient velocity increased to a threshold level, before declining. Biofilm development is clearly an important control on the stability of sediments, especially in eutrophic water bodies. Two incipient velocity formulas were derived for sliding and rolling conditions. Film water theory was utilized to describe the cohesive force between sediment particles and the adhesive force generated by biofilm was introduced into the formula derivation; the time variation characteristics of biofilm strength and the features of the substrate were also taken into consideration. Such analyses can help to predict sediment transport changes due to biofilm presence in nutrient‐rich water bodies.     

心墙堆石坝渗透稳定可靠性分析的随机响应面法

将大规模渗流有限元计算与随机响应面法相结合,对双江口心墙堆石坝进行渗透稳定可靠性分析。在基于随机响应面法的可靠度分析框架内,堆石坝稳定渗流有限元计算过程和可靠度分析过程分开独立进行,通过对心墙渗透坡降较大区域的节点建立统一的渗透稳定功能函数,采用渗流有限元分析方法和随机响应面法,计算出该区域每个节点处的渗透破坏失效概率,并将最大失效概率作为心墙的失效概率。最后,分析了心墙渗透系数、覆盖层渗透系数、上游水位与心墙具有最大失效概率节点处渗透坡降的相关关系,以及心墙渗透系数和上游水位的变异性对心墙渗透破坏失效概率的影响。计算结果表明,随机响应面法3阶Hermite展开就能够保证良好的计算精度,且计算耗时较小;双江口堆石坝心墙具有最大失效概率节点处的渗透坡降与上游水位密切相关,而与心墙本身的渗透系数呈弱负相关关系,与覆盖层渗透系数的相关性不显著;随着上游水位变异性的增大,心墙失效概率急剧增大,而这种效应对于心墙渗透系数并不明显。研究成果为随机响应面法在实际工程中的应用奠定了一定的基础。     

考虑起动概率的无粘性均匀沙起动条件

根据无粘性均匀沙起动的力学条件,在已有研究成果基础上,推导出泥沙起动概率与水流条件之间的关系式,得到考虑起动概率的起动切应力及起动流速公式,并将起动条件与起动标准联系分析.通过对现有几个典型无粘性均匀沙起动条件公式分析表明,本文公式较为合理.     

泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅰ.起动实验设计及结果分析

天然水体中泥沙颗粒表面容易生长生物膜,生物膜的生长会对泥沙颗粒的运动特性产生显著影响。设计了泥沙颗粒表面生长生物膜的实验,以及生长生物膜后泥沙颗粒的起动水槽实验。在水槽观测段分别放置由去离子水浸泡和天然水培养的两种泥沙,对比观察两种泥沙起动过程的区别,分析起动流速的差异和随培养时间的变化规律。结果表明,天然富营养水体中生物膜生长繁茂,对泥沙起动特性有着显著的影响,能够增强泥沙颗粒的抗冲性,并随时间呈现出先逐步增强到一个最优值后有所削弱的钟形曲线的变化趋势,表明在研究天然河流和湖泊尤其是污染严重的水域的泥沙起动时,需要考虑到生物膜的作用。     

考虑污染源强随机变化的感潮河流环境容量优化

考虑污染源强随机变化和感潮河流潮周期内动态水文条件对水质的影响,建立了优化污染负荷分配的流域水质管理模型。模型以总的允许排污量最大为目标函数,流域的水质控制点达标为约束条件。假设排污量是服从对数正态分布的随机变量,并且以潮周期内水质达标的概率作为衡量控制点达标的依据。采用遗传算法对该随机规划模型进行求解。研究结果表明,污染负荷优化分配结果能够满足随机条件下的水质达标率要求,并且与传统的确定性线性规划模型的分配结果相比有着明显差别。同时证实了遗传算法能够有效地解决复杂的随机规划模型。     

Environmental status of the metropolitan river (Kifissos) of Athens,Greece

Surficial and sub-surficial sediments obtained from the lower course of the Kifissos River, which drains the Athens Basin, have been analyzed for heavy metals and aliphatic and polycyclic hydrocarbons. Oddly, the calculated enrichment factors for the identified heavy metals, with the baseline taken from a pristine area in the adjacent Saronikos Gulf, are very low excluding only those related to Cu and Zn. In contrast, the enrichment factors for the measured hydrocarbons are particularly high. However, physicochemical water conditions and annual flushing episodes of the Kifissos River may have reduced significantly the sediment chemical fingerprint found out by the present study. Moreover, an evaluation of the fluvial sediment quality based on the enriched Cu and Zn amounts and concentration of PAH fraction with a consideration of the biological thresholds proposed by the National Oceanic and Atmospheric Administration (USA) reveals little probability for serious biological impairments. Additionally, sediment toxicity due to the sediment PAH load may be considered as minimum.