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.     

黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型

采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.     

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。     

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。     

计算明渠非恒定流的一个Lattice BGK模型

分析了Lattice Boltzmann(LB)方法的建模原理,通过比较LB的多尺度方程和明渠St.Venant方程,建立了计算一维明渠非恒定流的一个Lattice BGK模型。对几个典型应用实例进行了模拟分析,与Preissmann隐格式及特征线法作了比较,证明将该方法引入实际明渠非恒定流计算是可行的。     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

三峡库区泥沙絮凝临界条件现场测量

三峡库区絮凝现象是细颗粒泥沙淤积的重要原因,泥沙絮凝临界条件对三峡库区泥沙淤积规律和模拟具有重要意义。在三峡库区忠县和奉节河段开展泥沙絮凝的现场测量,基于声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimeter,ADV）和泥沙采样测得同步的瞬时流速和含沙量,通过泥沙扩散理论反算现场泥沙沉速及絮团粒径,得到了三峡库区泥沙絮凝度及其与粒径、流速和含沙量的关系。结果表明:库区细颗粒泥沙发生絮凝,且多为中轻度絮凝,重度絮凝较少;库区泥沙絮凝的临界粒径约为0.018 mm,临界流速约为0.7 m/s,临界含沙量约为0.8 kg/m3。研究结果可为三峡库区泥沙的运动规律以及泥沙淤积模拟等提供一定的理论支撑。     

水库异重流一维水沙耦合模型

建立了基于库区不规则断面的一维非恒定异重流数学模型,并采用明流与异重流水沙输移模型交替运算的两步模式,即用潜入条件动态判别异重流计算的上游边界位置,将潜入点上游的明流浑水段与下游异重流段计算连接起来。水流运动、泥沙输移与河床变形过程完全耦合,采用TVD(Total Variation Diminishing)形式的MUSCL-Hancock格式进行数值求解。将该模型应用于恒定流量与释放定量悬沙两种条件下的异重流水槽实验模拟,比较了有无水面梯度项对模拟精度的影响,计算结果表明该模型能较为准确地预测异重流的厚度、含沙量分布及传播过程。     

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。     

黄河倒灌渭河的数值模拟

根据渭河下游河道水沙及河床演变特性,提出了黄河倒灌渭河的数学模型.该模型不仅适用于黄河倒灌渭河时渭河下游河道水位、流量、含沙量及河床淤积的数值模拟,也适用于其它双向水流及干支流交汇或分流河段的水沙计算.验证计算表明,该模型能较好地反映黄河倒灌渭河时渭河下游水文泥沙因素变化.     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅱ模型验证

利用所构建的非恒定输沙数学模型,对黄河下游铁谢至孙口河段内的1977年高含沙洪水、1982年大水少沙型洪水以及1996年典型洪水进行了数值模拟.模拟结果证明了数学模型的可靠性,表明该模型不仅能模拟黄河下游河道一般洪水和高含沙洪水的水沙传播、水位变化及河床变形等,而且对模拟现行严重萎缩河道内的洪水演进及河床冲淤特性也有较好的适应性.     

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。     

黄河河口段一维水流泥沙数学模型

针对黄河河口段河道来水来沙特性和河道冲淤演变特点,综合考虑了断面上水沙分布和冲淤分布不均匀,阻力变化、河口三角洲淤积延伸等问题,建立了黄河利津以下河口段一维水流泥沙数学模型。用该模型对多年汛期和冬季河口段内水沙进行验证计算表明:计算结果与实测结果基本吻合。本模型可用来预测河口段内沿程不同时刻水位、含沙量及河床冲淤的变化过程。     

黄河水沙变化趋势及成因分析

自2000年以来,黄河中上游河道非汛期出现变清趋势,黄河呈现"枯水枯沙"的新水沙特征。本文依据黄河干、支流24个主要水文控制站1950-2016年实测水沙资料,采用数理统计法和趋势分析法,分析了60多年来黄河干、支流水沙变化趋势及其影响因素。结果表明:(1) 1950-2016年黄河干、支流各站年均径流量、年均输沙量和年均含沙量随时间总体呈减小趋势,其中2000-2016年(Ⅲ时段)各站年均输沙量和年均含沙量降幅最大。(2) 1950-2016年黄河中游流域干、支流各站年均中数粒径随时间呈减小趋势,黄河水沙状况枯丰期差异显著,但随时间呈减弱趋势。(3)黄河水沙变化是自然因素和人类活动综合作用的结果,近年来黄河中游河道变清是泥沙锐减造成的,其中水保措施、水库工程、河道采砂及流域调水调沙引水引沙是主因,且人类活动影响的比重逐渐增大。     

黄河下游输沙水量研究综述

对输沙水量的计算方法,黄河下游汛期、非汛期输沙水量的研究现状,水库对输沙水量的影响,输沙用水总量的研究现状等方面分别作了回顾。分析指出,输沙水量与来水含沙量、来水流量、河道冲淤、河床前期条件等有关。黄河下游各时期输沙水量不同,汛期最小,其余依次为非汛期、冬三月、凌汛期。水库调水调沙的同时也改变着黄河下游的输沙水量。利用水库群调水调沙,使小浪底水库以造床流量、高含沙水流输沙,是目前推荐的黄河下游节水减淤高效输沙入海的主要方式。提出了一些有待进一步研究的问题。     

Flow and high sediment yield from the Huangfuchuan watershed

This study deals with general features of sediment transport in the Huangfuchuan river, an important branch river of the Yellow river, draining the Loess Plateau in China. The long-term precipitation records at 3 climate stations near the watershed have been used to assess the changes in precipitation in this region. By introducing metrics for runoff and sediment transport, long-term observations on discharge and sediment concentration at the Huangfuchuan gauging station on the Huangfuchuan river have been used to assess the changes in runoff and sediment transport in the Huangfuchuan River compared with those at the Toudaoguai and Fugu gauging stations on the Yellow river. It is found that both runoff and sediment metrics have a clearly downward trend. From July to August, the long-term sediment transport modulus at the Huangfuchuan gauging station is much higher than those at the Toudaoguai and Fugu stations on the Yellow river. The long-term average sediment transport modulus at the Huangfuchuan gauging station are high, ranging from 14000. t/(km² y) but decreasing to 5900 t/(km² y) over the last 10 years. Additionally, analyses on grain size distribution of suspended load in the Huangfuchuan and Yellow river have been conducted.     

穿黄隧洞束窄河道对河段水沙特性的影响分析

利用建立的平面二维非恒定水流泥沙数学模型,在上游来流为10000年一遇的特大洪水过程情况下,就初步拟定的南水北调中线穿黄方案之一的孤柏嘴线路3 0km隧洞工程方案,穿黄隧洞束窄河道对河段水流流态、泥沙运动及河床变形的影响进行了计算和分析比较。计算结果表明,在该洪水过程情况下,穿黄隧洞束窄河道对河段水沙运动特性有一定影响,但影响不大。