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.     

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。     

二维平面非恒定流数学模型的遥感水位数据同化

为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据对于定常参数和时变两类参数的反演效果。试验结果表明,遥感数据提供的空间分布式信息有利于空间分布式参数的反演识别,而且通过引入考虑水面空间变化信息的附加项,可以改善观测信息的同化,更好地辨识时变参数(流量过程)。以Moselle河的RADARSAT卫星遥感水位数据检验了模型的实用性。     

多沙河流平面二维泥沙数学模型研究

针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点,采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程,建立了适合于多沙河流泥沙及河床演变规律的二维数学模型,在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应性,采用了比较简单的动边界处理模式。通过工程实例的计算验证,证实了模型所采用的基本方法是合理的,模型有较强的河床边界适应能力,可用以解决有关多沙河流河床演变预测及浑水洪水预报的有关问题。     

多沙河流的非恒定一维水沙数学模型及其应用

介绍多沙河流上非恒定一维水沙数学模型采用网格上流量与水位交错布置的方案,应用Total Variation Diminishing(TVD)格式求解基本方程,模型具有守恒性好、无虚假振荡、算法简单的优点,克服了断面急剧变化时计算容易失稳的困难。同时,由于采用了适合于多沙河流的泥沙运动基本方程及相关参数,因此,该一维模型能够适应多沙河流高浓度输沙及大幅度冲淤变化的特征,成功模拟了黄河干、支流上的洪水传播。     

双峰型非均匀沙推移运动特性及输移规律

采用图像识别与推移质动态监测技术,开展基于双峰型非均匀推移质的系列水槽试验.通过引入反映床面粗糙度、粘性底层特性与颗粒非均匀度η(粗细比)的综合水流强度函数Ψ_b、特征弗劳德数Fr_b,系统研究了不同水流强度与床沙组成条件下的推移质输移特性以及颗粒非均匀度对输沙率的影响.通过对关键因子的辨识与量纲分析,提出了双峰型非均匀推移质输移模式,建立了基于近壁特征因子的水流强度Ψ_b与非均匀推移质输移强度Φ'的函数关系.对双峰型底沙输移机理的分析表明,非均匀沙的组成特征使得η成为影响Φ'的重要参量;正是细粒对粗粒的解怙作用对粗沙运动产生重要影响,使推移质输移率与颗粒非均匀度间呈现驼峰关系,峰值对应的粗细比η_c约为3∶7.     

河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证

传统的恒定流经验摩阻公式作为对恒定流状态下摩阻的总结,建立在摩阻、流速、水深存在单一关系的基础之上。而非恒定流条件下,水文要素的涨落存在先后顺序,各水文要素之间不再是单一关系。为提高一维非恒定流摩阻的模拟精度,考虑水文要素的时空变化对摩阻的影响,运用量纲分析整理出以微分结构表达的摩阻改进公式。并设计实验模拟单峰水流过程,验证公式改进的有效性。结果表明,相对于谢才公式,改进公式提高了对一维非恒定摩阻的模拟精度,有一定的实用价值。     

非恒定流驱动下床面形态变化特征

为深入认识非恒定流驱动下床面形态的演变规律及尺度变化趋势,采用水泵控制系统生成了一系列历时与洪峰流量不同的洪水过程来冲刷由粗沙组成的实验动床（中值粒径d₅₀=1.95 mm）,研究中运用非恒定流的形态、非恒定性及水流做功参数来量化洪水过程;统计分析河床高程数据得到床面形态的波长、波高及陡度。实验结果表明:在不同尺度的非恒定流洪水作用下,实验动床表面分别形成了沙垄、交错边滩以及介于两者之间的过渡型床面形态;洪水的非恒定性对床面形态尺度的影响最大,其次是水流做功参数,而非恒定流的形态影响较为微弱;在此基础上构建了用于描述非恒定流驱动条件与床面形态尺度响应的定量关系。     

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。     

Suspended sediment dynamics and morphodynamics in the Yellow River, China

The Yellow River in China carries large amounts of sediments in suspension at concentrations up to several hundreds of kilograms per cubic metre; the sediment is composed mainly of silt. These high sediment concentrations influence the hydrodynamics (flow velocity and turbulence) which, in turn, determine the sediment concentration profile, whereas both the high sediment concentrations and pseudo-cohesive properties of silt determine the morphodynamics of the Yellow River. The effect of sediment on the hydrodynamics is analysed using the Richardson number and the Reynolds number to provide a framework to differentiate between various flow regimes in the Yellow River, which is calibrated and validated with Yellow River data. The flow may be sub-saturated (stable flow), super-saturated (unstable flow characterized by high deposition rates, caused by collapse of turbulence), or hyperconcentrated sub-saturated (stable flow because of hindered settling effects), depending on the Richardson number. Independent of this, the flow may be turbulent, transitional or laminar, depending on the Reynolds number. Analysis of these flow types improves understanding of the flow regimes and morphodynamics of the Yellow River. The morphodynamics of the Yellow River are also affected by pseudo-cohesive behaviour caused by shear dilatance, which results in increasing critical shear stress for erosion at decreasing grain-size. This pseudo-cohesive behaviour may be partly responsible not only for the high deposition rates which characterize the lower Yellow River, but also for mass erosion during river floods.     

黄河下游洪水的泥沙输移特征

研究了黄河下游1950-1960年、1969-1985年144次洪水的泥沙输移特征.结果表明:泥沙输移比(SDR)随场次洪水平均含沙量和平均来沙系数的增大而迅速减小;存在着一个使泥沙的输移比达到最大值的最优洪水流量级(4000m3/s左右);场次洪水泥沙输移比与场次洪水最大含沙量之间存在着负相关,当最大含沙量(C_max)>300kg/m3时,泥沙输移比(SDR)<0.50,说明高含沙洪水的输移比是很低的.上中游不同源区的洪水对下游的SDR有显著的差异.来自河口镇以上清水区洪水的SDR大多数大于0.60;来自多沙细沙区洪水的SDR都大于0.50;来自多沙粗沙区洪水的SDR则小于0.50.黄河下游SDR与来自不同来源区洪水的搭配关系有关,SDR随来自粗泥沙区来沙量比例的增大而增大,达到一个峰值,与之相对应的粗泥沙区沙量百分比为50%;对于细泥沙区来沙量比例而言,情形类似,与SDR峰值相对应的细泥沙区来沙量百分比为40%.     

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。     

黄河下游河道边界条件影响输沙效率研究述评

如何高效输沙始终是黄河下游河道治理的一个根本问题,其中河道边界条件对泥沙输送具有重要的影响,这源于两者之间存在的耦合作用。对现有河道边界条件影响输沙效率相关研究进展及存在的问题进行了系统的总结与分析。河道边界条件不仅影响河道空间沿程输沙效率,而且河道边界条件的演化还决定了输沙效率的时间调整过程。这种影响在不同输沙计算方法(水文学方法、水动力学方法)中的表现形式有所不同,但反映物理本质相同,彼此之间存在一定的联系。能否反映水沙运动与河床变形之间的相互作用及耦合特性,这是判断输沙模拟有效性的关键所在。河道输沙与河床变形作为泥沙赋存状态同一问题的两个方面,提出了从河床演变学角度研究输沙效率的问题,为相关研究的开展提供思路与参考。     

水沙运动一、二维分区耦合虚拟点算法

建立了一种计算具有多空间尺度水沙运动的一、二维分区耦合虚拟点算法。该算法通过在一、二维区域的交界面定义虚拟点,并利用有限元的非结构化网格与单元叠加的特点,将所有一、二维区域连接点的影响系数集成到总体阵中虚拟点的元素上,实现不同分区之间的强耦合作用。同传统的使用简单匹配条件的一、二维分区弱耦合算法相比,该方法可以提高分区耦合计算的稳定性。对算法的正确性用一河口算例进行了检验。     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。