江心洲头部冲淤动力临界特性

不同流量级下,分汊河段进口主流摆动导致江心洲头部的平面冲淤分布呈现出复杂变化特征。为探究江心洲头部冲淤与来流过程之间的响应关系,借助长江中下游多个分汊河段内水沙、地形资料,对江心洲头部水动力特征实施了数值模拟,并对不同流量级下的河床变形强度进行综合比较。研究表明:江心洲头部低滩的冲淤动力随着流量涨落呈现出明显的临界特性,冲淤过程中存在大、小两个临界流量Q₁与Q₂,在介于两个临界流量之间的流量级持续作用下,洲头低滩发生冲刷;流量大于Q₁或小于Q₂时,洲头低滩表现为淤积。由于不同流量级造成的冲淤效果不同,因而水文过程中各级流量的持续时间,是影响洲头低滩年内、年际变形的主要因素。     

分汊河流江心洲洲头冲淤概化模型

分汊河流的江心洲洲头是分汊河段分水分沙和泥沙冲淤的动态区域,其冲淤过程受来水来沙和地形条件变化呈现冲淤交替。通过几何概化洲头的浅滩逆坡和侧向顺坡,考虑逆坡促淤和顺坡分沙作用,建立洲头浅滩的推移质冲淤的概化模型,推导洲头由淤积转向冲刷的临界流量表达式。上游来流量增加,洲头淤积速率先增加到最大值后逐渐减少,直至达到临界流量,再转向冲刷。洲头淤积速率与上游水面纵比降和床沙粒径成正比,与浅滩逆坡、侧向水面比降与顺坡成反比。若其他条件相同,洲头浅滩形状越不对称和上游来沙量越小,越有利于冲刷。模型预测武汉河段天兴洲的临界流量范围与水文观测值较为接近,对其出现超过某个大临界流量仍出现淤积的特殊性,给出的新解释是天兴洲洲头的整治工程使得在大流量条件下洲头抵抗冲刷和阻挡作用促进泥沙淤积。     

江心洲型河流的成因分析

以往关于江心洲型河流的成因分析,多强调江心洲河型与其它河型的差异性,而忽略了江心洲河型与弯曲型河流在本质上的相似性。本文的研究表明,江心洲河型在其本质上并不是介于弯曲型和游荡型河流之间的一种独立河型。恰恰相反,江心洲型河流只是弯曲型河流在一定条件下,对应于特定范围的含沙量及流量变幅时的扭曲形态。这种属于弯曲河流范畴的因“扭曲”而派生出来的新形态,保留了其母体的几乎所有实质性的内容。运用本文的江心洲型河流的成因论述,不仅能够有效地解释现有河型研究中的一些矛盾,而且也便于把研究得较为充分的弯曲型河流中的有关定量研究方法移植到江心洲河型的研究中来。     

长江河口区上段水、悬沙通量及其对北支演化的意义

2007年9月在长江河口3条控制断面的全潮观测结果表明,长江口南支均以落潮流和落潮输沙占优,而北支大、小潮期间的水沙输运特征迥异; 其特征与长江径流、河口地形地貌特征密切相关。小潮期间,长江口北支以落潮流占优; 大潮期间,则以涨潮流占优,且悬沙输运率比小潮期间增大一个数量级。分析结果进一步表明,从1958年至今,长江口北支的分流比呈下降的趋势,已由11.8% 降至目前的1.9%; 长江口北支也由早期的悬沙输入(与径流方向相反)通道变为输出通道,目前其分沙比仍达6.4% ~7.9% 左右。总体上,分流分沙比呈显著减小趋势,这是长江口北支萎缩的重要特征之一。此外,北支分沙比显著大于分流比,将可能造成北支的进一步淤积。     

山溪性强潮河口分汊河道演变机制——以瓯江江心屿河段为例

山溪性强潮河口是中国东南沿海的一种典型河口,水动力强劲、泥沙运动活跃,对人类活动响应迅速。自然条件与人类活动共同驱动下山溪性强潮分汊河道演变机制尚需进一步研究。以径潮流作用下滩槽演变剧烈的瓯江江心屿分汊河段为例,采用实测资料分析与二维水沙数学模型计算的方法,分析了20世纪70年代以前自然演变、70年代至90年代末上村丁顺坝建设影响期、21世纪以来人工采砂等影响下的河道演变机制。结果表明,丁顺坝建设等人类活动改变了该河段自然条件下主支汊周期性交替的演变规律;21世纪以来人工采砂等造成河床大幅下切,近20 a来潮差增大0.5 m、涨潮流量增大约47%,分流与分沙不均匀性分别减弱0.08～0.30和0.28～0.54,涨落潮流速差异减小,有利于减缓支汊萎缩态势,河道演变机制受到自然-人类活动双重因素主导。研究成果可为类似河流演变和保护利用提供借鉴。     

挡土结构上水-土压力分算的进一步探讨

挡墙上作用的水-土压力计算方法与土压力计算方法有着密切的关系。在水-土压力分算的前提下,研究了土压力计算方法对水-土压力计算方法的影响。研究结果表明,挡墙背后土体存在着沿平面滑动和绕对数螺旋柱面转动两类临界状态,对应有两种不同类型的水-土压力分算方法。与测试结果的对比表明,得到的两类水-土压力计算结果可以作为挡墙上水-土压力的一个区间估计。     

基于水文水力计算的分汊型河段堵汊工程防洪影响评价

探讨分汊型河段堵汊工程的防洪影响评价的方法。依据分汊型河段堵汊工程的特点,结合相关防洪影响评价报告编制规范,首先,从整理堵汊工程及其所在河道的基本资料入手,分析河道的历史及未来的演变趋势,进而进行堵汊工程的防洪影响评价计算,得出防洪影响评价结论,最后对修建该工程的评价结论提出防治与补救措施,以期为今后同类建设项目的防洪影响评价提供参考和借鉴。     

固市凹陷地下热水水动力条件分析

分析了陕西关中盆地东部固市凹陷地下热水同位素及水文地球化学特征,探讨了研究区地下热水的水动力条件。研究结果表明：固市凹陷从西向东,断层切割越来越深,地下热水的滞留时间越来越长,水交替程度从积极到异常缓慢,水岩反应从不充分到剧烈,赋存环境越来越封闭。固市凹陷西侧(三原、富平),断层发育浅,地下热水滞留时间短,与当地大气降水交替积极,水岩反应不充分,为现代循环水混入的,热储环境开放的地下水,具有较强的更新能力,可维持现状开采;固市凹陷东侧(渭南、华阴),断层切割深达基底,地下热水滞留时间长,水岩反应强烈,水交替异常缓慢,为热储环境非常封闭的地下水,更新能力比较弱,应限制其开采量。     

一般条件下主动土压力的变分求解

基于库仑土压力理论的假设,主动土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动体产生,从墙后滑动体整体静力平衡方程出发,推导出坡面起伏且有不均匀超载、倾斜墙背、黏性填土等一般情况下的主动土压力泛函极值的等周模型。在该基础上,引入拉格朗日乘子,将主动土压力问题转化为确定含有两个函数自变量的泛函极值问题。依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,得到了线性的滑面函数和沿滑面线性分布的法向应力函数。结合边界条件和横截条件,主动土压力泛函极值问题进一步转化为单个未知量的一维方程问题。通过算例,土压力计算结果与库仑土压力理论解完全一致,但土压力作用点在墙体的相对位置却并非总是作用在墙高的1/3 处。通过算例进一步表明,坡面的起伏和坡面超载的不均匀性对主动土压力大小和作用点位置有显著的影响。     

求解变分不等式的Newton迭代的半局部收敛性分析

分析了求解变分不等式Newton方法的半局部收敛性，建立了类似于Kantorovich定理的收敛性结果。该结果不仅为判断Newton方法的收敛性提供了可计算的充分条件，也给出了Newton方法的收敛域以及问题解的存在区域。同时，文章也得到了Newton方法的若干收敛性质，包含收敛阶以及可计算的误差估计式等。     

三峡水库下游分汊河道滩槽调整及其对水文过程的响应

为探究大型水利枢纽影响下分汊河道演变特征及其驱动机制,根据三峡水库下游的实测水文和地形资料,基于动态分流比对分汊河道进行了类别划分,在此基础上研究了主汊、支汊与洲头心滩的调整规律及其对水文过程的响应。结果表明:① 三峡水库蓄水后,坝下游分汊河道的洲头低滩均呈现萎缩,而汊河则表现为"主长支消"和"主消支长"并存的分异性规律;② 基于动态分流比的分汊河道类别划分方法,上述演变差异可归纳为枯水倾向汊河发展速率大于洪水倾向汊河的规律,且2008年之后洪水倾向汊河基本表现为淤积特征;③ 水文过程中洪水削减、中水持续时间增长是滩槽调整的驱动因素,汊河冲淤均是向着主支汊格局更加稳定的方向进行,并与流量变差系数减小的水文过程相适应。     

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。     

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。     

Rare earth elements in fine-grained sediments of major rivers from the high-standing island of Taiwan

Thirty-eight sediment samples from 15 primary rivers on Taiwan were retrieved to characterize the rare earth element (REE) signature of fluvial fine sediment sources. Compared to the three large rivers on the Chinese mainland, distinct differences were observed in the REE contents, upper continental crust normalized patterns and fractionation factors of the sediment samples. The average REE concentrations of the Taiwanese river sediments are higher than those of the Changjiang and Huanghe, but lower than the Zhujiang. Light rare earth elements (LREEs) are enriched relative to heavy rare earth elements (HREEs) with ratios from 7.48 to 13.03. We found that the variations in (La/Lu)_UCC–(Gd/Lu)_UCC and (La/Yb)_UCC–(Gd/Yb)_UCC are good proxies for tracing the source sediments of Taiwanese and Chinese rivers due to their distinguishable values. Our analyses indicate that the REE compositions of Taiwanese river sediments were primarily determined by the properties of the bedrock, and the intensity of chemical weathering in the drainage areas. The relatively high relief and heavy rainfall also have caused the REEs in the fluvial sediments from Taiwan to be transported to the estuaries down rivers from the mountains, and in turn delivered nearly coincidently to the adjacent seas by currents and waves. Our studies suggest that the REE patterns of the river sediments from Taiwan are distinguishable from those from the other sources of sediments transported into the adjacent seas, and therefore are useful proxies for tracing the provenances and dispersal patterns of sediments, as well as paleoenvironmental changes in the marginal seas.     

Pathways for sediment transport and retention in a vegetated,mid-channel island: Connecting sediment dynamics to morphology in Meinmahla Island,Ayeyarwady Delta,Myanmar

Vegetated mid-channel islands play an important though poorly understood role in the sediment dynamics and morphology of tide-dominated deltas. Meinmahla Island is a mangrove-forest preserve at the mouth of the Bogale distributary channel, in the Ayeyarwady Delta, Myanmar. In this relatively unaltered mid-channel island, sediment dynamics can be directly connected to morphology. Field measurements from 2017 to 2019 provide insight into the pathways for sediment transport and resulting morphological evolution. Water depth, salinity and turbidity were monitored semi-continuously, and velocity profilers with turbidity and salinity sensors were deployed seasonally in single-entrance (dead-end/blind) and multi-entrance tidal channels of the island. The morphological evolution was evaluated using grain size, ²¹⁰Pb geochronology, remote sensing and channel surveys. The data show that ebb-dominant, single-entrance channels along the island exterior import sediment year-round to the land surface. However, these exterior channels do not deliver enough sediment to maintain the observed ca 0.8 cm/yr accretion rate, and most of the sediment import occurs via interior, multi-entrance channels. Interior channels retain water masses that are physically distinct from the water in the Bogale distributary, and estuarine processes at the tidal-channel mouths import sediment into the island. Sediment is sourced to the island from upriver in the wet season and from the Gulf of Mottoma in the dry season, as the location of the estuary shifts seasonally within the Bogale distributary. The salinity and biogeochemistry of the distributary water are affected by interactions with sediment and groundwater in the island interior. The largest interior channels have remained remarkably stable while the island has aggraded and prograded over decadal timescales. However, the studied multi-entrance channel is responding to a drainage-network change by narrowing and shoaling. Overall, mid-channel islands trap sediment and associated nutrients at the river–ocean interface, and these resilient landscape features evolve in response to changes in drainage-network connectivity.     

平衡悬沙剖面的新指数公式

基于扩散理论,分析了国内外主要平衡悬沙剖面公式自由面边界条件内在的不合理性及其原因,并结合常数型和线性型悬沙扩散系数的分布特征,应用几何平均法建立了平方根型的悬沙扩散系数表达式,推得了平衡悬沙剖面的新指数公式。通过收集、整理与分析大量水槽与河流实测悬沙资料,对提出的悬沙扩散系数和平衡悬沙剖面公式与van Rijn公式、张红武公式进行了分析比较。研究结果表明,新指数公式不仅对平衡悬沙剖面的刻画精度较高,而且具有表达式特别简洁、床面含沙量为有限定值和可直接解析积分的特点,既利于理论分析,又便于工程应用。     

东江沙卵石河床浅滩-深潭序列水沙演变特征

东江是珠三角网河区入汇河流之一,属少沙河流,其上游浅滩-深潭序列密集分布,河床结构的演变特性尚不清晰。选取东江浅滩-深潭序列河段进行现场河床质与推移质测量,结合试验得到不同流量和坡降中水流与河床在无上游来沙补给中的互馈机理。试验结果表明：浅滩与深潭交替造成沿程平均流速不连续变化,浅滩中部在洪水流量的塑造下容易产生紊动能峰值。无上游来沙条件下,序列中粗化层的形成、破坏过程交替与循环发生,其中静态分选是主导因素且导致沿程级配不连续。流量与坡降的增大促进浅滩-深潭序列发育,同时使得深潭与浅滩的纵向长度缩短;有上游来沙条件下推移质输沙率增大,无来沙条件下输沙率减小。     

太湖入湖河道沉积物中生物利用磷和营养水平分析

为了解太湖入湖河道的营养状况,研究了太湖西部河流沉积物生物利用磷的组成与分布。研究结果显示,北部沉积物中营养元素较高,南部较低;沉积物中生物利用磷的含量次序为藻类可利用磷(AAP)>NaHCO3提取磷(OLP)>水溶性磷(WSP)>易解吸磷(RDP),其中AAP是重要的生物利用磷,AAP的比例越高,富营养化程度越高。AAP与营养元素的相关性在不同区域河道有所不同,北部河道与总氮(TN)、总磷(TP)相关性较好,中部和南部河道与沉积物有机质总量(TOM)相关性较好。沉积物的生物利用磷受不同污染源影响较大。对比河道沉积物与湖泊沉积物的特征,发现湖泊沉积物中生物利用磷(BAP)/总磷(TP)、藻类可利用磷(AAP)/总磷(TP)都高于河道沉积物,表明湖泊沉积物中的磷更容易被植物吸收。     

西北内陆河流域水循环和生态演变与功能保障机制研究

在气候变化、生态保护以及水资源调控影响下,西北内陆河流域水循环和生态环境状态发生了显著改变,迫切需要解答气候变化对植被恢复和产水量的影响,调水和压采等措施下地下水水位动态、管控指标及其对生态环境的维持机制。为此,文章阐述了内陆河流域气候-植被-土壤-水文相互作用机理以及上中下游演变状况。针对上游产水区,提出了山区气候变化下植被和水文动态演变模拟和预测方法,得出石羊河上游山区气候暖湿趋势和植被水分利用效率的提高,可降低植被恢复对增加蒸腾量、减少产水量的影响程度;但如未来继续升温,水分利用效率提高的正效应将被植被恢复增加的水分消耗抵消,从而减小径流量。针对中下游绿洲-荒漠过渡区,通过分析荒漠植被-土壤（水盐）-地下水作用机理,提出了西北干旱区生态地下水水位埋深和生态需水量确定方法及阈值,得出荒漠植被适宜和极限生态地下水水位埋深的平均值分别为2.9 m和5.5 m,对应埋深下的单位面积荒漠植被生长季平均蒸腾耗水量为0.08～0.10 m3/m2。针对尾闾湖区,建立生态输水量与尾闾湖地下水水位、生态指标之间关系,提出了石羊河流域尾闾湖生态输水优化方案,得出青土湖生态输水量应提高至0.45×108 m3/a。在流域层面,采用水资源-社会经济-生态环境协调的系统分析手段,提出了石羊河流域满足地下水均衡、供需平衡和生态功能的多水源调控方案,即“保田增林”或“以田换林”方案。