风浪作用下水生植物对水流结构的影响——以太湖中两种典型沉水植物为例

为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响,选取太湖中两种典型沉水植物(苦草与马来眼子菜)为研究对象,分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量,利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离,分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下,水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流;波浪流速以垂向流速为主,且波浪流速自水面向床底逐渐减小;紊动能在水面处达到最大值,并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比,苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异,导致其对水流结构的影响不同:苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大,使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大;马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部(水面附近),其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。     

一个三维水动力学模型及其在水环境中的适用性试验

发展了一个三维水动力学模型.该模型在水底磨擦项计算中,采用了流速的平方根法;在湍流扩散系数的估算中,采用了带稳定度函数的参数化方案;对垂直方向上的坐标进行了压缩,引入σ坐标;对时间变量则采用了分离模式技术,即外部模式(快过程)与内部模式(慢过程);而求解外部模式时,采用了显式一隐式格式交错法(ADI),从而使模型不仅计算时间缩短,且可应用于水很深而水平空间尺度很小,又有热力分层的水域中.最后作为该模型的一个实用性试验,选择了美国犹他州East Canyon水库,利用该模型探讨了温跃层对风、人流及出流变化的响应情况.     

风浪作用下水生植物对水流结构的影响——以太湖中两种典型沉水植物为例

为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响，选取太湖中两种典型沉水植物（苦草与马来眼子菜）为研究对象，分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量，利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离，分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下，水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流；波浪流速以垂向流速为主，且波浪流速自水面向床底逐渐减小；紊动能在水面处达到最大值，并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比，苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异，导致其对水流结构的影响不同：苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大，使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大；马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部（水面附近），其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。     

用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

大型浅水湖泊水动力模型不确定性和敏感性分析

选取国内外常用的水动力学模型(EFDC)和典型的浅水湖泊(太湖),采用拉丁超立方取样(LHS),研究湖泊水动力模块中常用的5个重要参数(风拖曳系数、床面粗糙高度、涡粘性系数、紊流扩散系数以及风遮挡系数)对湖体水位和流速的影响。结果表明:针对大型浅水湖泊,湖泊岸线形状和湖底地形、湖泊周围地形、湖泊水面风场对模拟结果产生决定性影响。尤其是在湖湾区和周边地形比较复杂的地区,风场参数对水动力模拟结果不确定性的贡献率最大。在垂向上,表层流速受到参数不确定性的影响最大,底层次之,中层最小。床面粗糙高度对水动力模拟结果不确定性贡献率较风场参数要小,水体涡粘滞系数和扩散系数影响则更小。故在选择大型浅水湖泊水动力模型参数时,要充分考虑湖泊岸线和周围地形,着重率定风场参数以及床面粗糙高度。     

南水北调中线工程典型倒虹吸进口上游垂向流速分布

倒虹吸是输水工程中常见的水工建筑物,研究倒虹吸进口上游的垂向流速分布是明晰其水力学性能的重要内容之一。以南水北调中线工程典型的唐河倒虹吸为研究对象,通过水力学概化模型试验,运用声学多普勒流速仪,实测不同水深和流量组合工况下倒虹吸进口上游的垂向流速分布。试验结果表明,受倒虹吸进口结构的影响,上游垂向流速分布呈现出明显的顶部流速降低和底部流速增加的现象,且淹没度越大、距离倒虹吸进口越近,上述趋势越显著;采用明渠对数型流速分布描述上述垂向流速分布时,其计算误差呈抛物线型分布,采用指数项修正后,新的修正公式可用于计算倒虹吸进口上游垂向流速分布。     

塔里木盆地北东缘潜水蒸发研究

通过试验,分析了潜水蒸发的特征,潜水蒸发的影响因素有气候条件(如温度、湿度、风速等),潜水埋深和土壤质地、结构及作物植被情况等。运用灰色系统等理论建立了潜水蒸发与埋深关系的GM(1.1)模型和潜水蒸发与面积关系的衰减幂函数模型。     

植物粗糙度对明渠水流阻力影响的试验研究

以水力半径分割法的思想为出发点,建立了新的明渠阻力分割计算关系式,在此基础上分析研究明渠中处于淹没状态下床面柔性植物对水流阻力的影响。采用多普勒流速仪测量边壁附近的流速,用间接法中的流速测量法测量边界上的切应力,用棕榈毛作为植物的模拟材料。以植物粗糙度表示植物阻力,用植物高度、密度的函数表示床面粗糙度,在植物高度和密度变化的情况下,进行水槽试验。经过对试验数据分析,发现植物粗糙度随植物高度、密度的增加而增加,且植物粗糙度越大时,在数值上越接近植物高度。拟合粗糙度与植物高度和密度的经验关系式,进而得出了植物阻力的计算式。     

基于植被分布的河道糙率分区及率定方法

天然河流的河道综合糙率呈现出空间上的差异性和随水位（或流量）变化的动态性,但目前缺乏相关参数化方法来定量描述河道糙率的动态变化规律。尝试通过参数化方法开展受河道植被影响显著河流的糙率反演研究,用以提升模型精度。基于植被分布将河道断面划分为若干糙率不同的子区,通过率定河道断面各分区的糙率,从而反演糙率—水位曲线。在此基础上通过分析河道植被覆盖情况与河道断面特点对糙率曲线变化的影响,推求了基于分区糙率的河道断面综合糙率计算公式,从而定量描述分区糙率与综合糙率的关系。以漓江干流为例,采用该方法率定漓江干流（大溶江至阳朔段）水动力模型。结果表明:漓江干流综合糙率随水位在0.022~0.180间变化;在1.5 m的临界水深下,断面可划分为底床植被区（n=0.210）与非植被区（n=0.006）,能较好地反演糙率—水位曲线并获得理想的水位模拟效果。漓江底床植被繁茂是糙率随水位变化的根本原因,断面边滩的坡度变化是糙率与水位曲线梯度变化的主要驱动因素,两者的共同作用使得糙率随着水位呈现两段式的非线性变化。     

Circulation in Carr Inlet,Puget Sound,during Spring 2003

The relatively slow flow and exchange of Carr Inlet water with the main basin of Puget Sound, Washington, favor eutrophication. To study Carr Inlet’s circulation, the Model-measurement Integration Experiment in Estuary Dynamics (MIXED) was conducted in March–May 2003, spanning the spring bloom. From observations and numerical simulations the circulation was decomposed into tidal and subtidal components; the former was dominated by the M2 tide, the latter by atmospheric forcing. Near the surface, the subtidal velocity was correlated with wind. At mid depths, the subtidal velocity was organized into vertical bands arising from internal waves excited by wind forcing of the water surface. The tidal flow was more strongly steered by local bathymetry and weaker in peak magnitudes than the subtidal flow, yet it contributed more mechanical energy to the inlet. Tidal eddies reduce exchange of water through the inlet’s entrances. Numerical simulations with the Princeton Ocean Model recreated many observed features, including the three-layer vertical structure of outflow at the surface and bottom and inflow at mid depth, the mid-depth subtidal response to the wind, and characteristics of the tide. While the model produced greater subtidal flow magnitudes at depth and differences in the phase of the M2 tide compared to observations, overall the case study provided support for more comprehensive simulations of Puget Sound in the future.     

考虑开挖卸荷影响的桩侧摩阻力等效计算方法

基坑开挖后的卸荷回弹会导致桩侧摩阻力减小,但这一影响仅局限于基坑底部一定深度范围内。在计算开挖后的桩侧摩阻力时,可将卸荷视为作用在坑底的均布上拔荷载。当荷载作用在地表以下,土体附加应力应采用Mindlin应力解。定义基于Mindlin解计算开挖后桩侧摩阻力与开挖前变化为5%时的深度为开挖影响计算深度Hc,开挖深度和宽度对Hc的影响明显,土体内摩擦角的影响较小,而泊松比的影响可以忽略。据此推导出Hc的计算公式。开挖卸荷导致的竖向附加应力,Boussinesq解求得的结果大于Mindlin解,但随着深度增加,二者差异逐渐减小。分别针对开挖深度、宽度和内摩擦角不同取值的216种组合进行计算,结果表明,Hc范围内基于Mindlin解求得的桩侧摩阻力与基于Boussinesq解结果的比值? 最大为1.124,最小为1.001。工程实践中为偏于安全,可直接采用Boussinesq解进行桩侧摩阻力计算。     

2008年夏季北冰洋海冰表面积雪特征初步分析

运用中国第三次北极考察期间观测的积雪资料, 分析了夏季北冰洋中心海域海冰表面积雪的空间分布特征. 结果表明: 积雪在垂直分布上呈现6种粒雪状态, 表层到底层依次为新降雪、风板、冰片、深霜、冻结状粗雪和渗浸冻结冰层, 积雪表面常被新降雪或厚度为2～3 cm的风板所覆盖. 考察区域积雪的平均密度为(304.01±29.00)kg·m^-3, 表层密度略低于次表层, 遵循雪的密实化原理. 积雪厚度, 雪水当量和新降雪皆具有由南向北递减的空间分布特征, 表明在海冰消融末期, 积雪的气候态分布主要是由降水量的多少决定的, 积雪的消融和蒸发并非海冰表面积雪评估需考虑的首要因素. 雪温随深度的增加而增加, 具有明显的垂直梯度, 观测区积雪表面的平均温度为(-2.01～±0.96)℃, 比海冰/积雪界面的温度高得多.     

冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构.采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析.研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响.     

刚性桩复合地基的主动土压力分析

桩足够长、桩间距不大于6倍桩径的刚性桩复合地基中,在桩间土内部的剪切力和桩土间摩擦力共同作用下,桩顶段桩间土压力仅在一定深度范围内有所增加,且随深度迅速衰减,而桩顶段桩身轴力随深度增加。基于刚性桩复合地基的这一特点,紧邻刚性桩复合地基开挖基坑且基坑底高于刚性桩桩底时,得出刚性桩复合地基上的附加荷载作用在支护结构上的主动土压力可以简化为倒三角形,最大主动土压力作用在刚性桩桩顶平面与支护结构相交处,随深度增加,主动土压力迅速衰减至0。实践表明该计算方法比较符合工程实际。     

在层结和非层结环境下植被群对异重流运动的影响

异重流在自然环境界及工程应用中广泛存在。本文于线性层结及非层结盐水中开展了一系列实验,对开闸式异重流通过植被群的发展和演变特性进行了研究。采用高速相机对异重流头部位置、头部速度和掺混系数等进行了分析,结果表明：异重流在层结水体中头部速度明显减小;层结水体和植被对异重流掺混均有抑制作用;当层结水体和植被同时存在时,异重流的掺混程度与植被高度和水深之比α相关,当α=0.43时,异重流的掺混最为剧烈。本研究也利用粒子图像测速仪（particle image velocimetry,PIV）对异重流局部区域的速度场和涡度场进行研究,结果显示,层结环境抑制异重流正负涡度场发展,但当α=0.20时,即一部分异重流爬上植被顶部时,层结水体与植被的协同效应对跃上植被顶端的异重流下界面涡度有强化作用。     

Impact of vertical structure on water mass circulation in a tropical lagoon (Ebrié, Ivory Coast)

A one-dimensional vertical model has been developed to simulate the water mass circulation along the vertical structure in all deep coastal areas. The model has hydrodynamic and transport components solved using finite difference scheme. The one-dimensional vertical model results are coupled to the vertically averaged two-dimensional model results at each point of a horizontal grid. A theoretical salinity profile is introduced for each vertically integrated value obtained from the 2DH model results. A viscosity profile, simulating a viscosity value close to zero at the surface and with large viscosity gradients, is applied along the water column. The model is applied to the Vridi channel, connecting the Ebrié lagoon to the sea (Ivory Coast).The response of the Ebrié lagoon is studied in terms of inflow and outflow of water in the system through the Vridi channel. Due to the abrupt variation of the surface slope, vertical velocities along the water column show an anticlockwise spiral from bottom to surface during a tidal cycle. Due to the bottom friction and to the vertical viscosity profile, velocities decrease from surface to bottom. However, the freshwater inflow slows down the tidal propagation during the flood and causes the surface velocity to be smaller than the bottom velocity at mid-tide. Close to the bottom, velocities follow an anticlockwise movement due to the tidal propagation. At the water surface, velocities follow only an alternative movement of either ebb or flood, along the channel direction. No cross shore velocities can develop at the surface in the channel.     

稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究

选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm（宽）×300 mm（厚）×1 000 mm（高）的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。     

锡林郭勒典型草原植被高度和盖度对风吹雪的影响

采用野外调查与风雪流实测的方法对内蒙古锡林郭勒大针茅典型草场风雪流与植被高度、盖度的关系进行了研究.结果表明:随着草场退化程度的减轻和草场植被高度、盖度的增大,下垫面粗糙度、积雪厚度和积雪量呈增大趋势,而近地表风速、移雪强度与上层含雪量则呈下降趋势.移雪强度与距地表高度,积雪深度与植被高度,积雪深度与盖度间均符合指数函数关系.中度、轻度退化草场和封育草场的积雪深度分别是重度退化草场的1.7、3.1和5.2倍.随着退化程度的增加,风吹雪灾害形成的可能性增大.加强草原保护与建设,对减轻风吹雪危害和积蓄积雪资源具有重要作用.     

Wind erosion occurrence probabilities maps in the watershed of the Ningxia–Inner Mongolia reach of the Yellow River,China

The watershed of the Ningxia–Inner Mongolia reach of the Yellow River suffers serious wind erosion hazards and the areas with high wind erosion probabilities need to be identified to help in the building of the correct wind-sand blown hazard protection systems. In this study, the Integrated Wind-Erosion Modelling System model and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data set were used to identify the distributions of threshold wind speeds and wind erosion occurrence probabilities. Through field observations, the relationships among NDVI, vegetation cover, frontal area (lateral cover), roughness length, and threshold friction velocity were obtained. Then, using these relationships, the spatial distributions of threshold wind speeds for wind erosion at a height of 10 m for the different months were mapped. The results show that the threshold wind speed ranged from 7.91 to 35.7 m/s. Based on the threshold wind speed distributions, the wind erosion occurrence probabilities of different months were calculated according to the current wind speed. The results show that the distributions of wind erosion occurrence probabilities and threshold wind speeds were related to each other. The resulting maps of threshold wind speeds and wind erosion occurrence probabilities would help environmental and agricultural researchers in determining some strategies for mitigating or adapting from wind erosion hazards.     

Study of the relationship between non-dimensional roughness length and wave age, effected by wave directionality

Relationship between the non-dimensional roughness length and inverse of wave age has been discussed without consideration of wave directions, though wind wave field consists of various directional component waves. In this study we observe wave heights by an array of four wave gauges at the Hiratsuka Tower of (Independent Administrative Institution) National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED), Japan, and discuss the effect of wave directionality. As a result, the data sets were classified into two different groups according to the directional wave spectrum distribution. In case 1 only swell and wind waves exist and in case 2 there exist wave components from several directions. It is shown that the case of multiple-directional component waves (case 2) may affect the non-dimensional roughness length and friction velocity.