生产堤溃口展宽过程的概化模型试验研究

为研究生产堤溃口横向展宽过程的发展规律,以黄河下游生产堤土体为材料,开展概化模型试验,分析溃口处水深、流速、流量以及溃口宽度的变化。试验结果显示,溃口横向展宽的机理主要表现为水流冲刷堤身下层土体伴随上层悬臂土体发生绕轴崩塌;随着溃口展宽,堤前水深持续下降但下降速率逐渐减小,溃口流速呈先增大后减小的趋势,流速峰值约为1.1 m/s;随着主槽流量增加,溃口宽度发展至0.7 m时,溃口的水深、泄流流量、流速、展宽速率均有所增加。基于对溃口展宽的影响因素分析,提出溃口横向展宽速率的计算关系式,计算溃口展宽过程与实测值符合较好。研究结果不仅有助于生产堤展宽机理及发展规律的研究,还可为数学模型的建立与验证提供参考资料。     

近期黄河下游河床调整过程及特点

利用黄河下游1999-2005年的实测水沙及断面资料,分析了近期下游(铁谢至利津河段)河床调整过程及特点,具体表现为:小浪底水库运行后,黄河下游河道出现持续冲刷。其中,游荡型河段的冲刷量占下游总冲刷量的77%,单位河长的冲刷量在高村以上河段最大,孙口以下河段次之,高村至孙口河段最小;各河段主槽横断面形态调整均表现为向窄深方向发展;河床在冲刷过程中,主槽纵比降变化不大,其纵剖面形态自1855年以来均为下凹曲线,其凹度值随河床冲刷而略有增大;汛期深泓摆动幅度在游荡段最大,在弯曲段较小;随河床冲刷,下游平滩流量增加,但断面平滩流量与河段平滩流量的增加程度不同;因床沙显著粗化,不同河型河段的河床纵向稳定程度随冲刷均增加,而河床横向稳定程度在游荡段变化不大,在过渡段及弯曲段有所增加。     

黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅰ二维混合模型的建立

提出了黄河下游滩岸冲刷问题的严重性,评述了河床横向变形模拟技术和河床变形混合模型的研究现状,并指出现有模型不适用于黄河下游的河床变形计算.将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷模型结合,建立了河床变形的平面二维混合模型.采用多种改进措施后,该模型能同时模拟天然河道的纵向与横向变形,尤其适用于河床纵横向变化都十分剧烈的黄河下游.     

黄河下游游荡段排沙比对水沙条件与断面形态的响应

提高黄河下游游荡段的输沙能力是河道治理的主要任务,而河道输沙效率（排沙比）受到来水来沙条件和河床边界条件的共同影响。本文基于1971—2016年花园口—高村河段（简称花高段）的实测水沙及地形资料,计算了花高段的平均河相系数及水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）,从汛期和场次洪水2个时间尺度,定量分析了排沙比与水沙条件及前一年汛后主槽形态之间的响应关系。分析结果表明：① 汛期和场次洪水排沙比与来沙系数呈负相关,与水流冲刷强度呈正相关,临界的汛期不淤来沙系数为0.012 kg?s/m ⁶,场次洪水排沙比与来沙系数及水量比的决定系数为0.76;② 游荡段排沙比与河相系数呈负相关,当河相系数大于15 /m ^0.5时,河段排沙比基本小于1;③ 以来沙系数与河相系数为自变量的汛期排沙比计算式的决定系数为0.82,计算精度较高,对于场次洪水排沙比而言,断面形态的影响权重大于来沙系数。这些排沙比计算公式能够反映游荡段的输沙特点,有助于定量掌握断面形态及水沙条件对河道输沙能力的影响。     

三峡水库运用后荆江段非均匀悬沙恢复特性

三峡工程运用后,坝下游荆江段来沙量大幅度减小,处于严重的不平衡输沙状态,次饱和水流冲刷河床使悬沙量沿程恢复.基于实测水沙资料,分析了三峡工程运用后荆江段非均匀悬沙恢复特点.提出了恢复效率的概念用以表征悬移质沿程恢复的程度,并根据实测水沙资料计算了荆江段1994-2017年非均匀悬沙的恢复效率.结果表明：三峡工程运用前,荆江段各粒径组悬沙恢复效率绝对值均接近0,故该时期内各粒径组泥沙冲淤幅度不大;三峡工程运用后,各粒径组悬沙恢复效率绝对值均明显增大,且粗沙（d>0.125 mm）恢复效率绝对值远大于细沙（d<0.125 mm）,故粗沙恢复程度更高.这主要是由于荆江段床沙组成中粗沙部分含量大,而细沙含量小.最后建立了三峡水库蓄水后非均匀悬沙恢复效率与来水来沙条件（来沙系数）的关系,结果表明：各粒径组悬移质恢复效率均与来沙系数呈正相关关系,全沙、细沙和中沙的决定系数（R²）分别为0.89、0.67和0.69,相关性较高,故荆江段各粒径组悬移质泥沙恢复效率较大程度上受到来水来沙条件的影响.     

基于经验模型的长江口南支上段压咸临界流量

河口区域盐水入侵,威胁三角洲地区城市淡水资源取用及生态环境安全,合理确定压咸临界径流流量,有助于进一步改进流域水库群的调度模式。以长江口南支为例,利用2009-2014年期间60余个潮周期氯度资料,综合分析多种盐度预测经验模型的有效性,确定了抑制咸潮入侵的临界径流流量。结果表明:①咸潮入侵强度随径流与潮差组合而不同,长江口径流流量小于30000 m^3/s时可发生盐度超标现象,69%的盐度超标天数发生在流量小于15000 m^3/s时期,当径流量小于12000 m^3/s时盐度超标几率达65%;②盐度与潮差之间为指数型曲线关系,潮差总体呈半月周期变化,根据潮差累积频率分布得到平均意义上"连续10 d盐度超标"临界条件对应的青龙港潮差约为2.7 m,由此推算得到临界大通流量略大于11000 m^3/s;③采用多种盐度预测经验模型进行计算,避免连续10 d盐度超标对应的临界径流流量区间为11000～12000 m^3/s,平均阈值取为11500 m^3/s;④在三峡及上游梯级水库联合运行后,2008-2015年长江入海最低径流流量有所增加,但仍低于压咸潮临界阈值,建议优化水库调度模式,控制长江入海径流最低流量在11500 m^3/s以上。     

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响。结果表明：模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法、雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%、23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%、79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小。雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际。     

淤泥质河口水沙运动数学模型相关问题

为研究淤泥质河口的水沙运动规律,建立了用于模拟淤泥质河口水沙运动的二维数学模型。该模型采用基于无结构三角网格下的有限体积法对方程组进行离散,结合Roe-MUSCL方法及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。模型中分别采用不同方法计算粘性和非粘性泥沙的输移源项,并引入粘性泥沙的起动流速和冲刷率计算公式。采用已有的概化水槽试验数据对模型进行了初步验证。然后模拟了1995年10月小潮及大潮期间海河口的潮流运动与泥沙输移过程,计算得到的潮位、潮流速及含沙量过程与实测过程符合较好,结果表明模型能够用来模拟淤泥质河口粘性和非粘性泥沙的不平衡输移过程。同时还比较了泥沙输移源项的不同处理方式对计算结果的影响,计算表明在淤泥质河口水沙运动数学模型中必须同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移。     

三峡工程运用后城陵矶-武汉河段河床调整及崩岸特点

为研究近期城汉河段河床调整及崩岸特点,利用实测水沙及地形等资料,采用河段平均的方法,计算了城汉河段断面形态的调整过程,主要包括平滩河槽形态调整及其与前期水沙条件之间的关系.计算结果表明：城汉河段平滩河宽由2003年的1710 m增加至2016年的1732 m,增幅为1.28%,平滩水深由2003年的16.47 m增加至2016年的17.95 m,增幅为9.0%;白螺矶、界牌、簰洲及武汉等河段河床调整以纵向冲深为主,但陆溪口河段河床调整横向展宽与纵向冲深同步发展;2006-2016年城汉河段多年平均崩退速率为5.5 m/a,崩岸总长19.6 km,占岸线总长的8.3%,右岸占55.3%.簰洲河段岸线崩长占城汉河段岸线崩退总长的75.9%.此外还分析了河床边界与水沙条件等因素对重点河段（簰洲河段）崩岸过程的影响,来水来沙条件占主导地位,局部区域崩岸的发生依赖于河床边界条件;建立了典型断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系,较好地反映了水沙条件变化对崩岸过程的影响.     

生产堤溃决后漫滩水流的概化模型试验研究

黄河下游主槽两侧修建的生产堤通常仅能抵御中小洪水,用于保护滩区农田与村庄安全;当遭遇大洪水引发生产堤溃决时,漫滩洪水会严重威胁滩区群众的生命财产安全。当前研究溃堤洪水的传播过程与演进机理多采用数值模拟,而原型观测及模型试验成果十分有限。通过溃堤漫滩洪水的概化模型试验,模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。试验结果表明:(1)溃堤后漫滩水流以涨水波的形式向滩区迅速传播,主槽内水位具有先降低,然后维持稳定,再升高,最后趋于稳定的变化过程,且溃口上、下游水位变化速率不同;滩区水位总体表现为持续升高,最后趋于稳定的趋势。(2)漫滩洪水波的波前到达时间主要与滩区地形及距溃口的距离有关,波前首先以溃口为中心呈近似对称式椭圆形分布,而后转变为非对称分布;溃堤水流在滩区传播过程中伴有水跃发生,水跃发生的位置由距溃口较远处逐渐趋向溃口位置。(3)溃口流量与溃口内外水位差直接相关,呈先减小、然后维持稳定、再减小最后为0的变化特性。研究成果不仅可以提升对溃堤洪水在滩区演进规律的认识,丰富溃堤洪水动力学理论,还可为数学模型验证提供实测资料。