长江中下游水沙数值模拟研究

根据长江中下游水沙运动特征,采用水动力学、河流动力学和数值模拟技术相结合的技术途径,建立了一、二维混合的非恒定流非均匀沙非平衡输沙的数学模拟模型,对长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙运动及其河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网区内水沙动边界的处理、河网汊点分流分沙计算模式、动床阻力和河湖交换模式等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法.为了验证模型的适应性和有效性,采用1981年至1989年10年长江中下游水文资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙输运特征和河道冲淤的宏观效应.     

感潮河网水环境容量影响因素研究

研究了感潮河网的水环境容量。研究表明影响感潮河网水环境容量的主要因素为:潮汐作用、调蓄库容、水利工程的调控运行、污染物的降解系数和边界引水水质。基于感潮河网水质模型,完善了其水环境容量的计算方法。以上海市浦南东片河网为例,分析了感潮河网水环境容量在上述因素影响下的时空变化规律,并提出了相应条件下的污染物日允许排放量     

三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响

为了评估三峡水库蓄水对长江感潮河段水文水动力特性的影响,建立了具有预测功能的水动力模型。考虑径流与潮流之间的相互作用,模型在只有上边界流量过程的条件下可以给出下边界的潮位过程。在此基础上应用一维河网非恒定流数学模型,对三峡水库蓄水前后长江近河口段大通—徐六泾的水流运动进行了10年的数值模拟。统计分析结果表明,水库调蓄作用对感潮河段各站的潮位累积频率及水文水动力因素的年内过程变化影响甚大。     

长江下游典型平原城市感潮河网水动力提升分析

通常平原城市河网水动力条件较差,加快水体更新、增强水体的流动性可改善河网水环境质量。以长江下游典型平原城市启东市为例,充分利用河道天然潮动力条件,建立河网水动力学模型,通过数值模拟试验,量化分析优化水系格局、工程布局和调度方式对河网水体流动性的改善程度。结果表明:在最不利潮汐条件下,优化方案可将河网的全历时生态流速达标率由52.3%提升至94.2%,最大瞬时生态流速达标率由42.6%提升至85.0%,区域生态流速持续度达91.8%,同时还可节约67.5%的引调水量;改善水系格局、优化河网控制工程布局及其调度方案可以减少域外引水,同时显著增加河网水流更新速率,降低污染物滞留时间,从而改善水环境。该方法可为提升平原城市感潮河网水环境质量提供新手段。     

通用河网二维水流模拟模式研究

通过对流域河网二维水流模拟问题的分析,提出了一个通用化的河网二维模拟概化模式,该模式将河网二维概化为"树状"河道计算单元、"环状"河道计算单元、"十字型"河道计算单元等河网二维基本单元,对这些河道计算单元的求解,构建流域型河网一二维耦合模式的求解模型,并由此建立了通用化的河网二维水流数学模型软件系统。通过"树状"河道二维计算单元求解模型的推导与实现,验证了概化模式的可行性,表明该思路可以应用于大型流域河网一、二维水流模拟,具有很好的应用推广价值。     

无结构网格上平面二维水沙模拟的有限体积法

基于无结构网格有限体积法的算法框架,通过引入跨单元界面法向水沙数值通量的逆风分解,将悬沙与床沙交换以及分组挟沙力计算模式自然地嵌入二维水沙运动方程组的数值格式中,形成高精度、守恒性好的二维水沙有限体积算法。最后,利用该算法对谭江樟州河段的水沙输运和河床变形进行了数值模拟。结果表明,该算法能够较好地模拟复杂条件下河道水沙输运的往复特征和河床变形的动态过程,其精度满足河道工程后效分析的要求。     

长江中下游河湖洪水演进的数值模拟

以长江中下游(宜昌-大通)防洪系统为对象,在水文、河道及湖盆地形现状条件下,建立了一个能适应各种复杂条件的一二维非恒定流模型,来进行长江干流、河网、湖泊、分蓄洪区垸及水库的洪水演进和调度仿真.所建模型的洞庭湖部分采用无结构网格二维非恒定有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡.河网区部分采用一维非恒定流显隐结合的分块三级算法,以准确实现河网汊点流量的自动分配和往复流动.为了提高模拟精度和扩展模拟功能,在水流数值模拟的范围内侧重讨论了内外动边界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节,提出了合理可行的数值处理方法.采用20世纪80年代至90年代共6年汛期洪水资料对所建模型进行了严格的率定和检验,高精度的模拟结果证实了模型的合理性和有效性.     

复杂河网水沙数学模型研究

根据节点水沙平衡和能量衔接条件,在单一河道水沙数学模型的基础上,建立了可以适用于一般河网体系水沙数值计算的数学模型,并采用荆江-洞庭湖的相关资料进行了验证。结果表明,模型的计算值与实测值吻合较好,说明对荆江-洞庭湖区域复杂边界条件的处理是合适的,所建模型具有较好的适用性。     

基于DEM的数字水系的生成

讨论了由DEM生成河网过程中所用的填平和主干河道数字化的方法,通过填平方法,解决了由洼地引起的河网不连续的问题;而对主干河道进行数字化处理,则解决了平坦地区主干河道偏离其自然位置的问题。经过这些处理后生成的河网,与实际情况比较接近,从而使水文要素的模拟更具有实际意义。     

珠江三角洲近年地形不均匀变化对洪季水动力特征的影响

为探明在新水沙条件和人类活动的影响下珠江三角洲河网地形变化与洪季水动力特征变化之间的关系,以1999-2008年为研究时段,基于1999年地形建立一维河网数学模型,复演珠江三角洲地区"08·6"洪水,并与"08·6"实测资料进行对比,分析河网地形变化对洪季水动力特征的影响。结果表明:①珠江三角洲河网地形整体下切加强了河道行洪能力,在遭遇洪峰30年一遇的"08·6"洪水时洪水位整体下降,三角洲顶部马口站洪水位最大降幅达到0.9 m;②河网内潮差和潮汐传播速度增大,潮区界上移至马口、三水以上;③西江河网地形下切幅度大于北江河网,地形不均匀下切导致河网节点分流比改变,西江河网洪水期分流增加2%,马口站和天河站洪峰流量增幅分别接近1 500 m^3/s和1 000 m^3/s;④西江马口站分流比随上游洪水流量增大而减小的趋势没有改变,但地形不均匀下切导致其变化梯度增大。珠江三角洲近年地形的不均匀下切,是近年珠江三角洲河网地区,特别是河网腹地洪水灾害有所减轻的主要原因之一。     

开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅱ.潮汐作用

为研究潮汐作用下潮沟网络形成、演变规律,结合江苏沿海粉砂淤泥质潮滩实际情况,建立试验室物理模型,模拟具有一定坡度的潮滩在潮汐作用下的地形演变,分析了潮沟发育演变中的水沙运动规律,研究了潮差对于潮沟发育的影响。研究表明,潮沟发育过程受到床面坡度变化的影响,坡度均一的潮滩上,潮沟系统通过相邻小潮沟相互连接而形成,没有明显的潮沟头部溯源侵蚀现象;在潮汐作用下,涨潮初期和落潮后期水流流速较快,泥沙运动主要出现在这一阶段,在潮滩中部泥沙运动最为剧烈;潮差对于潮沟系统形态和结构的影响较小,潮滩排水路径长度与子流域面积呈幂函数分布,潮差越大则潮沟系统越早达到动态平衡,且具有更大的拓宽潮沟的作用。     

2D numerical modelling of meandering channel formation

A 2D depth-averaged model for hydrodynamic sediment transport and river morphological adjustment was established. The sediment transport submodel takes into account the influence of non-uniform sediment with bed surface armoring and considers the impact of secondary flow in the direction of bed-load transport and transverse slope of the river bed. The bank erosion submodel incorporates a simple simulation method for updating bank geometry during either degradational or aggradational bed evolution. Comparison of the results obtained by the extended model with experimental and field data, and numerical predictions validate that the proposed model can simulate grain sorting in river bends and duplicate the characteristics of meandering river and its development. The results illustrate that by using its control factors, the improved numerical model can be applied to simulate channel evolution under different scenarios and improve understanding of patterning processes.     

渤海湾曹妃甸港区开发对水动力泥沙环境的影响

针对渤海湾曹妃甸海域波浪、潮流、泥沙及海床演变特点,应用波流共同作用下二维泥沙数学模型研究港区开发方案。2006年冬季和夏季大、小潮潮流泥沙验证表明,该海域潮位及15条同步垂线流速、流向、含沙量过程的计算值与实测值吻合良好,并进行了矿石码头港池前沿海域在潮流与波浪共同作用下悬沙引起的冲淤验证,计算的冲淤厚度及其分布趋势与实测值比较接近。在此基础上,研究了曹妃甸前岛后陆的港区围垦方案对水动力环境的影响问题,包括该工程引起的曹妃甸甸头以南深槽、老龙沟深槽及各港池的流速变化及底床的冲淤变形等。     

感潮河网二维水流-输运耦合数学模型

感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响,还常受水闸调度等人类活动的影响,水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟,提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器,建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式,结合变量重构限制器技术,在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形,并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明,该模型计算精度高,可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程,具有较好的推广应用价值。     

考虑泥沙冲淤对水流控制方程的改进与模拟

以一维数学模型为例,通过数值实验及渭河实际资料的验证,发现在含沙量较大的情况下,水流连续方程里的浑水与床面的交换项对流量影响是明显的,计算中应予考虑.解释了在像黄河这样的多沙河流中存在的“水变沙”、“沙变水”的现象.由此可见,在模拟含沙量较大河流的水沙数学模型中,应完整考虑水流连续方程的微元河段的水量变化率、进出通量变化及浑水与床面的交换通量这三项.     

钱塘江河口过江隧道河段极端洪水冲刷深度的预测

钱塘江河口为强冲积性河口,在洪潮水流共同作用下河床冲淤剧烈,极端洪水条件下河床的冲刷深度是过江隧道工程的关键问题之一。基于河床演变分析、动床数值模拟和动床物理模型等研究手段,建立了钱塘江河口过江隧道河段洪水冲刷深度的预测模型,分别经钱塘江河口的典型实测地形、水流泥沙及河床冲淤等实测资料进行验证。在此基础上预测了某过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度,三种研究方法所得的结果定性定量基本合理,且与后来地质详勘的沉积分析成果基本一致,进一步表明了预测模型的可靠性,预测的最大冲刷深度可为过江隧道的合理埋设提供科学依据。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言,平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶,形成高强度输沙。本文开展水槽试验,研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程,分析了输沙参数的变化特性及数理规律,描述了翻坝输沙模式及运动特征,揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识:①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定,上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况,上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动,推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝,后向下游输移;对于更高水流强度工况,后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变,周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言，平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶，形成高强度输沙。本文开展水槽试验，研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程，分析了输沙参数的变化特性及数理规律，描述了翻坝输沙模式及运动特征，揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识：①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定，上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况，上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动，推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝，后向下游输移；对于更高水流强度工况，后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变，周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

Sediment distribution and depositional processes along the fluvial to marine transition zone of the Mekong River delta,Vietnam

The area of coastal rivers with a combination of fluvial, tidal and wave processes is defined as the fluvial to marine transition zone and can extend up to several hundreds of kilometres upstream of the river mouth. The aim of this study is to improve the understanding of sediment distribution and depositional processes along the fluvial to marine transition zone using a comprehensive dataset of channel bed sediment samples collected from the Mekong River delta. Six sediment types were identified and were interpreted to reflect the combined action of fluvial and marine processes. Based on sediment‐type associations, the Mekong fluvial to marine transition zone could be subdivided into an upstream tract and a downstream tract; the boundary between these two tracts is identified 80 to 100 km upstream of the river mouth. The upstream tract is characterized by gravelly sand and sand and occasional heterolithic rhythmites, suggesting bed‐load supply and deposition mainly controlled by fluvial processes with subordinate tidal influence. The downstream tract is characterized by heterolithic rhythmites with subordinate sand and mud, suggesting suspended‐load supply and deposition mainly controlled by tidal processes with subordinate fluvial influence. Sediment distributions during wet and dry seasons suggest significant seasonal changes in sediment dynamic and depositional processes along the fluvial to marine transition zone. The upstream tract shows strong fluvial depositional processes with subordinate tidal influence during the wet season and no deposition with weak fluvial and tidal processes during the dry season. The downstream tract shows strong coexisting fluvial and tidal depositional processes during the wet season and strong tidal depositional processes with negligible fluvial influence during the dry season. Turbidity maxima are present along the downstream tract of the fluvial to marine transition zone during both wet and dry seasons and are driven by a combination of fluvial, tidal and wave processes.