冰盖下矩形河道的综合糙率

综合糙率是采用曼宁公式确定河道水位和流量关系的关键参数。在河道冰封期,冰盖的出现增加了流动的阻力,明流条件下确定的综合糙率不再适用,需要重新估算。基于Einstein阻力划分过流断面的原理,冰盖下矩形河道的过水断面可划分为冰盖区、河床区和边壁区。根据总流的连续性方程,在确定各分区糙率系数、水力半径和断面面积的基础上,提出了冰盖下矩形河道综合糙率的计算公式。采用已有的试验水槽测量数据和天然河道实测资料对公式进行了验证,结果表明:公式计算的综合糙率与实测值吻合较好,与Einstein公式和Sabaneev公式相比,计算精度更高;对于冰封水流,宽浅河道采用分区水深代替水力半径进行简化计算的条件有别于明渠水流,在宽深比大于20时,计算结果才满足精度要求。     

山区阶梯式河道水流阻力研究

山区阶梯式河道是自然界来水来沙和山区大比降河床相互作用所形成的,其水力特性、河道阻力较为复杂。为了深入研究其阻力机理,从河床结构阻水的角度提出阶梯式结构糙率尺度的概念,得到了适用于阶梯式河道跌落水流的形体阻力系数表达式,并由不同来源的阻力分量构成了新的山区阶梯式河道水流总阻力系数公式。新公式结果表明,通过不同类型河段的野外试验数据,表面泥沙、阶梯形状以及漂石产生的阻力系数分量之和与试验测量总阻力系数数据的误差较小。随着雷诺数和阶梯单元尺寸的增加,河床表面的泥沙肤面阻力系数基本不变,阶梯式结构形成的跌落水流过渡到滑行水流,阶梯形体阻力系数逐渐变小,而较大粒径松散漂石产生的水流阻力系数只随着雷诺数的增大而减小。     

浅水方程模拟中确定糙率的回归系数法

基于水流模拟本身就是模拟模型回归求真(即实体原型)过程的认识,从模拟模型和实体原型之间的相关关系出发,应用统计学中的线性回归分析方法,通过回归系数建立了模型与原型糙率系数之间的关系式,提出了二维浅水方程模拟中糙率确定的回归系数法。数值试验表明,该方法并不依赖于糙率系数的初值,具有稳定性好、收敛速度快的特点;对磨刀门水道水流的数值模拟应用显示,该方法能有效地改善模拟计算的精度,具有较好的适应能力,简便实用,为二维浅水流动模拟计算时率定糙率系数提供了一种有效途径。     

山区河道糙率变化规律浅析

探讨了山区水利水电工程中经常遇到的确定河道糙率问题,总结了糙率选定的基本方法,初步分析了河道糙率变化规律,介绍了部分水电工程的糙率推求方法、结果及体会.     

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。     

入湖河道生态修复工程对水流流速的影响研究

在河流中开辟生化反应区、直接布设仿生填料净化河流微污染水体可以达到改善入湖水质、减少投资、降低能源消耗的目的。但在河道内直接布设填料势必会对河流的水动力条件及其河流原有的使用功能造成一定的影响。从填料给水流带来的阻力、流速及糙率变化等方面进行河道内直接布设生物填料对河流水动力条件的影响试验分析。结果表明,由于河道流速不大(属于缓流水体),9根/m2的填料布设密度对水流的扰动作用程度不高,填料段的糙率仅为无填料段糙率的1.08倍,不会对河道的泄水能力造成影响。     

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.     

山区卵砾石河道水流阻力计算

卵砾石河道广泛存在于山区河流中，在卵砾石河床近底层的水流流速低于上方流速，速度剖面出现拐点，类似于自由剪切流动，传统的指数型和对数型水流阻力公式计算误差偏大。将自由剪切流理论类比到山区卵砾石河道，并考虑山区河流特殊流态、流场和剪切力的影响，引入雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）和摩阻流速利用水槽数据进一步修正了该类水流阻力公式。筛选位于意大利南部的亚平宁山脉140条山区河流野外数据对新公式进行验证，并检验对比了已发表的多个山区河流阻力公式。结果表明：修正后的水流阻力公式Nash-Sutcliffe效率指数最接近1、均方根误差最小、相对误差最小。自由剪切流动的类比是从湍流结构角度推导河道水流阻力，能更好地阐释特殊水流结构，进而提高计算精度。     

南运河畅流期与冰期河道糙率计算及变化规律分析

河道糙率是反映河流阻力的综合性系数,也是衡量河流能量损失大小的特征值。天然河道糙率一般由河道各种糙率单元综合组成。河道糙率是河道工程水力计算中的重要因素,关系到天然河道输水能力和行洪标准的确切评价。南运河处于漳卫南运河水系的最下游,河道全长309 km,是历史上京杭大运河的下段,也是引黄、引江南水北调东线方案的输水干线。通过对南运河畅流期及冰期糙率进行计算,并对畅流期与冰期糙率变化规律进行研究。结果表明,在畅流期,流量不同时,随着流量的增大,河道糙率逐渐变小。当增大至滩地过水(120 m3/以上)的情况下,河道糙率又有所增大。冰期河道糙率与期畅流期相比,冰盖下输水糙率值明显增大。研究河道畅流期与冰期糙率的变化规律,对南运河冰期输水监测具有指导意义。     

基于GLUE方法的城市雨洪模型参数不确定性分析

以北京市大红门排水片为例,构建基于SWMM(Storm Water Management Model)的城市雨洪模型,并基于GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)对模型参数的不确定性进行了分析。结果表明,所建城市雨洪模型能够较好的模拟区域的雨洪过程。在模型参数中,管道曼宁系数、不透水区洼蓄量以及河道曼宁系数的不确定性对模型结果的影响较为显著。GLUE方法能够在分析模型结果不确定性的同时给出敏感性参数,为城市雨洪模型的参数率定和进一步研制提供了有效工具。     

结合糙率校正的河网水情数据同化

为解决河网水动力模型重要参数糙率与水力状态量水位、流量的同步校正问题,以糙率和水力状态量作为河网非线性动态系统变量,采用扩展卡尔曼滤波,构建结合糙率动态校正的河网水情数据同化模型.通过算例计算,系统分析了水位动态噪声水平、糙率动态噪声水平、糙率初始值及测站个数对模型校正的影响.结果表明:模型能够有效用于水位状态量的实时校正;靠近测站的糙率校正值趋于真值,远离测站的糙率校正值趋于初始值;通过调整糙率动态噪声水平,可以有效控制糙率的修正量,防止糙率修正过大而引起计算失效问题.     

基于无人机遥感的河流阶地提取

河流阶地记录了河流演变过程中因构造抬升或气候变化引起的侵蚀基准面变化的信息,阶地的提取与划分对于新构造研究与古气候重建有着重要的意义,在分析传统阶地提取方法不足的基础上,提出了一种利用无人机遥感进行阶地提取的新方法.该方法利用无人机航拍影像和高精度地面控制点,通过基于计算机视觉的多视立体运动恢复结构(structure from motion with multi-view stereo, SfM-MVS)技术自动生成研究区高分辨率的正射影像和数字表面模型(digital surface model,DSM),在此基础上根据河流阶地的几何特征,利用高程、坡度及影像灰度等统计量实现阶地信息的提取.利用这一方法对汉江支流蛮河下游河段的阶地进行了提取试验.结果表明,该方法能够提取到两级河流阶地和一级河漫滩信息,提取结果与野外实测结果有较好的一致性.与传统阶地提取方法相比,该方法具有精度好、效率高、可视化效果全面直观等优势,显示出无人机遥感在河流地貌学研究中的巨大优势和广阔应用前景.      

漫溃堤洪水联算全二维水动力模型及应用

为应对河道洪峰流量增大和漫溃堤长历时相伴发生的洪灾现象,借鉴全二维气相色谱理论提出全二维水动力模型概念,建立了模拟河道和灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型,并采用Roe格式的近似Riemann解对界面通量进行数值求解。模型内通过漫溃堤堰流公式成功实现河道与灌区的耦联,考虑溃口展宽变化,加密处理河道网格,采用热启动与干湿水深理论对模型进行优化,并利用加大糙率法对村庄较为密集的地形进行优化处理,尽可能反应地面真实情况。将该模型应用于黄河宁蒙段河道与左右岸灌区的漫溃堤洪水演进模拟,计算结果合理可靠,流场分布均匀光滑,初步验证了模型的精度及可靠性,研究成果对河道溃决洪水的精细仿真模拟和该地区洪水风险分析决策具有重要意义。     

相似模拟试验在地下水运移及参数求解中的应用

地下水渗流问题研究方法中的相似模拟方法,由于相似条件的引入,使我们能够成比例的缩小渗流区尺寸,加速渗流演变速度,缩短漫长渗流过程的时间;另外,模型的制备简单,便于控制和测量,并能通过相似比例改变参数的数量级,提高测量精度,本次试验在第二松花江干流区的水资源问题研究中起到了很大作用,同时也证实了室内的相似模拟试验是地下水渗流问题研究中的一种方便、经济、有效的地方法。     

Numerical SPH analysis of debris flow run-out and related river damming scenarios for a local case study in SW China

A smoothed particle hydrodynamics (SPH) numerical modeling method implemented for the forward simulation of propagation and deposition of flow-type landslides was combined with different empirical geomorphological index approaches for the assessment of the formation of landslide dams and their possible evolution for a local case study in southwestern China. The SPH model was calibrated with a previously occurred landslide that formed a stable dam impounding the main river, and it enabled the simulation of final landslide volumes, and the spatial distribution of the resulting landslide deposits. At four different sites on the endangered slope, landslides of three different volumes were simulated, respectively. All landslides deposited in the main river, bearing the potential for either stable impoundment of the river and upstream flooding scenarios, or sudden breach of incompletely formed or unstable landslide dams and possible outburst floods downstream. With the empirical indices, none of the cases could be identified as stable formed landslide dam when considering thresholds reported in the literature, showing up the limitations of these indices for particular case studies of small or intermediate landslide volumes and the necessity to adapt thresholds accordingly for particular regions or sites. Using the occurred benchmark landslide as a reference, two cases could be identified where a complete blockage occurs that is more stable than the reference case. The other cases where a complete blockage was simulated can be considered as potential dam-breach scenarios.     

Geostatistical downscaling of fracture surface topography accounting for local roughness

This study proposes a new geostatistical methodology that accounts for roughness characteristics when downscaling fracture surface topography. In the proposed approach, the small-scale fracture surface roughness is described using a “local roughness pattern” that indicates the relative height of a location compared to its surrounding locations, while the large-scale roughness is considered using the surface semivariogram. By accounting for both components–the minimization of the local error variance and the reproduction of the local roughness characteristics–into the objective function of simulated annealing, the fracture surface topography downscaling process was improved compared to standard geostatistical methodologies such as ordinary kriging and sequential Gaussian simulation. Downscaled topography data were then assessed in terms of prediction errors and roughness distribution.     

PTV技术在河流流速测量中的实验研究

针对传统浮标法流速测验技术的不足,引入粒子跟踪测速技术,对河流流速测量进行研究,并对所涉及的空间分辨率,目标检测,目标跟踪,流速计算四个方面技术进行分析。最后就本文方法与传统浮标法在实验室山溪性河流模型上做比对性试验,结果表明两种方法所测量的流速具有较好的一致性,具有解决传统浮标法固有缺陷的能力。