河道水流泥沙运动基本理论研究进展

对泥沙运动基本理论研究的近期进展进行综述 ,并作了简要的评述 :挟沙后的紊动强度变化 ,应考虑是推移质颗粒还是悬移质颗粒 ,并将固相和液相分开考虑 ;研究床面抗冲性时引入“床面惯性” ,认为河床具有记忆作用 ,可用量化的指标来表示 ;从两相流能量方程出发推导挟沙力公式 ;光电高新技术引入流场测量 ;将混沌动力学、分形几何学、人工神经网络方法和熵原理用来研究水流泥沙运动 ,等等 .以上这些理论和做法已经取得了丰硕的成果 .     

泥沙运动方程和数学模型中有关问题的讨论

本文通过对含沙量垂线分布公式、平均含沙量沿程变化的计算公式、河床变形方程的推导过程及有关假设的分析，对其中存在的一些同题做了初步的分析和讨论。同时对于泥抄冲淤数学模型中有关泥抄冲淤恢复饱和系数的处理和河床形态计算方法等问题也进行了探索性的研究．旨在提出泥沙运动方程及其应用中存在的一些同题，以期引起有关专家学者和同行们的兴趣和关注．使这些问题得到尽早解决。     

以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论基础

针对传统模拟明渠水流方法所存在的问题，提出了应用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流运动的可能性。根据ＢＧＫ波尔兹曼方程及明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动的控制方程。理论推导证明，圣维南方程是ＢＧＫ模型在局部平衡状态下的一个特例。通过对熵方程分析表明，ＢＧＫ波尔兹曼方程严格满足熵条件，从而阐释了ＢＧＫ模拟方法满足熵条件。利用一个恒定水跃的例子说明了熵条件的重要性，同时也表明，仅仅以质量和动量守衡律为基础的圣维南方程可能会得出不唯一的解，即不满足熵条件的解。在论证ＢＧＫ波尔兹曼方程与明渠水流守衡律的一致性的基础上，提出了建立ＧＢＫ明渠水流模型之基本思路和步骤并分析了该方法与传统模拟方法之区别。从理论上论证了利用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流的可行性，为建立ＢＧＫ明渠水流模型奠定了理论基础。     

基于能量方程和曼宁公式的断面平均水深计算

为改善目前在黄河高含沙大洪水下的流量测验精度,对基于能量方程和曼宁公式的断面平均水深与断面平均流速的关系进行了分析。结果表明:流量大于3 000 m3/s时,吴堡、龙门两站利用该方法计算的水深误差小于30%的测次占总测次的比例分别为98.9%、79.1%;流量分级步长越短,模拟结果越精确,但在实际使用过程中会变得繁琐,需要根据测验精度要求和实际情况决定流量分级步长。     

大型水库建设对下游已冲淤平衡的水库库区淤积及过坝泥沙特征影响研究

龚嘴水库已基本达到冲淤平衡,但在上游新建大型水电站清水下泄冲刷下,根据实测资料分析了冲刷前后的库容、床沙组成、库区断面的变化,表明龚嘴水库库区断面出现明显的冲刷,水库泥沙呈堆丘式向坝前推移,冲刷作用对水库库容的恢复是有利的,但库容恢复相对下泄清水时间有一定的滞后。此外,水库泥沙的推移和床沙的粗化将导致过坝、过机泥沙粒径的增加,从而加剧对过流面的冲刷和对水轮机的磨蚀破坏。     

基于Richards方程切换的土壤水流及溶质运移数值模拟

根据每个节点的土壤水分状态来选择合适的Richards方程形式,并用隐式迭代算法求解,得到一种用于模拟土壤水盐运移过程的通用方程切换方法。该方法能自由切换任意节点的控制方程,从而充分利用水头型和含水量型Richards方程的优势,适用于所有主流的迭代求解算法。成功将该方法应用于非均质土壤饱和-非饱和的溶质运移过程模拟。通过室内及数值试验,证明其在干燥砂土淋盐及干湿交替上边界的土壤积盐等普遍难题中,相比传统数值算法能大幅度提高计算效率和精度。本文方法对大区域饱和-非饱和水流运动及溶质运移数值模拟具有显著优势及应用前景。     

特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题(五)——WP4:模拟溃坝引发的洪水和泥沙运动

4家研究机构参与了IMPACT项目泥沙运动专题的研究。研究中首先进行了一系列的试验室试验,获取了大量的试验数据。研究机构建模模拟了试验室极端洪水条件下的泥沙运动,并结合Lake Ha! Ha!大坝溃决事件,研究人员将模型用于该真实案例的模拟研究中。通过对比试验室试验数据和真实溃坝案例的数据,检验了数字模型,评价了各模型的性态和不确定性,并依此提出了关于未来研究的建议。     

分段计算的渠道恒定非均匀流能量方程稳定性探讨及验证

工程设计中求解渠道水面线常采用能量方程分段计算法,但该计算法将导致计算误差向后续计算传播,因此需对能量方程的稳定性进行分析,以确保计算误差能在后续计算的传播过程中得到有效控制。该文对渠道恒定非均匀流能量方程的稳定性进行了初步探讨,并给出误差控制的建议,同时对天然河道水面线计算也有一定的参考意义,可供相关工程设计人员参考。     

任意时间尺度上的流域水热耦合平衡方程的推导及验证

本文通过量纲分析和数学推导得到能用于任意时间尺度上的水热耦合平衡方程,该方程含有唯一参数.利用我国位山实验站和俄罗斯西伯利亚Yakutsk实验站的通量观测数据进行的验证表明,该公式能很好地模拟月、旬和日时间尺度上的实际腾发量;利用黄河流域4个子流域的水文气象数据进行的验证表明,该公式能很好地模拟年尺度上的实际腾发量.位山站的数据分析还表明该方程中的唯一参数与叶面积指数有较好的线性关系.可以证明,该方程在长的时间尺度上与Budyko假设一致,在短的时间尺度上与Penman正比假设一致.     

悬移质泥沙运动相似条件探讨

根据紊流扩散理论所得的三维非恒定悬移质泥沙运动方程,利用相似理论,对悬移质泥沙悬移相似条件进行了初步探讨,结果表明,悬浮相似条件和沉降相似条件相同。众多学者之所以推导出与此条件不相容的悬浮相似条件,问题的关键在于泥沙紊动扩散系数比尺α_εSy 的求解中,引用了摩阻流速、对数流速分布和卡门 常数比尺这3个在变态模型中互不相容的等式条件。     

基于紊流模型的一个悬移质挟沙力公式

基于紊流模型，建立悬移质消耗的紊动动能与水流功率之间的相关关系，提出了一个新的悬移质挟沙力公式。公式经过实验资料与野外资料的验证，并与几个同类公式的比较，结果表明本文公式能更好的反应悬移质挟沙力随水流功率的变化。     

Numerical Simulation of Wind-Induced Motion in Suspended Sediment Transport

In regions with broad water surfaces such as lakes, reservoirs and coastal areas, the wind stress on the flow motion generates a significant impact. The wind stress is an unsteady force which makes numerical simulation difficult. This paper presents a two-dimensional (2-D) mathematical model of the impact of wind-induced motion on suspended sediment transport at Beijing's 13-Ling Reservoir. The model uses the Diagonal Cartesian Method (DCM) with a wetting-drying dynamic boundary to trace variations in the water level. The calculation results have been tested against in situ measurements. The measurements confirm the model's accuracy and agreement with the actual situation at the reservoir. The calculations also indicate that wind stress holds the key to suspended sediment transport at Beijing's 13-Ling Reservoir, especially when westerly winds prevail.     

爆破挤淤产生的悬浮物在潮流作用下的输移扩散研究

爆破挤淤填石是浅海工程中淤泥质软基处理中的常用施工方法.就围堤地基爆破挤淤处理产生的悬浮泥沙在潮流作用下的输移扩散过程进行数值模拟,并对不同时刻进行爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散对附近水域的影响进行了研究.研究结果表明,爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散运动与潮流运动密切相关,潮流的方向及水动力强度在一定程度上决定了爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散方向及范围;在该水域,爆破挤淤后,水体中由此而产生的悬浮泥沙浓度由于扩散和落淤而迅速减小,爆破挤淤6 h后,悬浮泥沙浓度增量基本降至10 mg/L以下,若在转流时段（憩流）进行爆破更有利于悬浮泥沙浓度的降低,对周边水域环境的影响较小.     

洞庭湖的泥沙输移特性

洞庭湖承泄长江三口和湘、资、沅、澧四水的来水来沙。作者应用大量的实测水文泥沙资料，分析了全洞庭湖和西洞庭湖、东、南洞庭湖年际输沙、年内输沙、不同粒径的输沙特点和规律，并对产生这些规律的原因进行了比较深入的研究。     

一二维耦合河网水沙模型研究

借鉴河网水流的三级解法,将二维河段概化为河网内部河段,通过河网节点流量和输沙量的平衡,建立一二维耦合河网水沙模型。模型采用全隐式方法建立二维河段以首末断面的水位和含沙量为中间变量的矩阵追赶关系,进而建立整个一二维河网的节点水位及含沙量的矩阵方程组。对方程组的求解,可实现一二维水沙模型的耦合求解。通过对长江下游大通至镇江概化河网的验证计算,表明模型具有很好的实用价值。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究简

 壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。     

黄河下游最小输沙用水总量的初步估算

黄河下游河道的输沙能力是冲积河流随来水来沙自动调整的结果。黄河下游输沙用水总量是黄河下游河道这种自动调整水沙关系的宏观表现。作者通过对1949-1953年黄河下游主要水文站实例资料的分析，找到黄河下游最小输沙水量，据此估算了黄河下游在小浪底水库投入运行后20年内的最小输沙用水总量。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究

壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。     

粗细泥沙挟沙能力研究

文中导出了均匀沙、非均匀粗细泥沙平衡和不平衡状态下的挟沙能力公式，反映出含沙量、来沙量、级配和粘性对挟沙能力的影响。