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。     

黄河下游游荡段过流能力调整对水沙条件与断面形态的响应

河道过流能力与主槽形态有关，而主槽形态又取决于上游水沙条件，分析过流能力与这两者之间的关系对研究黄河下游游荡段河床演变规律有重要意义。从典型断面和河段平均两个尺度，定量分析了黄河下游游荡段1986—2015年平滩流量与水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）及汛前主槽形态（河相系数）之间的响应关系。结果表明：① 1986年至小浪底水库运行前，游荡段淤积严重，主槽萎缩，河道过流能力急剧下降，自小浪底水库运行后，游荡段发生强烈冲刷，其断面持续趋向窄深，过流能力逐年恢复；②建立了断面和河段平滩流量与水沙条件及河相系数的幂函数关系，二者相关系数均在0.5以上，但河段尺度相比于断面尺度的相关系数至少可提高17%；③河段平滩流量与前5年汛期平均水流冲刷强度及河相系数的相关系数接近0.94，相应计算公式能较好地反映平滩流量的变化过程，为分析其他河段平滩流量的变化提供了参考方法。     

长江中游动床阻力计算

动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后，进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化，导致动床阻力的变化特点更复杂，有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据，选取弗劳德数（Fr）和相对水深（h/D₅₀）作为动床阻力计算的主要影响因子，建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数，采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明：① 长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区；② 基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式，决定系数（R²）约为0.89，阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。     

黄河下游动床阻力变化及其计算方法

动床阻力在冲积河道洪水演进与河床冲淤计算中具有十分重要的作用。黄河下游不同水沙条件下的床面形态变化较大,动床阻力变化规律十分复杂,因此需要研究动床阻力的计算方法。利用黄河下游花园口、高村、利津等7个水文站1958—1990年的686组实测数据,确定了影响动床阻力变化的关键水沙因子——水流弗劳德数（Fr）与相对水深（h/D₅₀）,前者表示水流强度,后者表示床面相对粗糙度;建立了基于水流能态分区的动床阻力计算公式,并采用这些实测数据率定了公式中的相关参数;利用黄河下游各水文站1991—2016年的2 288组实测资料,进一步验证了公式的计算精度。计算结果表明:动床阻力的大小随弗劳德数或相对水深的增加而减小;基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于未分区的公式及其他4个动床阻力公式,且决定系数（R2）总体接近0.80,说明水流强度与床面相对粗糙度对动床阻力影响十分显著。     

近期黄河下游游荡段滩岸崩退过程及特点

小浪底水库运行后,黄河下游游荡段河床冲刷剧烈,滩岸崩退过程较为显著。估算典型断面的滩岸崩退过程,不仅有助于全面掌握该河段的河床演变规律,同时也能为河道整治及规划等提供相关参数。以1999—2013年游荡段典型断面(水文断面及淤积断面)汛后实测地形资料为基础,确定了这些断面平滩河宽的调整过程,发现多年平均崩退速率最大达215 m/a;分析了影响滩岸崩退过程的不同因素,发现滩岸土体组成及力学特性、滩槽高差等因素虽对崩退过程有一定影响,但来水来沙条件是主要影响因素;分别建立了游荡段水文断面及淤积断面滩岸累计崩退宽度与前期5年平均汛期水流冲刷强度之间的经验关系,相关系数都在0.85以上。公式计算值与实测值吻合较好,可用来估算游荡段典型断面滩岸的崩退过程。     

黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型

采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.     

三峡工程运用后长江中游河床调整沿程变化特点

三峡工程运行后,坝下游河道发生持续冲刷。本文研究了长江中游(955 km)不同河段沿程演变差异及其原因。总体而言,河床形态调整幅度自上而下减弱,这是因为在河床持续冲刷过程中,水流含沙量沿程恢复,故越往下游冲刷相对缓慢。平面形态方面,长江中游岸线崩退及洲滩变形的强度均呈沿程减弱趋势,且在荆江河段最为显著。断面形态方面,河床冲深幅度在宜枝下段>荆江河段>宜枝上段>城汉河段>汉湖河段。理论上距离三峡工程最近的河段冲刷应最为剧烈,但由于宜枝上段床沙粗化显著,限制了冲刷的进一步发展。过流能力方面,宜枝河段由于距洞庭湖较远,并未受到入汇顶托作用,故其平滩流量的调整基本由进口水沙条件控制,并随着河床冲深下切而增大;对于荆江、城汉和汉湖河段,河床冲刷虽显著,但支流或湖泊的入汇顶托对平滩流量产生的影响大于前者,故平滩流量总体随上下游水位差同步波动。     

城市洪涝中雨水口泄流能力的试验研究

近年来中国城市洪涝灾害频发,对人民群众的生命财产安全造成了严重威胁,其中雨水口泄流能力的大小对于计算受淹区的积水程度或路面雨水的排除效率至关重要。为此本研究专门修建了具有上下两层结构的城市洪涝过程综合试验平台,考虑雨篦子、雨水井及侧支管等完整的雨水口结构,开展了76组不同来流水深及流速下的雨水口泄流能力试验。试验结果表明:雨水口的下泄流量在井身充满前后表现出不同的变化规律,即在雨水井充满前,路面雨水以堰流形式下泄;在雨水井充满后,以管嘴出流形式下泄。基于试验数据率定出雨水口堰流及管嘴出流时的流量系数,并进一步采用量纲分析法,建立雨水口的泄流能力与雨篦子尺寸、篦前水流的弗劳德数等因素之间的经验关系,具有较高的相关系数。采用本文公式计算原型尺寸雨水口的泄流能力,并与中国现行雨水口泄流能力的参考值进行对比,发现当水深较大时现行参考值偏大较多。本研究成果能为精细化的城市洪涝管理提供计算依据。     

黄河下游游荡段不同畸形河湾的演变特点

1980s中期以来,黄河下游游荡段经常出现畸形河湾,分析其演变过程及特点对游荡段治理具有重要意义.本研究采用黄河下游游荡段的遥感影像和实测断面地形资料,描述了不同畸形河湾的演变过程并分析其河湾形态参数和断面形态的变化.研究表明,黄河下游游荡段的畸形河湾具有演变周期短、扭曲程度较大和易发生自然裁弯等特点.游荡段不同位置畸形河湾的演变特点不同：游荡段上段的畸形河湾演变缓慢,裁弯历时长;中段的畸形河湾演变速率较高,河湾扭曲程度大;下段的畸形河湾演变速率高,容易发生自然裁弯.河湾形态参数可反映畸形河湾的演变过程,其变化特点与畸形河湾的形成和裁弯过程相对应.在畸形河湾形成过程中,曲率半径和河湾间距减小,弯曲度、水流夹角和河湾振幅增大.游荡段3个畸形河湾弯曲度的最大值分别为1.20、2.10和1.61,反映了不同畸形河湾的扭曲程度.“Ω”形畸形河湾裁弯后的曲率半径、水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其演变过程中最值的605%、59%、27%和133%.“M”形畸形河湾裁弯后水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其最值的37%、83%和152%.在畸形河湾形成时期,伊洛河口断面位于畸形河湾凹岸侧的滩地以94 m/a的速率崩塌.裁弯后,河槽冲刷,两岸滩地崩退,河槽展宽速率为148 m/a.河床底部的冲刷从深泓点逐渐向两边发展.     

黄河尾闾段一维耦合水沙数学模型研究及其应用

小浪底水库于1999年运用以后,该河道经历了长时间持续冲刷过程.为掌握小浪底水库运用后黄河尾闾段洪水演进特点及河床冲淤规律,采用一维水沙数学模型研究是一条重要的途径.本研究首先采用浑水控制方程,建立了一维耦合水沙数学模型,并利用2003年利津-西河口段汛期实测水沙及汛前断面地形资料对该模型进行率定,计算的流量、水位及含沙量等过程与实测值吻合较好;然后采用2015年利津—汊3段汛期实测资料对该模型进行验证,结果显示水位与冲淤量计算值与实测值较为符合;最后基于2015年实测洪水过程,计算了若干组不同断面间距下的洪水演进及冲淤过程,分析了不同断面间距对沿程水位及河段冲淤量等计算结果的影响,结果表明:采用不同断面间距对水位计算结果影响较小,而对冲淤量计算结果会产生一定影响;在河段水沙及冲淤特性复杂的情况下,采用一维数学水沙模型计算时应考虑断面间距的选择.