来沙条件对山区河流推移质输沙的影响

为研究山区河流推移质输沙规律,在西南山区吊嘎河进行推移质运动野外观测和人工加沙试验。观测发现,推移质输沙与水流条件并不存在一个特定的关系,山区河流推移质输沙明显受到来沙量、来沙强度、级配等条件的影响。在同样的水流条件下,推移质输沙率在汛前和第一次洪水后可能相差数百到上千倍,推移质输沙率-水流强度关系呈顺时针"绳套型"。试验表明,粒径较小的推移质颗粒(D20mm)运动主要决定于来沙条件,而粗颗粒泥沙的运动则主要依赖于水流条件。     

来沙条件对河床结构及推移质运动的影响过程

为了研究来沙条件对河床结构及推移质输沙率的影响过程,认识山区河流的推移质运动规律,选择在云南蒋家沟泥石流堆积体上进行野外试验。试验选择在非汛期进行,在试验河道采用人工加沙模拟上游来沙,对不同加沙率时的推移质输沙率及河床结构强度的变化过程进行连续监测。试验结果表明:上游来沙(或推移质运动)会使河床结构强度Sp降低,对河床结构造成危害,导致推移质输沙率的迅速增加;而推移质连续来沙必须先改变河道的河床结构强度才能增加推移质输沙率。在水流能量和河床结构强度相同的条件下,不同河流的推移质输沙运动相似。     

山区河流河床结构对推移质输沙率的影响

河床结构是山区河流河床在洪水过程中达到较强阻力及较高河床稳定性时床面大颗粒的组合,对山区河流的推移质输沙起重要影响．引入河床结构强度S对山区河流河床结构进行定量化研究,使用河床结构测量设备对河床强度进行测量,采用类似于坑测法的子母双槽进行推移质输沙率实测,对云南小江流域的15条主要支流河床结构及推移质输沙进行野外实测,发现推移质输沙强度至少受单宽水流能量与河床结构发育程度共同影响,在同等级水流能量条件下,河床结构的发育程度越高的河流（或河段）其推移质输沙强度越小,河床强度值越小的河流（或河段）推移质输沙强度越大．单宽水流能量小于50kg／（m·S）、河床结构强度大于0.35时,推移质输沙率接近零．     

基于颗粒跃移运动的推移质输沙率研究

采用高速摄像技术,对跃移颗粒撞击床面颗粒的过程进行了观测.通过求解跃移颗粒与床面颗粒的撞击模型,确定了速度恢复系数.纵向速度恢复系数主要由撞击面角度决定;垂向速度恢复系数主要由入射角度决定.通过求解跃移运动方程,建立了考虑颗粒碰撞影响的平均跃移高度、跃移速度计算式.基于平均颗粒浓度与有效水流强度之间的关系,推导出均匀推移质输沙率公式.经与水槽试验数据、天然河流实测数据的比较,本文公式具有良好的适用性和准确性,可以用于输沙率的预测.     

卵砾石河流推移质输沙率的模拟计算方法

根据山区和丘陵地区卵砾石河流的情况,提出对梅叶－彼得推移质输沙公式进行修正,使用式（８）的泥沙起动切应力公式,在分析的基础上提出粗细泥沙颗粒的隐曝系数公式和考虑水流床面切应力随机分布的计算方法,用以估计这类河流的推移质输沙率．经长江上水文站的实测资料检验与河道泥沙数模的应用,能满足工程计算的需要,取得较好效果,可作为这类河流中计算推移质输沙率的参考．     

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.     

基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式

针对推移质输沙率公式难以兼顾高、低输沙强度计算的不足，提出结构上考虑推移质泥沙滑移及跃移特征的输沙率计算公式.基于无后效Markov随机理论，通过改进泥沙状态转化概率矩阵，优化了泥沙随机交换过程的描述.综合考虑床面遮蔽、水流脉动特征及床面泥沙运动特征的影响，从理论受力分析及概率统计角度，确定了床面推移质泥沙数量.通过引入推移质泥沙滑动、跃移平均运动速度，建立基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式.最终计算结果与不同输沙强度下的试验及现场实测结果吻合较好，表明公式能兼顾高、低推移质输沙强度的计算，可应用于工程分析.     

水流强度指标与推移质输沙率

在对以往各种水流强度指标进行综合、归纳的基础上,提出了水流强度指标的一般形式,由此推导出通过推移质输沙率公式,并利用７００多组实测水槽资料地公式中的系数进行了率定,与其他几个推移质输沙率公式比较表明,推导出的新新公式具有相当高的精度。     

泥沙颗粒跃移运动机理

水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式,根据泥沙颗粒运动过程的受力分析,建立了忽略颗粒旋转和紊动影响的泥沙颗粒跃移运动模型,并采用数值计算方法,求解了跃移运动方程,得到了跃移运动参数（跃移长度、跃移高度、跃移速度）的统计特性,所得结论与实验资料吻合较好;通过对数值计算结果回归分析,得到了跃移运动参数以及输沙率的数学表达式,对于了解推移质运动机理有重要的意义．     

山区河流平面二维水沙数学模型研究

根据泥沙交换原理，建立了河道非均匀沙悬移质水流挟沙力及推移质输沙率的计算模式，将非均匀沙推移质与床沙的交换形式概化为单向淤积、单向冲刷及淤粗冲细3种基本形式，并建立了每种交换形式下的非均匀沙推移质有效输沙率的计算公式．针对天然河道边界复杂及天然河道长宽尺寸一般相差悬殊的特点，本文采用正交贴体网格．在此基础上建立了正交曲线贴体坐标系下的平面二维全沙数学模型．采用有限体积法对拟合坐标系下的水沙基本控制方程进行了离散，在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法．在北盘江坝油滩河道中对水位、水流流速以及河床冲淤等进行了验证计算及分析．数值实验表明，该模型能正确地模拟山区河流复杂的水流以及河床的冲刷、淤积过程。     

动床沙粒阻力与底沙输移

本文在输沙实验的基础上,从研究水流结构着手,分析了水流和泥沙之间的相互作用关系,讨论了动床沙粒阻力和底沙输移规律.结果表明,动床沙粒阻力与输沙有关.本文还导得动平床情况下的流速分布公式、阻力公式和输沙率公式,使动床的水流运动和输沙过程得以联解.通过295组水槽实测资料详尽的验证,证明本文结果与实测资料是一致的.     

江苏辐射沙洲海域推移质输沙率计算与分析

根据江苏省辐射沙洲潮流水道33个站次连续两个潮次的潮流、底沙实测资料,利用比较分析与拟合研究方法,对各潮流水道的推移质输沙率进行了计算与分析,明确了辐射沙洲主要潮流水道涨潮、落潮、全潮平均推移质单宽输沙率和输运路线;分析得出了1 m深流速流向和临底层流速、垂线平均流速有很好的线性关系;拟合构建了江苏省辐射沙洲海域主要潮流水道相应的推移质输沙率流速表达的动力关系式。利用4#~20#站位测量数据及对应计算结果计算拟合得出了西洋水道、豆腐渣腰门水道、陈家坞槽水道的推移质输沙率流速关系式。拟合得出了21#~24#站位所在水道的推移质输沙率计算式,得出了沙洲中心浅滩汊道推移质输沙率关系式;发现推移质输沙率流速表达式在辐射沙洲三个不同区域是有差别。最后利用33个测站的水文测量及计算结果得出了辐射沙洲的整个海域的推移质输沙率计算式。推移质输沙率能用流速很好的表达,一是方便于计算应用,二是可反映内在动力机理。     

基于水流功率理论的动床阻力计算方法

冲积河流阻力是泥沙运动力学中的一个重要问题．利用1844组实测资料，基于水流功率的概念建立了总水流功率与有效水流功率的经验关系．在泥沙起动前后总水流功率与有效水流功率基本一致；在低能态区，由于有沙垄、沙纹出现，总水流功率明显大于有效水流功率；在高能态区，从动平整床面到沙浪的出现，总水流功率又逐渐背离有效水流功率．用近10000组水槽和天然河道资料验证表明，该经验关系式精度较高．     

光滑壁面明渠底壁切应力试验研究

在分析Preston管量测试验资料的基础上,对比了明渠均匀流和非均匀流的底壁切应力在不同水力条件下的规律,指出断面中心处底壁切应力、平均底壁切应力和切应力的分布等几个切应力公式在均匀流时适用,在非均匀流时不全适用.均匀流时,切应力在同一坡度下随流量的增加而增大,在同一流量下随坡度的增加而增大;非均匀流时,在相对水深相同时,其相对底壁切应力大致相同.     

明渠非恒定流及输沙试验系统

为研究明渠非恒定流运动特性和输沙机理,建立了长20m,宽29.5cm,高40cm的水槽非恒定流实验系统。该系统包括变坡水槽、供水控制、水位和流速量测、推移质循环及测量5个部分。通过计算机控制生成设定的非恒定流过程;沿水槽架设的6个压力传感器监控沿水槽的水位变化;采用二维激光流速仪测量垂线流速分布。初步试验结果表明:该系统可以生成稳定可重复的非恒定流过程,得到包括水深、流量、流速及输沙率变化的大量非恒定流试验数据,为洪水波的运动特性及输沙特性研究奠定了基础。     

葛洲坝水利枢纽下游近坝段二维水沙数值模拟

针对长江中游葛洲坝水利枢纽下游近坝段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,应用非均匀悬沙、底沙二维数学模型,考虑底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键环节如卵石夹沙河床水流的有效挟沙能力、非均匀沙起动概率及非均匀沙推移质输沙率的计算提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对该方法进行了葛洲坝水利枢纽运行后、1998年洪水前后及三峡工程运行后水面线、流速分布及冲淤过程的验证.结果表明,该方法可以应用于三峡工程运行初期河床演变预测研究.     

准二维非恒定非均匀泥沙数学模型

在一雏非恒定非均匀泥沙数学模型研究的基础上,提出了可以模拟横向冲淤变形以及河宽变化的准二维非恒定非均匀泥沙数学模型．将横断面沿河道流向分成若干个流管,对每个流管利用非耦合法分别求解水流方程和泥沙方程．运用Preissmann四点偏心隐式格式对水流连续方程和运动方程进行离散,并用追赶法求解．采用迎风格式将悬移质连续方程离散成差分方程求解．根据最小能耗率原理,判别河床冲淤变化方向,以确定河宽是否变化、该模型弥补了以往大多数准二维泥沙数学模型只能按等流量划分流管,且只能模拟恒定流、均匀沙、固定河宽情况下的河床冲淤变化的缺陷．利用青铜峡水库实测的水沙资料,对所建立的模型进行了验证,计算结果与实测值吻合良好．