长江中游河道床面冲淤及河岸崩退数学模型研究及其应用

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,局部河段崩岸现象较为突出,尤其在荆江河段.崩岸不仅影响局部河段河势的稳定,同时还影响两岸防洪及航运安全.本研究通过耦合一维水沙动力学模块、潜水位变化模块以及二元结构河岸稳定性分析模块,建立了模拟坝下游冲积河道床面冲淤及河岸崩退的一维耦合数学模型.采用该模型分别计算了不同年份长江中游荆江段的河床变形过程,对模型进行较为详细地率定和验证.计算结果表明:该模型能较好地反演研究河段内的水沙输移过程,并能模拟出主要崩岸发生区域及崩岸宽度;崩岸主要受近岸水流冲刷作用控制,但河岸土体内潜水位变化对上荆江河段崩岸的影响也较为显著;在下荆江河段,超过50%的河岸在洪峰期发生绕轴崩塌现象.此外,还分析了河段出口水位及河岸土体特性参数变化对崩岸计算结果的影响,这些参数的敏感性测试结果表明:当出口断面水位由于洞庭湖入汇而上升时,河段水面纵比降及平均流速减小,导致研究河段内崩岸宽度会有所降低;土体起动切应力的减小对河岸崩塌的影响最为显著,尤其在下荆江河段.     

近50年来荆江监利段河床平面及断面形态调整特点

利用近50年来实测水沙及地形等资料,采用河段平均的方法,详细计算了监利段河床平面及断面形态的调整过程,主要包括河道深泓线及岸线变化、平滩河槽形态调整及其与前期水沙条件之间的关系.计算结果表明:上车湾裁弯后监利河段河势调整剧烈,其河段尺度的年均深泓摆幅约为35.1 m/a,20世纪90年代因该河段高水位历时较长深泓摆幅增至45.4 m/a,三峡工程运用后受护岸工程影响该值降至32.8 m/a.2002~2013年监利河段年均崩退速率约为14.3 m/a,岸线累计崩长达15.4 km,其中左岸占64%;荆江门、七弓岭及观音洲河湾的凸岸发生崩退,岸线崩长占河段崩岸总长的43%.目前该河段的曲折系数稳定在2.02,而局部河段——七弓岭河湾的曲折系数随八姓洲狭颈逐步缩窄增至3.82,有发生自然裁弯趋势.监利河段典型崩岸断面的平滩河宽可随水沙条件的改变迅速做出响应,但由于大规模护岸工程的修建,河段尺度的平滩河宽变化不大;断面形态调整主要表现在河段平滩水深变化方面,已累计增加约0.9 m,相应平滩面积增加近6.6%,且二者均与前5年汛期平均的水流冲刷强度密切相关.此外在持续冲刷过程中,监利段河床纵比降趋于调平,目前稳定在4.35×10~(-5)左右,河床在纵深方向上趋于稳定.     

下荆江急弯段凸冲凹淤演变过程与机理

三峡工程运用后,下荆江急弯河段出现凸冲凹淤的弯道演变现象,威胁防洪与航运安全.下荆江8个弯道为急弯(相对曲率B/R>0.5), 6个急弯段的弯顶上游区域发生了明显的凸冲凹淤过程,且主要表现为凸岸边滩冲刷下切、河岸持续崩退,凹岸深槽回淤并形成长条形心滩,导致断面形态由不对称的三角形变为W形.本文采用水沙及实测流场资料,从水流流速重分布、来沙组成变化及河岸土体组成等3个方面研究了急弯段凸冲凹淤的演变机理.结果表明:(1)急弯段水流流速重分布规律有利于弯顶上游凸冲凹淤现象的形成,在弯顶上游段流速分布主要受曲率变化控制(贡献率占67%),导致主流长期偏靠并冲刷凸岸,凹岸流速较小且易形成水流分离区,利于泥沙落淤;(2)由于上游来沙量减少约82%,细沙比例减小,粗沙比例增加,导致弯顶上游凸岸边滩冲刷后,无法及时回淤,故凸岸边滩总体呈冲刷下切趋势,但粗沙可在流速较小的凹岸侧落淤形成心滩;(3)在凸冲凹淤过程长期作用下,河床横比降减小,曲率变化对流速横向分布的贡献率增大,主流继续向凸岸摆动,进一步促进了凸冲凹淤过程的发展.因此,在水沙条件相对稳定的情况下,下荆江急弯河段凸冲凹淤过程会继续发展,在...     

黄河下游游荡段滩岸土体组成及力学特性分析

黄河下游游荡段是下游河床冲淤变化的主要河段, 滩岸侵蚀是该河段清水冲刷期河床演变的一个重要特点, 其过程与滩岸土体组成及力学特性密切相关. 本文首先分析了花园口至高村游荡段近期的滩岸侵蚀情况, 然后对这一河段的 10 个典型滩岸进行了现场查勘与室内土工试验, 最后根据试验结果, 较为全面地揭示了游荡段滩岸土体组成, 而且深入分析了滩岸土体的力学特性, 定量地解释了游荡段滩岸侵蚀严重的两个原因. 结果表明, 游荡段大部分滩岸土体属于黏性土, 且具有较为明显的垂向分层结构; 滩岸土体因黏粒含量少、抗冲强度弱, 其起动切应力(0.1~0.3 Pa)比近岸平均水流切应力(2~3 Pa)小一个数量级, 故容易冲刷; 滩岸土体的抗剪强度随土体含水率增加而降低, 其凝聚力可由34 kPa急剧降低到4 kPa, 故滩岸土体容易在汛期发生崩塌.     

塔里木河下游输水廊道植被恢复的生态学评价

通过2002年10月和2003年10月, 下游断流河道英苏、阿拉干、罗布庄3个植被样带的两次实地监测资料的对比分析, 探讨了河岸林对生态输水的响应. 研究表明, 生态输水忽视了是季节性的洪水泛滥支配了胡杨林在河漫滩裸地的侵移过程, 而集中于地下水对植被的影响, 缺乏漫溢的输水方式偏离了河岸林生存和发展的内在规律, 抑制了河岸林的自然更新; 河岸乔灌木植物响应范围十分狭窄, 多数地段河岸林群落结构亦未得以优化; 输水未能结合河岸林植物生理生态学特性, 未见胡杨种子实生苗. 生态输水后, 近河道地段河岸林植被变化, 仅仅体现了中生性植物类型对地下水水位变化的响应. 目前的生态输水没有创造胡杨的实生苗发生环境, 难以实现种群的天然更新.     

长江三峡ADP流速剖面特征及其水文地貌环境意义分析

2002年5月21日至6月2日间, 利用ADP等仪器对重庆至宜昌段三峡河床进行了纵剖面流速及地形的测试. 工作期间的流量小于15000 m³/s. 结果表明重庆至万县段流速与河宽成正比, 最高流速达3.0~4.0 m/s, 一般出现在河宽大于1000 m, 水深小于20 m, 由巨砾和卵石滩组成的碛滩部位, 过水断面面积很小. 相反, 低流速出现在水深较大的河床部位, 河宽小于500 m, 河谷呈准“U”字型, 过水断面面积较大. 万县往下至奉节河段, 最大流速基本都出现在水深大于50 m的峡谷河床部位, 流速大于上部碛滩河段, 河宽较小(小于600米), 河床呈“V”字型, 过水断面面积较小. 奉节至秭归河段, 水深大的部位, 河宽小(小于500 m), 河床呈“W”字型, 过水断面面积较大, 流速变小. 研究表明过水断面控制着流速分布. 秭归~葛洲坝之间出现缓流区(包括西陵峡), 流速小于1.0 m/s, 为葛洲坝建坝后效应. 另 外, 葛洲坝建坝25年来河床明显淤积, 库区河床淤积抬高达20 m, 并且出现水面壅水现象, 向上游可延伸150 km. 坝下底床出现15~20 m的冲刷现象.     

汶川地震唐家山堰塞湖泄流过程的数值模拟

“5.12”汶川特大地震造成了重大人员伤亡和财产损失, 而山体滑坡形成的堰塞湖不稳定而易于发生溃决, 造成洪水灾害, 是震后急需防御的次生灾害重点和难点. 除了大量的现场勘测外, 对泄流及堰塞体冲刷过程的研究, 是制定下游避险、抢险方案的关键. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室曾为规模最大、威胁最严重的唐家山堰塞湖抢险提供了及时的技术支持, 本文是部分工作的总结. 针对唐家山堰塞湖特定的泄流动力学过程, 开发了平面二维水沙数学模型, 扩展了基本方程, 考虑了堰塞体形成的河床变形对水流运动的影响, 提出了高精度且高效率的边界跟踪算法, 分析了堰塞湖泄流过程以及堰塞体冲刷发展的机制. 结果表明, 河床变形对泄流影响较大, 堰塞体以溯源冲刷为主, 计算得到的泄流流量、堰塞湖水位与 实际观测值吻合较好, 这些结果已经很好地服务于唐家山堰塞湖下游应对方案的确定.     

塔里木沙漠公路沿线地下水位的时空变化及其影响因素分析

在沙漠公路沿线设置了地下水监测断面,获得了定位实测的地下水位数据,实测资料结合水文资料、地下水地表水相互转化理论以及地下水动力学原理,分析了地下水位的时空变化规律.认为地下水位埋深空间分布主要受沙丘高度和地形变化影响.地下水位随时间变化的主要影响因素可分为4类,就影响水位变化的幅度而言,防护林工程抽水>垂直排泄作用>河流流量变化>渗流补给作用;而就影响范围而言则渗流补给作用影响范围最大,防护林工程抽水影响范围最小.地下水位的年际变化呈自然波动状态.     

植被生理生态学数据表征的合理地下水位研究--以塔里木河下游生态恢复过程为例

结合对塔里木河下游不同断面地下水位变化和植物生理生态特性的分析测试,研究了塔里木河下游主要建群种胡杨和柽柳在不同地下水位条件下的生理响应和适应性,探讨了塔里木河下游干旱环境下胡杨、柽柳的合理生态水位问题．研究结果表明,胡杨和柽柳叶片的可溶性糖、游离脯氨酸、内源植物激素脱落酸以及细胞分裂素浓度等与地下水位埋深有着密切的关系．随地下水位埋深加大和植物受到的生理胁迫加强,植物叶片的细胞分裂素浓度逐渐减少,而可溶性糖、游离脯氨酸和脱落酸含量增加,在距河道最远处(500m)达到最高值;比较胡杨、柽柳对不同断面地下水位变化的响应可见,在地下水位埋深较浅的亚合浦马汗断面,胡杨、柽柳的各项生理指标变化较小,而在地下水位埋深较大的依干不及麻断面,随地下水位埋深加大,可溶性糖和内源植物激素脱落酸含量呈线性关系增加,其中游离脯氨酸含量在距河道300 m处出现异常积累,反映了植物生理受到强烈胁迫;同时还发现,在一定强度的水分胁迫下,柽柳的生理过程较胡杨强烈,对地下水位埋深变化更为敏感,胡杨的抗旱性较之为强;结合样地调查结果,推测塔里木河下游胡杨、柽柳的合理生态水位埋深在4 m以内,9 m以下为胡杨和柽柳死亡的临界地下水位．     

表征孔隙孔径分布的岩土体孔隙率模型及其应用

指出了现有岩土介质的孔隙率模型不能准确表示孔隙的孔径分布特性,提出了3种孔隙率模型.利用3种模型对黏土在二维空间和生态护坡材料在三维空间的微观孔隙孔径分布进行预测,显示了无论是总孔隙率或各级孔径下的累计孔隙率,预测值与实测值均非常接近.利用孔隙率模型,给出了基于土体微观孔隙结构的固结变形计算公式,在低固结压力下压缩应变计算值与实测值相差约0.007;建立了多种非饱和土的土-水特征曲线模型,从形式上包含了现有的土-水特征曲线模型,由于模型中的颗粒分布分维数是建立在孔隙分布特性的基础上,其物理意义更为明确;最后给出了土体黏聚力及体积密度与土样尺寸的关系式,验证了黏聚力及体积密度随土样尺寸增大而减小的规律.     

路基压实效果及其影响因素探讨

路基作为公路的重要组成部分,是路面的基础,它不仅承受着土体本身的荷载作用,还承受着行车荷载的反复作用,是公路的承重主体,所以路基的强度和稳定性是非常重要的.路基的压实工作,是路基施工过程中一个重要工序,是保证路基获得强度与稳定性的根本技术措施之一.文章对影响路基压实效果的几个因素进行了探讨.     

钙蒙脱石脱水作用中压力影响因素的研究

在泥、页岩中广泛存在的蒙脱石族矿物,使油气勘探和开采工作产生了各种各样的问题,其中包括钻洞扩大和滑塌或者岩基崩塌.在页岩压实和成岩过程中,蒙脱石族矿物的脱水作用,被建议为是页岩中产生超压的机制.在地震带中,蒙脱石族矿物层间含水量强烈地影响到平移断层的稳定性.在放射性废物处理中人们广泛地采用蒙脱石作为回填料。蒙脱石族矿物的这些浅部地球化学行为,都同它在埋藏条件下层间水的稳定性密切有关。但目前     

东海黑潮主段G-PN断面的多核结构

东海黑潮流速剖面速度分布是黑潮研究中的基本问题. 本文基于1955~2001年东海G-PN断面水文资料, 在合理数据预处理的基础上, 采用动力高度法计算了垂直于断面方向的流速分布. 通过对计算结果的归纳分析, 详细给出了东海黑潮主段典型的流况分布形式, 以及多核结构的尺度估计、特征分析和流核位置时空变化, 以进一步研究东海黑潮的变异. 主要结果表明, (1) 东海黑潮流轴段存在单核、双核、三核或更多核结构等基本流形态. (2) 东海黑潮流结构有较显著的时间变化. (3) 流结构和季节紧密相关, 流核数在秋季偏多, 且多核结构多出现在秋季.     

青藏高原安多高压基性麻粒岩的发现及其地质意义

在青藏高原安多微陆块中发现了高压基性麻粒岩,其峰期矿物组合为石榴子石+单斜辉石+石英+金红石.该高压麻粒岩经历了两期退变质作用,退变质矿物呈后成合晶产状,早期退变质矿物组合是Opx+Pl±Spl,晚期退变质矿物组成是Hbl+Pl.温度与压力计算表明,高压麻粒岩相峰期变质温度为860~920℃,压力为14.6~15.6kbar;早期退变质的形成温压为820~890℃和8.8~11.5kbar;晚期退变质条件为550~670℃和5.2~6.5kbar.其退变质作用P-T轨迹为顺时针型近等温降压到降温降压的过程,指示该麻粒岩经历了俯冲至深部地壳层位(~50km),之后又快速抬升到浅部地壳(~20km)的变质过程.该高压麻粒岩的形成可能与安多微陆块和羌塘地体中生代时期的弧-陆碰撞作用有关,这对探讨青藏高原的构造演化具有重要的意义.     

塔里木河下游干旱胁迫条件下柽柳生理代谢的响应

以塔里木河荒漠河岸林的主要建群种之一柽柳为研究对象, 分析了塔里木河下游不同区段、不同地下水位状况下柽柳体内叶绿素、可溶性糖、脯氨酸(PRO)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、生长素(IAA)、赤霉素(GA₃)和脱落酸(ABA)等主要生理指标的变化特点. 研究表明, 这些生理指标和地下水位存在着比较密切的相关关系; 在干旱胁迫条件下, 柽柳通过协调自身生理代谢过程以共同抵御干旱胁迫; 在塔里木河下游, 柽柳正常生长的合理生态水位在2~4 m, 地下水埋深超过4 m时, 柽柳生长开始受到胁迫, 6 m以下则受到严重胁迫, 10 m为柽柳死亡的临界地下水位. 这一结论为探讨荒漠植被的抗旱机理和实现塔里木河流域输水效益的最大化提供了重要依据.     

湖岗光释光测年揭示的近200 ka 兴凯湖湖泊环境演化

横跨中俄边界的兴凯湖是东北亚最大的淡水湖, 该湖北部平原上展布有四道由风浪搬运堆积而成的湖岗, 主要发育于湖泊持续稳定的扩张期, 并在大规模湖退过程中保存. 利用湖岗剖面沉积物中的18 个光释光测年数据, 对各道湖岗进行了系统的年代学研究并恢复出其主要的发育时期, 结合多项指标分析, 发现近200 ka 兴凯湖北部和东北部湖岸线阶段性向南退缩, 期间至少出现了4 次大规模湖侵和3 次湖退, 在193~183, 136~130, 24~15 及3 ka 至今为湖泊稳定扩张期, 各期结束后湖水快速大幅退缩. 研究结果显示中更新世以来兴凯湖大规模的扩张和收缩分别与全球气候冷期和暖期相对应, 气候冷暖变化通过影响流域内河谷的冲积积累强度和湖区的相对湿度控制湖泊的长期演化. 此外, MIS3a 时期兴凯湖发生的一次大规模湖侵可能与该期较大降水有关, 而在千年尺度上短期湖泊水位波动也更直接地响应于区域降水的变化.     

疏散准备时间及出口宽度对人员疏散影响的模拟

在人员疏散计算过程中, 通常将疏散准备时间取为一定值, 而事实上它是一个服从概率分布的随机变量. 通过利用GridFlow疏散模型研究了疏散准备时间及出口宽度对人员疏散的影响. 在一个单空间建筑条件下, 研究了疏散准备时间服从正态分布时, 在不同人员密度条件下, 对人员疏散的影响情况. 同时, 比较了当疏散准备时间服从正态分布和取为定值两种情形时计算得到的疏散时间的差异, 阐述了当疏散准备时间取为定值时可能导致的两个主要缺陷. 基于拥塞与排队理论, 对计算结果进行了分析. 此外, 当疏散准备时间服从正态分布时, 研究了出口宽度对整个疏散时间的影响. 最后, 根据计算结果, 分析了整个疏散时间的概率分布状态. 结果表明, 当疏散准备时间平均值比较小的情况下, 人员疏散时间主要受人员密度的影响; 随着疏散准备时间平均值的增加, 人员疏散时间受人员密度变化的影响越来越小. 对于较长的疏散准备时间、较低的人员密度或较宽的出口, 当疏散准备时间服从正态分布时, 总的疏散时间也服从正态分布.     

青藏高原多年冻土变化与工程稳定性

气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大、地下冰融化, 导致路基工程稳定性变化. 本研究在综述青藏高原多年冻土变化和冻土工程研究重要进展的基础上, 利用青藏公路和青藏铁路沿线冻土与工程监测数据, 给出了青藏高原多年冻土温度和活动层厚度变化及其与气候变化的关系、多年冻土对工程活动的响应过程, 青藏铁路工程稳定性动态变化以及块石结构路基降温机制和过程. 最后, 提出了在气候变化下冻土工程将来亟待解决的关键科学问题.     

肌球蛋白分子马达的多力场耦合机理分析

肌肉收缩中肌球蛋白分子马达的微观循环过程动态力学原理尚未揭示清楚,从影响肌球蛋白分子马达的vander Waals力、Casimir力、静电力及布朗力耦合作用入手,研究了肌球蛋白分子马达向肌动蛋白丝接近过程中的动态力学行为,构建了相应的动力学模型,并通过Monte Carlo方法对随机动力学方程进行了模拟计算.结果表明,接近过程中当分子马达与肌动蛋白丝表面距离大于3nm时,起主要作用的力为Casimir力和静电力;当距离小于3nm时,vander Waals力和静电力使分子马达向肌动蛋白丝轨道快速接近.通过比较几个力的影响发现,接近过程中两结合位点的静电力起主导作用,计算结果与肌球蛋白分子马达实验结果符合较好.     

雅鲁藏布江流域冰川分布和物质平衡特征及其对湖泊的影响

雅鲁藏布江流域冰川正在强烈退缩并对湖泊过程产生了重大影响. 通过对雅鲁藏布江流域内冰川分布和大陆型冰川与海洋型冰川物质平衡变化的研究, 指出近期流域内冰川物质平衡呈强烈亏损状态. 结合纳木错湖和然乌湖地区冰川湖泊变化研究, 发现冰川物质平衡强烈亏损特征对湖泊变化具有重要影响, 主要表现为冰川融水对于近期湖泊面积扩大和湖泊水位上升的补给作用.