清水冲刷下均匀天然沙含沙量恢复过程试验研究

水库修建后,清水下泄将造成坝下游河道处于冲刷状态,引起河势调整,给下游防洪、水资源利用及航运等可能带来一系列不利的影响;由于坝下游清水冲刷过程的复杂性,沙质河床含沙量沿程恢复规律一直是河流泥沙动力学的难度问题之一.基于此,首先本文根据湍流猝发理论推导出清水冲刷下沙质型河床含沙量沿程恢复的理论公式,然后利用配置精密仪器的变坡水槽试验进行相关研究,并根据试验数据分析不同条件下垂线平均含沙量沿程恢复的特性.试验成果显示,当流量、床沙粒径不变,河床比降为0.5‰、1.0‰与2.0‰时,垂线平均含沙量恢复过程差异性较小,但随着冲刷距离发展α_1(近底处含沙量与垂线平均含沙量比值)递减而α_2(近底处挟沙能力/垂线平均挟沙能力比值)略有增加,且在清水冲刷发展过程中α_1是一个逐渐靠近α_2的动态变化过程;当床沙粒径与河床比降不变,流量越大,水流垂线平均含沙量恢复饱和的数值与距离越大,α_1、α_2数值同样也越大;当流量、河床比降不变,床沙粒径颗粒越细,含沙量恢复饱和时的数值越大,恢复距离也越长,反之亦然.     

近30年黄河下游游荡段平滩面积及流量变化特点

上游水库蓄水拦沙运用会引起坝下游河流水沙条件的改变,导致坝下游平滩河槽形态与过流能力发生调整,给防洪规划、滩岸土地利用等带来了一系列影响.利用黄河下游游荡段1986～2016年水沙及断面地形等实测资料,分析了小浪底水库运用前后断面及河段尺度平滩面积及流量的变化特点,建立了河段平滩面积及流量与水沙条件的经验关系.计算结果表明:1986～2016年,游荡段平滩面积及流量总体均呈现出先逐渐减小再增加的趋势;综合考虑汛期及非汛期水沙条件对河床形态及过流能力调整的重要影响,游荡段平滩面积及流量:(1)与前期4年等权重平均的汛期及非汛期水流冲刷强度之间拟合关系较好,决定系数R~2分别为0. 926和0. 901;(2)与汛期及非汛期的水沙条件均呈正相关关系,其中平滩面积对汛期平均水流冲刷强度的变化更为显著,而平滩流量对汛期与非汛期平均水流冲刷强度变化都较为明显;(3)与前期4年非等权重的汛期及非汛期水流冲刷强度之间拟合关系也较好,R~2分别为0. 929和0. 906;(4)与非等权重计算相比,等权重计算的经验关系式已经达到一个较高的精度,且计算过程简便,因此便于实际应用.     

坝下河段悬移质和推移质沿程冲刷过程研究

通过三门峡水库、丹江口水库和三峡水库坝下河段水文泥沙实测资料,研究了坝下悬移质沿程恢复的一般规律,结果表明:含沙量和悬移质中值粒径沿程先增长后减小,两者峰值均随冲刷时间发展而向下游移动;含沙量恢复距离与流量大小正相关,与床沙补给粒径反相关,大流量恢复距离长,小流量恢复距离短,粗沙恢复距离长,细沙恢复距离短;河床冲刷由含沙量恢复特性决定,粗细颗粒泥沙均在恢复过程中则河床粗细均冲,粗颗粒已恢复而细颗粒仍在恢复过程时河床淤粗冲细.开展了清水冲刷水槽试验,研究了坝下推移质在冲刷中的贡献和级配调整特点,主要结论如下:当床沙初始可悬百分数小于40%,河床以推移质冲刷为主,相反则以悬移质冲刷为主;推移质级配随冲刷历时粒径先增粗再变细最后趋于稳定.     

东江干流的来水、来沙变化趋势及其非线性分形特征

通过对东江干流博罗站的1954年至2002年的流量、含沙量和输沙率月序列的变化趋势及其非线性分形特征的分析,发现东江干流的流量长期变化趋势是逐渐递增的,而含沙量与输沙率是逐渐递减的;流量的分维数大于含沙量的分维数,表明东江干流的水沙同源性较差,异源差异性较大,这与东江流域水利工程对河道水、沙再分配的调节强度很大有关,这种高强度、大范围的水沙调节,不仅影响这东江干流及其下游三角洲的河床演变,而且对整个流域的航道整治也将产生一定的影响。     

三盛公水库运用对下游河道输沙的影响

通过建立一维水沙数学模型,分析了不同下泄流量与含沙量条件下三盛公水库下游河道的水沙输移规律,统计了河道的含沙量、累计冲淤量和河段沿程冲淤量,并计算了河道单位长度冲淤量,定量分析了不同河段的冲淤特点。结果表明：流量相同的条件下,进口含沙量越大,河道沿程淤积量和累计淤积量越大,但水库下游100km后水体含沙量逐渐趋于一致,与进口含沙量无关;水库的下泄流量和含沙量对下游河道的冲刷和淤积影响明显,下泄含沙量不大于3kg/m3时,下游河道以冲刷为主;水库至三湖河口河段冲淤变化受上游来水来沙条件影响明显,该河段冲淤平衡来沙系数在0.004kg·s/m6附近。     

三峡建库后荆江三口分流的变化

根据近50年来的实测资料,分析了三口分流变化的原因,得到了影响三口分流最主要的因素是荆江河段水位变化以及三口分流洪道冲淤变化,而近期造成这些变化的主要原因是长江干流水沙变化.其中,在1955-1990年期间,荆江河段水位下降、三口分流洪道淤积导致三口分流比急剧递减;1990年至蓄水前,荆江河段水位、三口分流洪道冲淤均变化不大,三口分流比也基本变化不大.三峡蓄水以后,长江干流含沙量将会大幅度地减少,本文结合三峡水库下泄水沙过程及下游河道冲刷的研究成果,估算了三峡水库运行20年后三口分流洪道的冲刷深度以及分流比变化.结果表明:三峡建库20年后,荆江河段中、高水位下降幅度有限,三口分流洪道河床高程下降幅度较大,因而三口分流比将不会减少.     

洋山深水港区年平均含沙量的推算

利用工作船站1998—2008年逐日表层含沙量和短期水沙观测资料,分析了洋山深水港区海域的含沙量分布特征,提出适用于其他海域的年平均含沙量推算方法。分析表明:受长江入海泥沙减少的影响,工作船站2005—2008年表层年平均含沙量减少约17%;月均含沙量表现出明显的"冬高夏低"的季节性变化特点,与长江入海泥沙向南扩散的季节性密切相关。洋山海域表层含沙量和垂线平均含沙量的回归分析表明二者呈显著的线性关系。根据年平均含沙量计算结果,西口门附近年平均含沙量为1.01kg/m3,西港区和蒋公柱前沿年平均含沙量约为1.35kg/m3,颗珠山汊道由于受"峡道效应"的影响,年平均含沙量较高,为1.31～1.75kg/m3。以洋山西港区为例,估算年回淤量,取得较好的效果。     

长江口北支枯季水沙输移分析

基于2002年3月长江口水文测验资料,分析该年枯季长江口北支的悬沙运动和水沙输移特点。结果表明:北支含沙量大潮最大,中潮次之,小潮最小。流速变化先于含沙量变化,在半个半月潮周期内,含沙量峰值中潮时出现双峰;而大潮和小潮时均为单峰;全潮北支水沙为净向陆输移。青龙港大、小潮期间出现水沙全倒灌,黄瓜沙南水道是水沙倒灌的主要通道;而北水道以水沙过往为主,且净向海输移,南小北大的潮流流速造成了南岸淤积,北岸冲刷的态势。     

新水沙条件下荆江河段强冲刷响应研究

三峡工程运用后,坝下游荆江河段水沙条件重新分配,其河床进入剧烈冲刷状态,揭示其河床响应综合特征可进一步丰富水库下游河床演变规律.本文通过原型观测数据对比分析,阐述了荆江河段水沙重分配特性,多方面揭示出河段的强冲刷响应特征.研究结果表明:三峡工程运用带来了坝下游荆江河段水量过程上的重分配,沙量区域上及过程上的重分配,从而激发其河床的高强度冲刷响应,其中既有枯水位下降、断面窄深化、床沙粗化等常规响应,也有上荆江分汊河段"支汊冲刷发展"、下荆江急弯河段"凸冲凹淤"等异常响应.     

皇甫川流域含沙量-流量关系年内年际变化特性

研究不同时间尺度的水沙关系对认识流域土壤侵蚀和泥沙输移有重要意义.本文基于皇甫川流域1958～2015年的含沙量及流量数据,采用方差分析,分析了3时间尺度(次洪过程、日、月)不同流量级含沙量及含沙量-流量关系的年内年际变化特性.结果表明:次洪过程、日和月尺度含沙量与流量之间均显著符合幂函数关系(p 0. 05);年内发生多场洪水过后,由于泥沙补给限制,次洪过程含沙量-流量幂函数关系中的系数a显著降低,指数b增加;随水土流失治理及退耕还林(草)措施的开展,与1958～1984年对比,1999～2015年次洪过程各流量级对应的含沙量显著降低,3时间尺度含沙量-流量幂函数关系均发生显著变化,但各时间尺度系数a和指数b的变化模式存在差异,表明不同时间尺度下水沙关系对人类活动的响应模式不尽相同.     

海洋工程对钦州湾岸线地形及泥沙冲淤的影响

【目的】海洋工程对海湾港口的冲淤环境有一定的影响,而近20多年来钦州湾海洋工程建设较为频繁。了解该地区地形地貌的变化,可以给海洋开发提供参考。【方法】采用外业调查、资料分析与数值模拟等手段对钦州湾围填海与海洋开发建设引起的岸线变迁、地形改变、泥沙冲淤等问题进行研究。【结果】近20多年来,钦州湾大规模海洋开发活动导致海湾面积明显缩小,岸线变化呈现平顺化趋势,人工岸线逐渐替代自然岸线。钦州湾东部浅滩因填海使得0m等深线被阻断,而10m等深线因东航道扩建得以贯通至湾口。钦州湾的泥沙主要来源于陆相径流、海相输送以及近岸海洋工程建设等几个方面;含沙量分布随季节变化而不尽相同,但总体属低含沙量范畴。数值模拟结果显示,钦州湾总体呈现微冲微淤的稳定态势,但在龙门水道等急流水域,底床冲蚀较为明显。【结论】在钦州湾东部,因大规模围填海建设,导致局部海域的冲淤环境发生显著改变:三墩公路东侧中部的潮滩,由微弱淤积状态转变为明显冲蚀状态,年冲刷量可达0.07m。     

Analysis on river sediment changes of the upper reaches of Yantze River

The sediment load and river sedimentation of the upper reaches of Yangtze River has been undergoing constant changes as complex landform, large mountain area and plentiful precipitation make the drainage area of Yangtze River very vulnerable to water erosion and gravity erosion. Through analyzing the hydrological and sediment load statistics recorded by major hydrological stations along Yangtze River since 1950s, and editing the accumulation graph of annual runoff volume and annual sediment load, we find out that the suspended-sediment of Yangtze river has been decreasing year by year in Wulong Hydrological Station on Wujiang River. Beibei Hydrological Station on Jialingjiang River, Lijiawan Hydrological Station on Tuojiang River and Gaochang Hydrological Station on Minjiang River, Yichang Hydrological Station, Cuntan Hydrological Station along Yangtze River mainstream share the same experience too. But the statistics obtained at Pingshan Hydrological Station on Jinshajiang River shows the sediment load there has increased. Taking ecological construction, hydraulic engineering construction and precipitation changes into consideration, the thesis analyses the causes for the sediment load decrease of Jialingjiang River, Tuojiang River, Minjiang River and Wujiang River and provides us both scientific foundation for further study of river sediment changes of the upper reaches of Yangtze River, and measures to control river sedimentation. Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China (50099620) Biography: ZHONG Xiang-hao (1942-), male, researcher, research direction: mountain environment and ecology.     

独墅湖枯水期水动力与水质状况分析

【目的】研究分析独墅湖的水动力和水质状况。【方法】采用现场调查的方法,对独墅湖枯水期多个测点的水动力和水质状况进行取样分析。【结果】独墅湖水面坡降、水流流速和进出湖流量都非常小,不利于污染物质随水流排出。水质方面总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(CODMn)等因子含量高的水域溶解氧(DO)含量低而叶绿素a含量高,反之亦然。【结论】受周围河网影响,独墅湖水体中TP和TN含量非常高,已属于富营养化,需要对进出湖污染物和过度养殖的影响进一步研究,为采取相关措施改善独墅湖水质提供参考。     

黄河下游河道对水沙过程变异响应

 近年来黄河下游河道来水来沙量持续减少,河道演变特性发生变化,同时引起黄河下游河道的“小水大灾”、“横河”、“斜河”等问题。针对日趋严重的水灾问题,本文选取黄河下游典型站点分析黄河下游河道对水沙过程变异的响应,得到初步认识：一方面,由于黄河来水量减小,水流挟沙能力降低,致使黄河下游河槽持续淤积抬高、河槽变窄、河道过水断面变小,易引起“小水大灾”;另一方面,由于来水来沙量变异,黄河漫滩概率减小,使黄河下游河型发生缓慢的改变,引起河势变化,原有的部分工程措施因水流流路的改变被迫废弃,甚至产生负作用,形成水灾。     

九龙江口红树林湿地沉积物中有机碳和氮的分布特征及来源辨析

【目的】探讨九龙江口红树林湿地沉积物中总有机碳(TOC)和总氮(TN)的影响因素及来源,加深对红树林湿地中碳和氮的生物地球化学过程的认识。【方法】测定九龙江口红树林湿地表层沉积物粒度、TOC和TN含量,并对其分布特征进行分析。利用TOC/TN比值分析有机质来源及不同来源的贡献率。【结果】九龙江口红树林湿地沉积物中TOC和TN的含量分别为1.24%~3.81%和1.19~2.05mg/g,TOC/TN比值为11.6~26.3,TOC、TN含量和TOC/TN的平面分布均呈现出由陆向海方向逐渐降低的趋势。沉积物中TOC和TN含量没有表现出明显的粒度效应。【结论】控制沉积物中TOC和TN含量分布的主要因素并不是粒度效应,而可能是其来源。沉积物中TOC和TN的主要来源可能是红树林植物碎屑、养殖废水输入的有机碳和氮污染,以及海洋浮游植物碎屑。     

近50年北海市海岸线变迁及其环境效应分析

【目的】研究近50年来海岸线变迁的规律及其环境效应。【方法】以北海市1955—2004年遥感影像为数据源,并结合野外调查。【结果】南流江三角洲河口区沿岸海岸线变化最大。海岸线长度除1977—1988年略有增加外,整体上呈递减趋势,1998年至2004年变化减缓。北海市海岸线变化的环境效应表现为引起冲淤变化。【结论】海岸线变迁主要是受围海工程影响,海岸的自然侵蚀、淤积作用不明显,海岸线变化总体上是趋于平直,长度减少。环境效应变化较明显的是南流江三角州河口区河道改道导致河道自然冲刷拓宽、部分江心岛受到冲刷侵蚀;人工堤坝保护了海岸,但滩涂可能遭受侵蚀影响,或海浪翻腾沙滩底部影响了沙滩质量。     

汾河上游水保治理对汾河水库泥沙淤积的影响分析

分析了汾河上游水土保持治理对汾河水库泥沙淤积的影响。结果表明,随着时间的推移,汾河水库来沙量及淤积量总体呈减少趋势,减少幅度最明显的是在1998年以后。究其原因,除受降水量及入库水量减少因素影响外,主要是上游水土保持治理发挥了重要作用。     

海南岛西岸上升流与暖池的数值研究

【目的】进一步探讨海南岛西岸的上升流与暖池的特征及生成机制。【方法】首先构建更为全面的控制模型(控制实验),包括日平均风场、热通量、侧边界通量、潮汐强迫以及河流径流等强迫场,然后在控制实验基础上,构建无潮汐强迫、无热通量强迫、无季风强迫等3个敏感性实验来分析3种强迫因子对海南岛西岸上升流与暖池的作用。【结果】夏季海南岛西岸存在上升流,该上升流受热通量和潮混合共同控制,缺乏其中任何一项上升流都会消失,而西南季风起反作用。另外,海南岛西岸在冬半年为暖池控制,秋季更为显著。东北季风引起的垂向混合与潜热通量对暖池起相当作用,ENSO事件对暖池的强度也有一定影响。【结论】控制实验结果与"908"调查结果及历史观测数据吻合较好,在流场与水团验证方面效果理想。另外,敏感性实验结果得出了比前人更完善的海南岛西岸上升流与暖池生成机制的观点。     

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.     

铁山港湾港口总体规划用海对海水动力环境的影响预测

【目的】研究铁山港湾港口总体规划工程的建设对周边海域潮位、纳潮量和流场3个方面的影响。【方法】采用二维潮流数学模型对铁山港湾海域的潮流场进行数值模拟,分析工程前后水动力变化情况。【结果】铁山港港口总体规划实施后,石头埠站、沙田站和安铺站最高潮位均有所增加,增加幅度分别为0.03m,0.11m,0.10m;石头埠断面潮流涨急流速略有减小,平均减小幅度为0.06m/s,落急流速略有增加,平均增加幅度为0.06m/s;沙田断面涨落潮流速均略有增大,增加幅度为0.11~0.17m/s;安铺断面主槽区流速基本上无变化;工程后石头埠、沙田和安铺3个断面的纳潮量均有不同程度的增加,分别为1.8%,3.1%和4.3%,沙田断面单宽纳潮量变化不大。【结论】港口总体规划工程实施后,铁山湾内涨潮时流速较小、落潮时流速较大的分布规律没有改变,对铁山港水动力环境影响较小。