河道床面形态分形量化方法比较研究

河道床面形态是河流动力学及河床演变学的基本问题,它与冲积河流的流动结构、水流阻力及泥沙输运等方面有密切联系.河道床面形态是水流、泥沙相互作用的结果,其平面或空间结构具有不规则性,而微观粗糙结构具有自相似性,因此,可采用分形几何学中的分形维数来进行量化,这更能反映粗糙结构的内禀特性.目前粗糙表面分形维数的计算方法有投影覆盖法及其改进方法、立方体覆盖法及其改进方法、小岛法、分形交集公式法以及分数布朗表面的统计性质法等,分析了确定河道床面形态分形维数的可行方法,讨论了不同方法的计算精度,提出改进立方体覆盖法更适于计算各向异性粗糙床面的分形维数,为从微观角度开展河床演变、水流阻力及航道治理等问题的分形研究奠定了基础.     

地下水补给影响下的河流水质模糊模拟对环境空气质量治理的认识和思考

河流水环境系统是一个具有模糊性、不精确性和随机性特征的复杂大系统,因此,可以借助模糊技术进行定量化模拟,本文采用三角模糊数来描述和表征河流水文、水质及水文地质参数。并进一步在根据三角模糊数的现有理论,建立了基于地下水补给影响的一维稳态河流水质模糊模拟模型。计算采用三角模糊数基本原理中相关公式以及Darcy公式等进行运算,得到了各控制断面模糊数形式的污染物浓度值,并将其与确定性模型计算结果进行对比分析。     

泄水工程反弧半径的研究

泄水建筑物反弧半径的选择是泄水工程设计中的重要问题之一。本文的目标就是探讨泄水建筑物反弧半径的计算方法。根据反弧段水流特性的分析,寻找出影响反弧半径的变量。进一步由量纲分析,给出泄水建筑物反弧半径的一般函数关系式。通过分析收集的大量原型观测和模型试验资料,建议了挑流,面流,戽流流态情况下计算泄水建筑物反弧半径的经验公式。结果说明,相对反弧半径是反弧水流Froude数的函数,随着Froude数的增加而增加。并讨论了泄水建筑物反弧半径的有关特性。本文建议的不同流态下泄水建筑物反弧半径的计算式形式简单,资料可靠。因此,可应用于挑流,面流,戽流流态情况下实际工程泄水建筑物反弧半径的计算与设计。     

基于断面岸边系数法的河流水位流量流速面积算法研究与应用

目前河流流量计算方法多采用数值积分近似代替实际单宽流量曲线对河宽的函数积分,该方法由于忽略了计算死水区和岸边河流的流速,从而产生较大的流量误差,分析了各算法的代数精度与截断误差,提出了一种新的流速面积计算方法,通过采用断面岸边系数法计算河流流量,并通过实验数据验证了该算法的精度,对河流流量计算方法具有一定的理论参考价值。     

梯形断面鱼道内水流的三维特性分析

运用三维数学模型,对横断面为梯形的鱼道内水流流态进行数值模拟分析,结果表明：梯形断面鱼道内水流具有明显的三维特性;增大梯形断面鱼道竖缝过水断面面积比会减弱鱼道内水流的三维特性,在过水断面面积比小于0.375时,鱼道内水流三维特性较为明显;鱼道池室长宽比的变化对鱼道内水流三维特性的影响不大。     

海底管线溢油数学模型研究

基于Lagrangian积分技术,推广了海底管线溢油数学模型,在模型中首次考虑了溢油的乳化,同时还考虑了剪切卷吸和对流卷吸以及溢油的扩散和溶解.该模型不但能够模拟不分层或分层环境中的水下溢油轨迹,而且还可以在改变水流流速的环境下模拟.讨论了不同Froude数、分层数以及溢油速度和水流速度比下的溢油轨迹和浓度值,通过多次数值模拟发现在改变小孔直径大小而保持Froude数以及溢油初速度和水流流速比不变的情况下,溢油的轨迹变化很小,且溶解总量和乳化总量都很小.将数值模拟结果与实验值进行对比,获得了令人满意的数值结果,说明该模型具有较高的准确性和可靠性,能够反映出海底管线溢油的扩散及上升轨迹.     

冲积河流的极限流速

为了说明天然冲积河流存在极限流速,整理了长江、松花江等20条冲积河流上25个水文站的日均流量、日均水位、实测大断面、日均含沙量等水文资料,利用水流连续性方程,由日均流量和过水断面面积求出断面平均流速。结果表明,天然冲积河流断面平均流速随着流量的增加而增大,达到一定流量后,断面平均流速趋近于一个极限流速。天然冲积河流流量较大时通过增加过流断面面积使得流速始终低于极限流速。人类活动会影响冲积河流的极限流速。     

冲积河流的极限流速

为了说明天然冲积河流存在极限流速,整理了长江、松花江等20条冲积河流上25个水文站的日均流量、日均水位、实测大断面、日均含沙量等水文资料,利用水流连续性方程,由日均流量和过水断面面积求出断面平均流速。结果表明,天然冲积河流断面平均流速随着流量的增加而增大,达到一定流量后,断面平均流速趋近于一个极限流速。天然冲积河流流量较大时通过增加过流断面面积使得流速始终低于极限流速。人类活动会影响冲积河流的极限流速。     

基于溶解氧监测的沣河河流代谢及河流健康评价研究

研究通过对沣河的不同断面溶解氧的24h连续监测得到溶解氧(DO)质量浓度ρ昼夜变化,结合DO平衡关系计算各断面初级生产率速率和呼吸速率,并应用河流代谢速率评价沣河河流健康.研究结果表明:24hρ(DO)的变化曲线在上游呈抛物线趋势,而在中下游人类活动较多、污染较大地区呈倒S型;上游断面的初级生产力速率和呼吸速率均远大于中下游地区;沣河上游属自养型河流、中下游属异养型河流.根据河流代谢理论评价沣河健康状况表明高冠裕河上游断面健康状况良好,沣峪口断面中等,其余断面都属较差.     

二维河网系统分形动力学研究

河网系统是一个远离平衡态的、开放的复杂系统。现阶段认为河流的演变机理包括外在宏观形状表现以及内在微观动力学机制,而河流的演变也是二者之间的平衡转化。目前,使用分形理论对河流的特征及河床的演变发展研究已经成为一种重要的手段。鉴于分形理论运用的局限性,特别是算法有宏观形状而无微观机制的弊病,应用线宽和线面积这两个可以直接与河流动力学衔接的概念,推导了可以直接用绘制图形(河流)的线宽计算维数的线维数和线面积计算维数的面维数,实现了维数计算由点到线、面的突破,为河网分形发育程度与河流动力学及最小能耗等理论衔接提供了可能,即为构建河网外在形状和内在动力学的新理论,以及最终实现河流的宏观外在特征和微观内在特征的衔接提供了两种理论途径。     

基于有限体积法的群桩绕流数值模拟

采用COASTALTOOL软件中的潮流模块TC2D模拟桩绕流问题.通过细网格模型,研究桩断面形状、排列方式及桩心距对桩周围水流的影响.对于粗网格模型中群桩阻力的影响,提出基于阻力叠加原理的有桩单元水流阻力计算公式;对于单元中群桩的遮流作用,提出遮流面积折合水深的概化方法.这种概化计算模式中考虑了群桩中各桩间的遮蔽影响.     

山溪性河流水动力学耦合模型研究

根据山溪性河流特点，提出了符合实际的断面概化方法。考虑河流与地下水的交换作用，将渗流量作为联接条件，利用迭代法解决了河道水流与地下水流模型的耦合。计算实例表明，模型设计是合理的。     

天然河道型水库水质预报数值模型

天然河道型水库长宽比具有长条形状，河流入库处突然扩大，流速变小有局部损失产生的特点，根据Saint Venant Equatians及河流纵向弥散微分方程，考虑河流入库突然扩大对计算的影响，建立了一维天然河流非恒定流水动力学和水质的耦合模型，对岳城水库、漳河的断面平均水力要素及相应断面的水质污染物浓度进行计算.在坝前计算值与实测值比较接近，精度达到±10%之内.     

由接点坐标计算断面几何特性

构件横断面的几何特性,在工程结构中非常重要。而对于象钢轨及型钢断面特性的计算,因要求精度高,故以往计算的工作量很大。由于大多数比较复杂的断面,有的是由若干直线组成,有的是由若干直线及若干不同半径的圆曲线组成。为便于应用电子计算机对这些断面特性进行精确计算,作者根据曲线积分理论,导出了由断面周边接点坐标表示的断面面积、面积矩、惯性矩及惯性积的计算公式,并编出了相应的电算程序。作为应用实例,对我国自己设计的每米60公斤及60AT异型钢轨断面几何特性进行了计算,并和用其他方法计算的原有结果作了比较。     

复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法

基于河流动力学、生态学和工程经济学的有关理论,分析得出断面形态稳定性、生态性、社会性、工程经济性和船舶航行是影响一级护岸平台高程确定的主要因素.在理论分析基础上,构建了复式断面河道护岸费用-高程模型、效益-高程模型,确定了最大绝对效益条件下的一级护岸平台高程.根据河床断面形态理论,取第二造床流量作用下的边潍高程作为复武断面河床稳定条件下的一级护岸平台高程.综合运用效益-费用法以及河床结构形态法,分别计算了刘大线航道、劳龙虎水道一级护岸平台高程.计算结果表明,所提出的复式断面河道一级护岸高程计算方法很好地考虑了护岸的多功能特性,具有可操作性与实用性.     

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.     

河床表面分形特征及其分形维数计算方法

将分形原理、地理信息（GIS）技术与河床演变理论相结合,以河道水下地形图为基础,首先通过编程自动提取高程数据,利用GIS软件建立河床表面数字高程模型,然后以此来计算河床表面的分形维数,并对投影覆盖法进行了改进.最后对比了各河段不同时期的床面分维数,初步探讨了其物理意义.研究表明,该方法用来计算复杂表面的分维数高效准确,为计算河床表面分形维数提供了一个新的途径.同时河床表面分维数具有时空变异性,能定量反映床面的冲淤起伏程度,与河床演变中的河势和河型都有内在关系.这在河床演变及河流动力学具有一定的应用价值.     

越过连续矩形坎的急流自由水面

本文通过系统的物理模型试验,并结合理论分析的方法,研究了越过连续矩形坎的水面流态及坎前自由水面特性。通过动量方程推导了坎前水跃漩滚流态与急流飞溅而过流态时上游控制断面临界佛氏数的理论公式;证明当水流飞溅而过流态时,上游控制断面佛氏数F_(r0)在2.59～6.99范围内,坎前自由水面与佛氏数F_(r0)无关,是相对坎高的单一函数。得到了坎前自由水面受坎高的影响范围及在此范围内无因次水深与相对坎高的变化规律;探讨了用保角变换法求解坎前自由水面抛射角的半经验、半理论公式。最后,探讨了坎前自由水面的一种计算方法。     

长江上游干支流交汇河段水流数学模型研究及应用

采用有限体积法,针对长江上游干支流交汇河段复杂的水流运动特点,采用贴体正交曲线坐标克服了干支流汇合处河道边界形状复杂的困难,建立了正交曲线坐标下的平面二维水流数学模型.以长江上游涪陵河段为例,进行了水面线、断面流速分布等的验证计算.验证结果与实际符合较好,表明该模型能准确模拟该河段水流运动规律,不仅可以用于该河段复杂水流运动规律的模拟,对其他类似河段数值模拟亦具有借鉴意义.     

黄河沙坡头连续弯道水流运动三维数值模拟

用可实现k-ε数学模型对黄河沙坡头建立水利枢纽后库区连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟.得到了不同断面处垂线平均流速分布、断面流速分布、主流流速和二次流的数值模拟结果,对部分断面弯道环流及水面处离心环流进行了模拟和分析.数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明该模型可以用于对具有连续弯道的天然河道河流数值模拟中.