黄河下游漫滩洪水造床机理与水沙调控指标研究

本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,系统研究了黄河下游漫滩洪水的造床机理与水沙调控指标.结果表明:对于多沙的黄河,漫滩洪水最充分的发挥了水流动力的输沙造床作用,其削峰滞洪与淤滩刷槽的功效十分显著且不可替代.漫滩洪水的造床作用随着洪水漫滩程度的变化而明显不同,可分为三个阶段;漫滩初期,主槽输沙能力降低,淤滩刷槽作用尚未得到充分展现;漫滩中期,滩槽水沙交换充分,淤滩刷槽作用良好;漫滩后期,淤滩刷槽作用趋缓.综合考虑提高河道输水输沙能力与保护滩区防洪安全,提出的黄河下游有利漫滩洪水的水沙调控指标为:洪水漫滩参数1.4γ1.5、来沙系数ρ0.028,即按照目前下游河道主槽平滩流量为4000 m3/s,通过小浪底水库水沙调控,控制下泄洪峰流量5600~6000 m3/s、来沙系数小于0.028的漫滩洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道最有利.若控制下游河道不漫滩,通过小浪底水库水沙调控,建议下泄洪峰流量3500~4000 m3/s接近主槽平滩流量的洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道较为有利.     

平面二维河床纵向与横向变形数学模型

在分析不同类型土质河岸冲刷机理的基础上,改进了现有三类土质河岸冲刷过程的力学模拟方法.然后将仅能模拟河床纵向变形的平面二维水沙数学模型与建立在力学基础上的河岸冲刷模型结合,组合成平面二维河床纵向与横向变形数学模型.该模型不仅适合于模拟天然河道的洪水演进与河床纵向冲淤过程,而且还能模拟河床的横向变形过程,尤其能模拟黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的冲刷与崩塌过程.     

基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟

本文针对悬移质泥沙输移,采用两相浑水模型进行描述,基于SELFE水动力学模型,尝试通过三维数值格式对两相浑水模型进行探索性模拟.建立了两相浑水模式的离散方程,完善了相应的边界条件,采用多组水槽资料率定并验证了模型的可靠性.并以宁蒙黄河2012年洪水为例,采用离散后的模型对宁蒙黄河青铜峡至石嘴山200 km河段进行了数值模拟.并以该河段洪水的洪峰传播特性、不同河段的环流特性、河段泥沙输移及河床冲淤等为重点关注了改进后的模型.结果表明:计算水位、地形、含沙量等数据与实测资料有较好的吻合,环流特性与理论分析一致.综合表明改善后的模型能很好的应用于悬移质泥沙的模拟.     

三维紊流悬沙数学模型及应用

根据紊流随机理论, 导出了各向异性紊流的Reynolds应力的数值格式. 将精细壁函数应用于边壁处理. 将传统的悬沙运动、床沙级配控制方程推广到三维模型. 给出了床面附近含沙量表达式. 建立了三维紊流悬沙数学模型. 用葛洲坝水利枢纽建库前后水沙资料对该模型进行了检验, 结果基本一致. 将该模型应用于三峡工程坝区泥沙冲淤问题的研究, 预测了三峡工程建成后坝区上游河段泥沙冲淤发展过程及其分布、河床淤积物级配组成及不同时期、不同高程的流场、含沙量场等, 计算结果与物理模型试验值比较接近.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

黄河溃堤过程数学模型及其模拟方法

溃堤和溃坝都属于非恒定含间断的浅水问题, 但两者既有类似又有不同之处. 溃坝计算侧重于出流过程, 溃堤计算则还需要考察口门水流特征和形态变化过程. 鉴于将现行溃坝计算方法用于溃堤计算时会遇到许多困难, 基于四叉树网格, 采用Godunov型有限体积方法, 联合浅水方程、泥沙输移方程、河床变形方程以及口门横向展宽计算方法, 建立了适用于溃堤过程模拟的数学模型, 并采用黄河典型河段的实际地形和水流、泥沙条件进行了应用研究, 得到了黄河溃堤过程中可能出现的口门水流特征和形态的典型变化过程.     

水库泥沙分选及淤积控制研究

泥沙淤积是迄今制约水库长期利用和没有解决的重大问题之一．本文根据水库实测淤积资料、理论分析和数学模型计算等多方面证明了粒径d〉0．1mm粗沙会在水库回水末端特定位置或大江大河径流水库集中分选沉积．同时,从理论上证明了占入库比例很少的粗沙对大型河道型水库淤积三角洲坡面、最终冲淤平衡坡降和淤积程度有很大影响．在此基础上,作者提出在水库特定按固定河段持续挖粗沙以降低平衡淤积坡降、控制淤积和增加长期利用库容．三峡水库模型计算实例表明,年挖砂5000万t／a（三峡设计泥沙系列）或3000万t／a（蓄水前10年系列）可降低水库百年淤积量20％,回水末端淤积大幅度减少,水库平衡坡降减小25％～30％;水库50～100年基本趋于冲淤平衡,可避免长期、持续大量淤积的局面．同时,在黄河小浪底水库回水末端挖粗沙不但可减少水库淤积,而且还可拦截粗沙进入下游而降低黄河下游冲淤平衡坡降．在小浪底水库大量拦沙、冲刷下游河道所营造的相对良好河型基础上,可以期待长远只利用在现有水库拦截粗沙便可缓解或实现黄河下游河道不抬高．     

小浪底水库调水调沙期水沙运动全过程模拟

为模拟调水调沙期小浪底库区水沙运动过程,建立了考虑有干支流倒回灌的明流与异重流交替演算的一维水沙耦合模型.该模型采用了适用于复杂支流水系的零维水库法和考虑支流底坡的流量公式计算干支流倒回灌,采用潜入点判别条件衔接明流与异重流计算,并考虑了非静止水面假定下异重流与上层清水的耦合.应用该模型对选取的2002年及2012年小浪底水库调水调沙过程分别开展参数率定及不同工况下的过程反演.计算结果表明,库区自上而下可划分为零支流库区段、明流段和异重流段,考虑倒回灌过程的模型在3个区段均能较好还原实测水沙过程,不考虑的模型仅在零支流库区段和考虑的模型误差相近;由于其忽略了干支流倒回灌对水沙输移的影响,明流段的水位、流量及含沙量在回灌期偏小,在倒灌期偏大;异重流段的潜入点位置及时间滞后,异重流交界面高程、流速及含沙量偏大,计算排沙比过高.另外,模型相关参数的敏感性分析还表明,交界面阻力系数、倒灌阻力损失系数和水量掺混系数对计算结果的影响依次减小;其中交界面阻力系数的增大,一定程度上导致模型响应的滞后;倒灌阻力损失系数的影响,则需依据支流底坡的具体大小分情况讨论.