基于数字流域模型的多沙粗沙区侵蚀产沙计算

黄河难以治理的症结是水少沙多，水沙不平衡．根据多年治黄实践，黄河中游多沙粗沙区的治理是黄土高原水土流失治理的重点，模拟计算多沙粗沙区的侵蚀产沙量意义重大．利用数字流域模型框架建立了黄土高原多沙粗沙区产流产沙数学模型，模型在岔巴沟小流域进行参数率定．应用率定后的模型计算了黄土高原多沙粗沙区1967，1978，1983，1994和1997年这5个典型年份汛期的产流产沙量，得到了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图．计算结果能够较好地解释黄河流域的“少水多沙”现象，为多沙粗沙区的水土保持工作提供了科学依据．     

黄河主要来沙区林草植被变化及对产流产沙的影响机制

2000年以来,黄土高原林草植被状况明显改善,同期黄河水沙也明显减少.本文基于20世纪70年代末、90年代末、2010年和2013年卫星遥感影像,引入易侵蚀面积、林草地比例、林草地植被盖度和林草植被覆盖率等概念,并结合实地调查,分析了20世纪70年代以来黄河中游多沙区林草植被的规模、盖度和结构变化;引入产沙系数、径流系数和产洪系数等概念,在流域层面上剖析了黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖状况与产沙、产洪和产水的响应关系,揭示了研究区近年水沙大幅减少的原因.研究认为,与20世纪70年代末相比,1998年以前林草植被变化不大,但1998~2013年林草植被覆盖率却由11%~25%增加到35%~55%,该改善过程恰是植被变化影响产沙的敏感阶段;高含沙洪水仍然是未来黄土高原支流的常遇洪水,但含沙量会降低.     

连续冲洗式沉沙池截沙率试验研究

对连续冲洗式沉沙池截沙率进行分析研究，并在一维流超饱和输沙法基础上，得出连续冲洗式沉沙池池段分组截沙率、工作段分组截沙率、大于某粒径级截沙率以及总截沙率的近似计算方法。为验证该方法的实用性，对连续冲洗式沉沙池的截沙率进行模型试验，试验结果表明：采用近似处理的截沙率计算公式，其计算结果与实测结果吻合较好，在符合计算精度的前提下，可以用于实际工程计算。     

黄河调水调沙的模式及其效果

黄河调水调沙就是利用干支流水库群对进入下游的水沙关系进行调节和控制,塑造出相对协调的水沙关系,以充分发挥下游河道的输沙能力,遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽．经多年研究,黄河水利委员会探索出了使下游河道不淤积的水沙关系,基于此种关系和黄河流域来水来沙条件,充分利用干支流水库,创立了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接、干流水库群水沙联合调度的黄河调水调沙三种基本模式．按以上三种模式进行了10次调水调沙,结果：黄河下游800km长河道主河槽平均下降1．5m,最小过流能力由1800m3／s提高到4000m3／s．同时,河口三角洲生态系统得以恢复和改善．     

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．     

多沙河流的生态环境需水特点研究

输沙功能是多沙河流要求满足的一项重要系统功能,研究多沙河流的生态环境需水必须考虑河流的输沙用水.一般确定河流生态环境需水量的计算方法因其很少考虑多沙河流的生态环境需水特点而往往只适用于少沙河流.以多沙河流黄河的下游河段为例,分河段、分时段系统地分析了黄河下游不同水沙状态下的生态环境需水状况,通过对汛期、非汛期和全年不同情况的考虑,指出了黄河生态环境需水的特点(1)输沙用水需求远高于其他功能用水需求,输沙需水占生态环境需水的绝大部分;(2)当汛期输沙需水得到满足时,不仅可以输送全年的大部分泥沙,而且河流其他功能用水需求可以自动得到满足,此时的生态环境需水量与输沙需水量相当;(3)非汛期输沙需水得到满足时,同样可以满足河流其他功能的用水需求,但因输沙效率较低而导致相应的水资源浪费.根据多沙河流生态环境需水的特点,可利用水利枢纽进行适当的水沙组合调控,将非汛期来沙集中在汛期输送,从而达到减轻河道淤积,降低生态环境需水量,提高水资源利用效率的目的.     

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.     

黄河下游游荡段床面冲淤与滩岸变形耦合模型

黄河下游游荡段滩地面积远大于主槽面积,约占河道总面积的80%以上.该河段汛期河床调整幅度较大,因此床面冲淤与滩岸变形是游荡段河床演变的重要特点.本研究将一维水沙输移及床面冲淤计算模块、滩岸崩退及淤长计算模块结合,建立了能同时模拟纵向床面冲淤及横向滩岸变形的一维耦合数学模型.采用该模型分别计算了2006年和2018年黄河下游游荡段的河床纵向与横向变形过程,用于模型率定与验证.计算结果表明,该模型能够较好地反演出研究河段内的水沙输移过程,三个水文站计算与实测流量、水位及含沙量的纳什效率系数均在0.6以上,最大可达0.97;能够总体上模拟出滩岸发生崩退及淤长的宽度,计算与实测的河段平均主槽宽度的相对误差控制在1.5%以内;滩岸变形量与河床冲淤量在同一量级,因此滩岸崩退及淤长过程对于黄河下游游荡段水沙输移及河床冲淤变形计算具有重要影响.     

悬沙运动方程及其近底泥沙通量

悬沙运动方程及其近底泥沙通量是不平衡输沙研究的关键问题之一．从给出二维悬沙运动方程的推导出发,阐明近底泥沙通量的物理本质为悬沙运动方程的底部边界条件．分析研究了常用的挟沙力和切应力方法的内在联系,指出从物理意义和形式上两者的一致性,从理论上统一了挟沙力和切应力两种方法．同时在对近底泥沙通量表达式比较分析的基础上,总结了几个需要关注的问题,为研究和解决悬沙运动及近底水沙交换问题提供了一种解决思路．     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

黄河下游河道场次洪水排沙比及其不确定性

根据冲积河流输沙率关系所确定的排沙比公式的结构,通过对黄河下游河道场次洪水表观排沙比资料的还原,回归建立了黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式,得到了排沙比95%预测区间,量化了场次洪水排沙比的不确定性.统计分析表明:(1)黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式可用进口来沙系数Sin/Qin作为唯一参量,进口来流量Qin不必作为第二参量;(2)回归模型的充分性在Sin/Qin0.003(即排沙比SDR2)和Sin/Qin0.003(即SDR2)时有明显不同,SDR=2和Sin/Qin=0.003可能是区分黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水尺度上不同输沙率关系的一个阈值条件.本文为分析黄河下游河道其它河段的排沙比关系提供了可用方法,并为黄河下游河道汛期输沙需水量的不确定性分析提供了基础.     

黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

黄土沟壑区产输沙特征的空间尺度效应研究

以黄土丘陵沟壑区的典型流域岔巴沟为例, 首先通过实测数据分析水沙过程的尺度现象和规律, 明确了流域产输沙的主要子过程及其影响因素和作用机理. 然后采用集成了坡面侵蚀、沟坡区重力侵蚀和沟道不平衡输沙3个子模型的黄河数字流域模型在较高分辨率的单元上模拟研究流域的暴雨—径流—产输沙响应, 结果重现了水沙过程的尺度现象. 在尺度现象是由不同产输沙子过程的空间尺度分布迭加引起的假定下, 对模拟结果进行分析, 发现重力侵蚀和高含沙水流特性是引起黄土沟壑区泥沙过程尺度现象的最主要因素.     

耦合多水动力过程的二维山坡产汇流数值模型及其在壤中流模拟中的应用

基于物理性水分运动方程的山坡产汇流数值模型是进行降雨产流机制和规律研究的重要工具,当前还缺乏耦合地表水、土壤水和地下水多水动力过程的、具有较高计算效率和稳定性的二维山坡产汇流数值模型．本研究耦合地表水流动的圣维南方程组、变饱和土壤水分运动的Richards方程,采用有限差分法,对边界条件进行了改进,建立了THRM模型,对实验山坡实测壤中流过程有很好的模拟效果,通过数值试验揭示了边界条件、网格大小、初始含水率等对计算稳定性和计算效果的影响规律,所建模型对于山坡产流研究有应用价值,分析结论对壤中流数值模拟有参考意义．     

直流反应溅射动力学模型的研究

提出了一个反应溅射的物理溅射动力学模型，基于捕获效应，并考虑了参数间相互影响，计算出的溅射参数与实测值相符。模型较好地描述了靶初始覆盖度与溅稳定态之间的关系，说明了从金属溅射区向氧化物溅射区转变与从氧化物溅射区向金属溅区的转变的反应气体流量阈值的大小为什么不同。真空室氧分压对靶面氧化物形成速率的影响是引起氧化物分数与氧流量关系曲线不连续点的主要原因，靶面氧化物覆盖度初始值的不同导致了氧流量阈值的多     

沾化凹陷异常高压分布特征及其成因机制探讨

采用声波时差法计算沾化凹陷沙三、沙四段的地层压力。发现异常高压纵向上存在两个独立的异常高压系统,规模较大、持续活动强的断层往往是异常高压区的边界,并起到泄压的作用。平面上,以洼陷为中心形成异常高压区,向外逐渐过渡为正常压力带。从沙三上段至沙三四上段,异常高压范围经历了一个扩张-萎缩的旋回,沙三下段凹陷内异常高压分布面积达到最大。对沾化凹陷新生代沉降史及生排烃史的研究表明,较高的沉积速率及有机质生烃是沾化凹陷异常高压发育的主要因素。构造作用通过断层泄压、控制沉积速率及有机质展布起到对异常高压分布直接或间接的控制作用。     

海洋沉积动力学研究与应用前景展望

海洋沉积动力学正在打破传统，走向海洋工程学、物理海洋学和地质学的联合，共同建立一门综合性的、统一的沉积动力学。其技术手段包括：悬沙输运的动力学模型方法、以力学为基础的半经验公式、经验公式、人工和天然示踪沉积物技术、地貌学信息方法、沉积学信息方法、以及现场直接观测。国际国内的研究动态均表明，这些方法的建立和完善将为海洋沉积动力学在海底地貌演化、生态系统的维护和改造、人类活动对环境影响的评估、海洋资源开发和持续发展战略制定等方面的应用 提供广阔的前景。     

黄河源区水循环变化规律及其影响

黄河源区的水文循环规律在20世纪90年代发生了很大的变化.河源地区水循环变化的主要特点是在降水量变化不大而且略有增加的前提下,径流量有比较明显的下降,而且径流也更加集中在汛期.河源地区的水平衡调蓄量一直处于负均衡状态,从而导致了该地区生态环境的恶化.径流减少的主要原因是蒸发量的增加.河源区径流量与上游各水文站的径流量有较好的相关关系,河源区径流减少,整个黄河上游地区的来水量也有下降趋势,影响全流域的水资源供需平衡.径流减少后当地生态环境恶化,河道系统的水文循环发生深刻的变化.今后的演变趋势是由于西北地区温度持续变暖,21世纪的水循环的演变趋势将是蒸发量增加,径流量进一步减少.因为水利工程的修建,局部生态环境恶化态势会有所缓解,但是对于下游的生态环境影响却很复杂.     

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.