蜿蜒河流演变动力过程的研究

论文摘要

作为构成蜿蜒河流的基本要素,形状规则而又极其相似的河弯形态蕴涵着深层次的动力机制。蜿蜒河流的河弯随时间变化而不断地蠕动、迂回和迁移,这种运动称为河弯动力过程或蜿蜒河流演变动力过程。河弯动力过程的研究对河流开发与治理工程、跨河桥梁及沿河交通设施的选址、油气资源勘探以及河流生态修复等均有着重要意义。河弯问题的研究涉及到多种时间和空间尺度、以及多个学科内容,本文从水动力学、河流动力学以及地貌动力学的角度对冲积性蜿蜒河流河弯问题进行多角度、交叉学科研究,主要内容和创新之处有:对自然界中大型蜿蜒河流的平面形态进行多尺度分析和几何分形分析,建立了对河弯形态识别、概化以及特征量统计分析的方法。分析结果表明,与弯曲度参数相比,分形维数能够更好地描述大型河流平面形态的蜿蜒性和不规则性,河流平面形态小尺度的分形维数主要反映河弯的发育情况,而大尺度的分形特征则反映流域地形的不规则性。建立了模拟明渠水流运动的三维数学模型,研究了弯曲度、水深、河宽、床面形态等因素对弯道水流运动特性的影响;对弯道水流运动各特征量进行量级分析,为基本方程向二维和一维简化提供了理论依据。数值试验结果表明,自然河流河弯中的主流、二次环流和流速重分布特征是与自然河弯的特殊几何形态特征、水深条件紧密相连的,水深越小则流速沿横向的重分布越为显著;河宽越小则水流动力轴线在凹岸的顶冲点越为提前。自然河流流量的非恒定性是对河弯演变过程的一种强烈扰动,本文建立了弯曲河道中非恒定水流运动的平面二维数学模型,对该扰动展开了初步研究。基于河弯水流运动的线性理论以及地形沉积的概念模型建立了河弯运动和地形沉积发展的耦合数学模型,模型中对传统的线性河岸侵蚀模式进行改进,建立了非线性的河岸侵蚀模型。根据大量的模拟结果,揭示了在一定条件下河流具有消除外界施加的随机扰动的河道滤波功能。利用室内模型试验研究了弯道水流泥沙运动特性以及模型河流造床特性、河弯演变特性;作为另外一项创新性工作,本文根据模型试验测量的需要,研制了基于粒子跟踪技术(PTV)的表面流场测速系统和高效的断面地形测量系统。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 河流健康与蜿蜒河流动力过程
• 1.2 蜿蜒河流动力过程研究的意义和理论范畴
• 1.3 蜿蜒河流动力过程研究进展
• 1.3.1 蜿蜒河流纵向河床变形研究进展
• 1.3.2 蜿蜒河流横向演变理论的研究进展
• 1.3.3 河弯演变数值模拟与河流地貌研究进展
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 蜿蜒河流的几何形态分析
• 2.1 河弯形态的Frenet 标架
• 2.2 自然河弯几何形态的概化描述
• 2.2.1 正弦派生曲线
• 2.2.2 非对称Kinoshita 派生曲线
• 2.3 大型河流河弯形态多尺度分析
• 2.3.1 多尺度小波分析理论基础
• 2.3.2 黄河河流形态多尺度分析
• 2.4 蜿蜒河流平面形态的几何分形分析
• 2.5 蜿蜒河流河弯形态特征统计分析
• 2.6 小结
• 第三章 弯道水流动力特性的三维数值模拟
• 3.1 明渠水流运动的基本方程
• 3.1.1 三维水流运动的雷诺方程
• 3.1.2 紊流模型
• 3.1.3 自由水面运动方程
• 3.2 数值计算方法
• 3.2.1 网格系统
• 3.2.2 控制方程的离散
• 3.2.3 离散后方程的求解
• 3.2.4 数值稳定条件
• 3.3 三维水流模型试验验证
• 3.3.1 顺直水槽内部水流特性试验验证
• 3.3.2 弯道水槽表面流场试验验证
• 3.4 弯曲河道水流动力特性影响因素的数值试验
• 3.4.1 河道弯曲度对水流动力特性的影响
• 3.4.2 水深对弯道水流动力特性的影响
• 3.4.3 河宽对弯道水流动力特性的影响
• 3.4.4 床面地形对弯道水流动力特性的影响
• 3.5 非恒定瞬变流在弯曲河道中的传播
• 3.6 小结
• 第四章 弯曲河道中非恒定水流运动的平面二维数学模型
• 4.1 顺直河段溃坝水流运动和床面变化的平面二维数学模型
• 4.1.1 溃坝水流运动的控制方程及其离散
• 4.1.2 溃坝中的河床冲淤计算
• 4.1.3 溃口附近的溃坝水流泥沙计算
• 4.1.4 下游障碍物附近的溃坝水流泥沙计算
• 4.2 溃坝波在弯曲河道中传播的二维数值模拟
• 4.2.1 曲线坐标下溃坝水流运动的控制方程
• 4.2.2 控制方程的离散
• 4.2.3 溃坝水流在半圆形弯道中传播过程的验证
• 4.2.4 连续弯曲渠道中溃坝水流模拟
• 4.3 小结
• 第五章 河弯演变动力过程及地形沉积发展的数值模拟
• 5.1 弯道水流与床面耦合作用的线性理论
• 5.1.1 基本假定和控制方程
• 5.1.2 方程的展开和简化
• 5.1.3 任意曲率弯道中方程的线性理论解
• 5.2 河岸侵蚀模型
• 5.3 河弯运动作用下的地形沉积演化模型
• 5.4 河弯运动和地形沉积耦合数学模型的建立
• 5.4.1 基本方程的数值解法
• 5.4.2 数学模型的程序实现
• 5.4.3 弯道水流和床面形态计算结果与分析
• 5.5 数学模型的应用
• 5.5.1 河弯演变的动力过程分析
• 5.5.2 初始形态对河弯演变动力过程的影响
• 5.5.3 河岸侵蚀模式对河弯演变动力过程的影响
• 5.6 小结
• 第六章 弯道水流泥沙运动特性及河弯演变规律模型试验研究
• 6.1 试验内容、试验装置和试验方法
• 6.1.1 试验内容
• 6.1.2 试验装置
• 6.1.3 试验方法
• 6.2 弯道中水流泥沙运动的特性
• 6.2.1 试验内容
• 6.2.2 弯道内的水流运动特性
• 6.2.3 弯道内的床面形态变化特征
• 6.2.4 弯道输沙能力分析
• 6.3 河弯演变的自然模型试验
• 6.3.1 试验内容及河流模拟的自然模型法
• 6.3.2 模型河流河岸的运动
• 6.3.3 模型河流演变的试验现象及分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 本文的主要工作和结论
• 7.2 进一步深入研究的展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 附录一 大型河流河弯统计表
• 附录二 河工模型试验表面流场粒子跟踪测速系统研制
• 附录三 断面地形测量仪研制
• 致谢