渭河下游泥沙数学模型的改进

论文摘要

近年来，由于水沙条件发生变化，以及河槽边界条件的改变，使得渭河出现了许多新的防洪问题，其特点是：“流量小、水位高、灾害大”。频繁发生的异常洪水位现象给渭河下游防洪增加了困难。针对这种现状，有必要系统地研究渭河下游的洪水行进规律，认清渭河现有河床中发生的洪水特性，这对于渭河下游的河道治理、设计洪水位的合理确定及对渭河下游的洪水预报研究都具有重要的意义。因此，为促进渭河下游洪水的预测预报和风险管理，确保防洪安全，迫切需要利用数学模型来研究渭河下游洪水演进的各种现象和问题，为洪水的监测、防洪和抢险指挥提供参考。目前，在黄河中下游上得到应用的一、二维水沙模型有多个，基本上都是由描述水沙运动的四个基本方程构成，即水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程与河床变形方程，不同之处在于各模型在求解基本方程时，对某些参数的具体取值和计算方法有所不同，如反映不平衡输沙规律中的挟沙力问题、动床阻力、悬移质泥沙与床沙的交换机理等。然而，与黄河中下游相比，渭河下游发生高含沙洪水的频率高，洪水历时长，含沙量大，高含沙水流的静态剪切应力作用明显，造成河床断面形态变形剧烈，尤其在横向变形上显得更为突出。而现有的渭河下游数学模型，主要是沿用黄河中下游的一维数学模型，模型结构反映更多的是黄河中下游一般高含沙挟沙水流的输沙特性，并不能合理地反映出渭河下游的输沙特性。因此，有必要针对渭河下游泥沙问题，在挟沙规律和横向冲淤变形等方面去改进现有的渭河下游一维恒定流泥沙数学模型。本研究论文建立了常规一维数学模型，并对其作了部分改进，以期达到适应渭河特点的目的。工作主要表现在以下几方面。1、在泥沙计算中，考虑到行洪过程中泥沙在冲刷和淤积情况下，悬移质泥沙与床沙交换机理的不同，首次在冲淤计算中采用物理含义更明确的双值挟沙力公式，并对双值挟沙力公式中的系数计算问题进行了详细的分析及开发出与该公式应用相配套的应用方法。2、在河床演变部分，对渭河下游特有的“贴边淤积”现象进行了机理探讨，分析研究表明，造成渭河下游河槽急剧淤积萎缩变形的重要原因之一为高含沙洪水的静态剪切应力，它是浑水的流型从牛顿体转变成凝胶体后的产物。3、为了使数学模型在模拟过程中能反映出高含沙洪水静态剪切应力造成的“贴边淤积”，作者根据实测资料建立经验公式对“贴边淤积”进行了概化处理。4、最后利用1994年高含沙小洪水过程对模型进行验证，模拟结果表明模型具有一定的模拟能力。相比较而言，经本论文改进后的模型在反映物理成因概念方面较同类型模型清晰、准确，也更接近渭河下游实际情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及问题的提出
• 1.1.1 渭河下游近年来的水沙特点
• 1.1.2 渭河下游近年来的边界特点
• 1.1.3 河槽横断面变化对洪水过程的响应
• 1.2 泥沙数学模型研究进展
• 1.2.1 一维河床纵向变形数学模型
• 1.2.2 横向变形数学模型的研究现状
• 1.2.3 渭河下游泥沙数学模型研究现状
• 1.3 本文研究的意义及内容
• 2 渭河下游河道萎缩的机理
• 2.1 高含沙水流的特性
• 2.1.1 粘性颗粒泥沙的絮凝
• 2.1.2 高含沙水流的粘性
• 2.1.3 高含沙水流的宾汉极限剪切应力
• 2.2 宾汉静态剪切应力
• 2.2.1 紊动条件下宾汉极限剪切应力的变化
• 2.2.2 宾汉静态剪切应力
• 2.2.3 冲淤变形过程
• 2.3 渭河下游“贴边淤积”的力学机理
• 3 泥沙数学模型的改进
• 3.1 所采用的泥沙数学模型
• 3.2 泥沙数学模型的改进
• 3.2.1 挟沙力公式的改进
• 3.2.2 河床横向变形的处理
• 3.3 模型其它要素的确定
• 3.3.1 过流断面的概化
• 3.3.2 冲积河流的糙率问题
• 3.3.3 床沙级配的调整
• 3.3.4 冲淤面积的横向分配
• 3.3.5 泥沙恢复饱和系数
• 4 泥沙数学模型的验证
• 4.1 模型率定的初始条件
• 4.1.1 流量和含沙量过程的概化
• 4.1.2 淤积物干容重
• 4.1.3 初始综合糙率及糙率调整系数
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 数值模拟及结果分析
• 4.2.1 典型断面水位的模拟结果及分析
• 4.2.2典型断面含沙量的模拟结果及分析
• 4.3 泥沙数学模型的几点认识
• 4.3.1 高含沙水流的控制方程
• 4.3.2 河床演变的尺度问题
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录