含沙量变化对游荡型河流河型转化影响的数值模拟研究

论文摘要

在自然条件变化和人类活动作用的双重影响下，冲积河道的平面形态将不断发生变化。对于冲积河道平面形态的形成和转化过程开展研究，在理论与实践上都有重要意义。本文采用在传统二维河道演变模型基础上考虑崩岸模型及植被影响的数值模型；通过概化河槽模拟弯曲及游荡河型的形成过程并分析河道初始比降、展宽系数、水沙条件、下游水位等因素的影响。在概化河槽中已形成的游荡河道的地形上，进行了人为改变外界条件引发河型转化的数值试验模拟。提出河道摆动强度指标以描述河道的摆动性；通过调整来水来沙量、改变水沙搭配、调平洪峰流量及边岸生态加固四种方案，分别模拟分析其对游荡河道概化河道河型转化演变趋势的的影响，并与经典理论的推论进行比对，分析触发河型转化的条件。本文模拟结果表明，在概化的初始顺直河道地形上生成新河型时，河道比降、来水来沙量越大，或非粘性泥沙粒径越小，越容易发育为游荡河型；通过减小展宽系数来增强边岸抗冲性，将会减慢河道演变的速度并保持河型稳定；下游水位过程和流量过程曲线的不同也会对最终塑造的河型产生很大影响。在已有游荡河型地形上采用不同方案引发河型转化时，上游同时进行减水减沙的方案，可有效使游荡河型发生转化，特别是大水大沙与小水小沙的合理搭配组合，将有利于形成微弯的单汊河道；调平洪峰流量的方案，由于游荡小河的发散性及边岸抗冲性较弱，并没有收到很好的成效；增加边岸植被覆盖率虽有使游荡型小河变为弯曲型小河的趋势，但主要作用仍是稳定现有的河型，与其他转化条件并用能够加快转化速度并能控制水流集中于主槽。在游荡河型的转化模拟中还发现，河型转化是否成功不但与所采用的方案有关，还与转化前的初始河道形态有密切关系。对于河道展宽不显著的游荡河道，可采用减水减沙的转化方案，对于河道显著展宽的游荡河道，可采用大水大沙与小水小沙搭配作用促使其形成新河槽，使之趋向于形成单一主槽微弯河道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与选题意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 河型分类
• 1.2.2 河型成因理论
• 1.2.3 河型影响因素
• 1.2.4 游荡型河道的判别与分析
• 1.2.5 河型转化物理试验研究
• 1.2.6 河型转化数值模拟研究
• 1.3 存在的问题及本文的研究意义
• 1.4 本文主要内容及技术路线
• 1.4.1 主要内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 各类河型形成过程数值模拟及成因分析
• 2.1 本文采用的二维模型介绍
• 2.1.1 水流数学模型
• 2.1.2 泥沙控制方程
• 2.1.3 边岸崩塌模型
• 2.2 各类河型形成的概化试验
• 2.2.1 顺直河道形成的概化试验
• 2.2.2 弯曲河道形成的概化试验
• 2.2.3 游荡河道形成的概化试验
• 2.3 各类河型形成条件的讨论
• 2.3.1 河道初始比降影响
• 2.3.2 展宽系数影响
• 2.3.3 水沙条件影响
• 2.3.4 下游水位即水流冲刷能力的影响
• 2.3.5 床沙及来沙粒径影响
• 2.3.6 流量变幅及流量曲线对河型影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 游荡型河道的转化
• 3.1 游荡型河道转化研究现状
• 3.2 人为控制游荡小河转化过程的数值模拟研究
• 3.2.1 方案一：调水调沙（恒定水沙条件）
• 3.2.2 方案二：调水调沙（改变水沙搭配）
• 3.2.3 方案三：调水调沙（调平洪峰流量）
• 3.2.4 方案四：边岸生态加固工程（考虑植被影响）
• 3.3 方案比较与并用
• 3.3.1 方案一、方案二比较
• 3.3.2 方案四与方案一、二的组合并用
• 3.4 本章小结
• 第4章 结论与展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果