造床流量為參數(shù)的沖積河流輸沙量模型研究及應(yīng)用.docx

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1、造床流量為參數(shù)的沖積河流輸沙量模型研究及應(yīng)用人類活動導(dǎo)致河道水沙條件顯著改變,引起河床變化,帶來防洪、生態(tài)等方面的問題。為控制河道演變,采用水庫調(diào)水調(diào)沙被證明是可以采用的方法。河床變化影響輸沙,進(jìn)而影響輸沙規(guī)律是學(xué)者們眾所周知的,然而這一影響在以往研究的輸沙規(guī)律表達(dá)式中卻較少體現(xiàn)。故本文意在建立體現(xiàn)河床變化影響輸沙規(guī)律的表達(dá)式。為提出黃河防洪減淤和水沙調(diào)控策略提供依據(jù)。本文以構(gòu)建可以考慮造床流置變化的輸沙模型為主要研究內(nèi)容。依據(jù)黃河干支流多個水文站實(shí)測資料,統(tǒng)計(jì)分析造床流量與輸沙量的變化關(guān)系。從水流運(yùn)動力學(xué)和能量的角度,擬示輸

2、沙規(guī)律以造床流量為邊界參數(shù)的成因;在水沙運(yùn)動一致的假定下,借助水文領(lǐng)域關(guān)于河道水流單位脈沖在河道中運(yùn)動的理論,建立包括造床流量在內(nèi)的多參數(shù)水沙輸移模型;并利用黃河內(nèi)蒙古段三湖河口和頭道拐水文站資料,對所建模型進(jìn)行檢驗(yàn)。在提出模型的基礎(chǔ)上探討其在分析有利于河道水沙搭配條件方面的應(yīng)用,包括河道在不同造床流量霞的沖淤:維持河槽不萎縮所需的洪水水沙條件;有利于河道高效輸沙的造床流量和洪水水沙,為水庫調(diào)節(jié)和調(diào)度提供理論基礎(chǔ)。主要研究成果果如下:(1)水流在輸送泥沙時。輸沙量并不隨流量單調(diào)增加。而是在達(dá)到最大輸沙量后逐步減少且最大輸沙量隨

3、造床流量不同而不同,也因此使同流量的輸沙量因造床流量不同而不同,造床流量與其對應(yīng)的最大輸沙量呈函數(shù)關(guān)系.這種以造床流量為邊界條件的輸沙規(guī)律在復(fù)式河槽的一般挾沙水流中具有普遍性。(2)流量接近造床流量的過程中。因橫向流速加大易頂沖河岸造成沖刷或塌岸。若沖刷和塌岸發(fā)生在水文站測量斷面附近,則測流斷面的輸沙量會顯著提高,在流量輸沙量關(guān)系圖中。形成最大輸沙量附近出現(xiàn)規(guī)律性較差的散點(diǎn)區(qū)。流量大于于造床流值后,水流上灘,主槽床面剪切應(yīng)力減小,河槽阻力驟然增大,加之水流和泥沙的橫向交換,使得水流能量損失增大,輸沙能力減小,造成流量大于造床流

4、量后,河床多出現(xiàn)淤積。(3)根據(jù)洪水過程中輸沙率的變化與流量的變化幾近同步這一規(guī)律,以河道滯時單位線為基礎(chǔ),推導(dǎo)建立了以造床流量、起動流量為物理參數(shù),以前期沖淤量、流量和上站含沙量為自變量的輸沙模型。合理性分析表明。該模型的結(jié)構(gòu)能表達(dá)人們對自然規(guī)律的認(rèn)識、物理意義明確、物理圖形清楚。利用黃河干流內(nèi)蒙段三湖河口至頭道拐河段的實(shí)測流量、含沙量和輸沙率資料,將建立的模型與張曉華(潘賢娣類型)模型和吳保生模型進(jìn)行比較,結(jié)果表明,其模擬結(jié)果與實(shí)際吻合良好,性能優(yōu)良。(4)應(yīng)用輸沙模型分析可知,黃河內(nèi)蒙三湖河口至頭道拐河段的造床流量大于2

5、500m3/s都利于該河段輸沙,其中3550m3/s的造床流量最利于河道輸沙且輸沙最高效。當(dāng)前造床流量為1500～1800m3/s的條件下,流量大于2000m3/s的洪水會使河床發(fā)生淤積,維持河槽不萎縮和有利于河道高效輸沙的洪水流量為700～1100m3/s,入口含沙量為4～5kg/m3,此時河道保持平衡輸沙。隨著河床的進(jìn)一步?jīng)_刷、造床流量改變,需根據(jù)新造床流量重新確定維持河槽不萎縮和有利于河道高效輸沙的洪水水沙搭配。(5)受冰和水溫對水流輸沙的影響,凌汛期尤其是凌汛開河期,洪水輸送泥沙的粒徑較伏汛期粗,且根據(jù)輸沙模型計(jì)算所得

6、的輸沙量和單位輸沙水量結(jié)果可知,凌汛期洪水輸沙效率高于伏汛期洪水輸沙效率。因此,應(yīng)考慮充分利用凌汛期輸沙。