造床流量为参数的冲积河流输沙量模型研究及应用.docx

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1、造床流量为参数的冲积河流输沙量模型研究及应用人类活动导致河道水沙条件显著改变,引起河床变化,带来防洪、生态等方面的问题。为控制河道演变,采用水库调水调沙被证明是可以采用的方法。河床变化影响输沙,进而影响输沙规律是学者们众所周知的,然而这一影响在以往研究的输沙规律表达式中却较少体现。故本文意在建立体现河床变化影响输沙规律的表达式。为提出黄河防洪减淤和水沙调控策略提供依据。本文以构建可以考虑造床流置变化的输沙模型为主要研究内容。依据黄河干支流多个水文站实测资料,统计分析造床流量与输沙量的变化关系。从水流运动力学和能量的角度,拟示输

2、沙规律以造床流量为边界参数的成因;在水沙运动一致的假定下,借助水文领域关于河道水流单位脉冲在河道中运动的理论,建立包括造床流量在内的多参数水沙输移模型;并利用黄河内蒙古段三湖河口和头道拐水文站资料,对所建模型进行检验。在提出模型的基础上探讨其在分析有利于河道水沙搭配条件方面的应用,包括河道在不同造床流量霞的冲淤:维持河槽不萎缩所需的洪水水沙条件;有利于河道高效输沙的造床流量和洪水水沙,为水库调节和调度提供理论基础。主要研究成果果如下:(1)水流在输送泥沙时。输沙量并不随流量单调增加。而是在达到最大输沙量后逐步减少且最大输沙量随

3、造床流量不同而不同,也因此使同流量的输沙量因造床流量不同而不同,造床流量与其对应的最大输沙量呈函数关系.这种以造床流量为边界条件的输沙规律在复式河槽的一般挟沙水流中具有普遍性。(2)流量接近造床流量的过程中。因横向流速加大易顶冲河岸造成冲刷或塌岸。若冲刷和塌岸发生在水文站测量断面附近,则测流断面的输沙量会显著提高,在流量输沙量关系图中。形成最大输沙量附近出现规律性较差的散点区。流量大于于造床流值后,水流上滩,主槽床面剪切应力减小,河槽阻力骤然增大,加之水流和泥沙的横向交换,使得水流能量损失增大,输沙能力减小,造成流量大于造床流

4、量后,河床多出现淤积。(3)根据洪水过程中输沙率的变化与流量的变化几近同步这一规律,以河道滞时单位线为基础,推导建立了以造床流量、起动流量为物理参数,以前期冲淤量、流量和上站含沙量为自变量的输沙模型。合理性分析表明。该模型的结构能表达人们对自然规律的认识、物理意义明确、物理图形清楚。利用黄河干流内蒙段三湖河口至头道拐河段的实测流量、含沙量和输沙率资料,将建立的模型与张晓华(潘贤娣类型)模型和吴保生模型进行比较,结果表明,其模拟结果与实际吻合良好,性能优良。(4)应用输沙模型分析可知,黄河内蒙三湖河口至头道拐河段的造床流量大于2

5、500m3/s都利于该河段输沙,其中3550m3/s的造床流量最利于河道输沙且输沙最高效。当前造床流量为1500～1800m3/s的条件下,流量大于2000m3/s的洪水会使河床发生淤积,维持河槽不萎缩和有利于河道高效输沙的洪水流量为700～1100m3/s,入口含沙量为4～5kg/m3,此时河道保持平衡输沙。随着河床的进一步冲刷、造床流量改变,需根据新造床流量重新确定维持河槽不萎缩和有利于河道高效输沙的洪水水沙搭配。(5)受冰和水温对水流输沙的影响,凌汛期尤其是凌汛开河期,洪水输送泥沙的粒径较伏汛期粗,且根据输沙模型计算所得

6、的输沙量和单位输沙水量结果可知,凌汛期洪水输沙效率高于伏汛期洪水输沙效率。因此,应考虑充分利用凌汛期输沙。