河海大學泥沙研究進展及成果綜述

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 湯立群 唐洪武 陳國
上傳時間:2006/2/16 14:27:00

摘要:在模擬物理概念模型、泥沙基本理論研究、泥沙数學模擬、河工模型試驗研究、量測技術及測控系統研究、水流泥沙運動的多媒體動態演示等研究進展及成果綜述。

關鍵詞:河海大学 泥沙研究

1 前言

  河海大學的河流泥沙運動力學屬於江蘇省重點學科,擁有一大批具有中高级技術職稱的專門,建有大型試驗廳4座,玻璃水槽20余條,可以觀測記錄水位、流速流向、含沙量、顆粒級配、淤積地形以及具有先進的多邊界潮汐非恒定流數據采集、控制、監視系統和ADV三維流速測量系统。多年來,研究領域不斷擴大,對水庫、河道、流域、樞紐、工礦、河口海岸等方面的泥沙問題進行了較為深入的研究,形成了自己的特色,先後承擔了“七五”、“八五”國家攻關及自然科學基金等項目,取得了一批成果,獲得各類科技進步獎十余項,培養碩士、博士研究生30多名。

  隨著河海大學首批進入“211工程”,給本學科的發展帶來了新的機遇和挑戰。自1996年以來,學校逐步投入200多萬元進行學科和實驗室建設,至2000年,將建成一批較先進的實驗設備,為本學科的進一步發展創造條件。

2.1 降雨特性及雨蝕模擬

  通過分析雨滴降落過程中的力學規律,從理論上導出了雨滴降落在任一高度時的速度計算公式,進而導出了雨滴的终速公式。該公式由陳國祥、姚文藝研究完成,提出了雨滴变形的概念,用於描述直径大於0.3mm的雨滴在降落過程中形狀因子對落速的影響。得到的終速公式與國內外同類公式比較,具有較強的理論基礎,形式簡單,與實測资料吻合好,計算精度高。可用於計算雨滴終速,確定雨滴動能和設計人工模擬降雨裝置。

  湯立群在分析雨滴濺蝕規律的基礎上,運用牛頓第二運動定律推導出雨滴對土粒的撞擊力表達式和雨滴濺蚀量計算公式。該研究与以往成果相比,具有力學概念清楚,理論性強,又能反映影響雨蝕主要影響因素等特點,可用來計算天然降雨的濺蝕量。

  因“211工程”建設,目前正在改造大型人工降雨水槽試驗裝置,使其成為能夠模擬降雨濺蝕、坡面径流侵蝕和重力侵蝕的室內人工降雨装置,並開展這方面的研究。

2.2 坡面流水力學

  陳國祥等通過理論分析和室內人工降雨水槽試驗,研究了坡面浅層均勻流和降雨產生的沿程变量流的流態和阻力規律,研究表明,坡面淺層流與通常的明渠流不同,降雨、坡度及床面糙度對水流阻力都有一定影響。降雨條件下的沿程變量流不存在通常意義的層流,而是“偽層流”。坡面淺層水流無論是均勻流還是沿程變量流的“層流”,其臨界雷諾数均比天然河道水流的大。

  在室內人工降雨水槽試驗基礎上,得到了降雨作用下坡面流的Darcy-Weisbach阻力系數关系式,成果具有坡度大,糙度高和雨強大等特點,公式的適用範圍更廣;李杰友等采用一維淺水波方程描述坡面流運動,並用運動波近似,通過四點隱式差分求其數值解,較好地解決了坡面流的模擬問題。

2.3 流域侵蝕產沙模型

  湯立群、陳國祥運用泥沙運動力學基本理论與方法,結合地理學、地貌學、土力學及水文學等學科知識,建立了具有物理過程基礎的小流域產流產沙數學模型。该模型可模擬流域上任意時空分布的水流泥沙過程,为小流域開展綜合治理规劃提供科學的決策依据;針對黃河中遊復杂的地形地貌條件和徑流泥沙过程,通過力學分析和數學推導,建立了適用於大中流域長系列徑流泥沙模擬的物理概念模型,突破了物理概念模型難以在大中流域上應用的難點。該模型在“八五”攻關研究中被用來模擬大理河流域长系列的產流產沙過程,在效益計算的基礎上,進行了水沙變化原因分析。

  另外,包為民提出了簡單的概念性坡面汇沙、溝道匯沙模式,与坡面、溝道產沙公式一起構成了流域產匯流、產輸沙的耦合模擬物理概念模型。該模型已在黃河中遊地區十多個流域上得到應用。

2.4 減水減沙計算方法研究

  傳統的水保效益計算方法有水文法和水保法兩種,在指導我国水土保持規劃與效益評價中發挥了重要的作用,但也存在不足。在“八五”攻關項目的研究中,我校湯立群等建立并提出了用模型法計算水土保持減水減沙效益,分析水沙變化之原因,取得了良好的效果。

  但模型法屬於總量評價,不能區分各項水保措施的減水減沙效益。今後的研究是如何應用模型法對水保效益進行分離評估,以便切實有效地指導小流域綜合治理的規劃設計。

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3 泥沙基本理論研究

3.1 推移質對流速分布和阻力的影響研究

  陳國祥在國家教委博士點基金的资助下,開展了推移质對流速分布和阻力的影響試驗研究。研究表明:動床輸送推移質水流的流速分布受床面粗糙程度、床沙中孔隙流、推移質運動及推移質運動后床面邊界條件變化的綜合影響。推移質的存在使水流流速分布在整個水深範围內卡門常數減小,水流底部流速偏小於對數规律;而床沙中孔隙流及推移質運動後床面邊界條件的變化則使底部流速偏大於對數規律。通过試驗和一定理論推導,提出了可反映推移質運動影響的定床輸沙水流、動床輸沙水流的流速分布和阻力公式。

3.2 明渠紊流及其對泥沙輸運的作用研究

  卞華等在水利水電基金的資助下,分别采用不同單元斷面如方形、半圓柱形和三角形的人工加糙,對明渠二維加糙水流的阻力特性進行了系統的试驗研究,得到隨著加糙間距的增大阻力增大,至λ/Ks=8时,阻力達最大值,其後,隨λ/Ks的增大而減小,並總結出水流阻力因子的表達式。

  毛野等在國家自然科學基金的資助下,開展了明渠紊流拟序結構對泥沙輸運的作用研究,該课題尚屬泥沙研究的前沿,以試驗研究為主,将定床和動床相結合,采用圖象顯示技術與計算機圖象處理技術相結合的全流場測試系統,研究床面形態不同時紊流擬序結構的特點和對泥沙輸運的作用,成果具有重要意義。

4 泥沙数學模擬

  我校泥沙數學模型包括一維、二維和三維,研究對象主要有河流、航道、水庫、港口、碼頭、河口海岸等,求解方法主要有有限差分法、有限元法、有限分析法等,其中有限差分解法有ADI法、控制體積法、破開算子法等幾種。

  一維泥沙数學模型用來解決長河段長時段的泥沙運動和河床演變問題,應用比較廣泛,也比較成熟,可以取代實體模型試驗,大大節省人力物力。湯立群、陳界仁運用一维模型對白沙水庫泥沙淤積和取水方案進行了計算,在長河段的贛江航道整治工程一维計算中,也發揮了較好的作用。

  二維泥沙數學模型發展迅速,在生產上得到了廣泛應用,能較好地模擬水流結構和泥沙運动在平面上的分布規律,經常与實體模型耦合運用,相互印證,相互提供邊界,在某些場合下,部分地取代了實體模型,取得了极大的經濟效益,也促進了泥沙基本理論的研究。比如,湯立群、金忠青等用擬合坐标生成了正交曲線網格,運用“露灘凍結”技術解決動邊界問題,考慮了床沙級配的分層記憶和床沙質與冲瀉質的劃分,通過分組解決非均勻沙的挾沙能力表達式,在水流輸運及分組含沙量輸运方程的離散過程中,采用守衡性較好的控制體积法和SIMPLEC計算程式,建立了k-ε雙方程紊流泥沙數學模型,較好地模擬了內河恒定流和潮汐河口非恒定流過程以及河床的沖淤變化,特別在航道整治工程方案優化計算中取得良好效果。張長寬、張東生等基於長期波浪序列的沙質海岸,建立了河床演變數學模型,對海區波浪、潮流和海岸演變進行了模擬計算。

  三維泥沙數模中,要以水流數值模擬研究為多,成果也相對成熟些,同時,三維泥沙數值模擬也取得了初步成果。比如,劉子龍、王船海等利用破開算子法對長江口三維水流過程进行了有效的模擬。嚴愷、周华君對長江口渾濁帶特性進行了研究,在此基礎上,建立了三維擬合坐標下的水流泥沙數学模型。陳國祥、陳界仁對國內外三維泥沙数模研究進行了分析比較和綜述,提出三維泥沙數模研究的必要性和迫切性。

5 河工模型試驗研究

5.1 水利樞紐泥沙

  我校70年代以來,一直堅持本課題的理論分析和試驗研究,近十年的研究主要包括:庫區淤積對、發電和航运的影響;壩前淤積與枢紐布置的關系;引航道和取水口淤积及防淤措施;壩下遊河道沖刷演變及對航道的影響;樞紐如引水樞紐、地涵泥沙問題等,代表性的課题有“新疆烏魯瓦提水库泥沙模型試驗研究”、“废黃河地涵整體泥沙模型试驗”等近十項。

5.2 河道泥沙

  主要針對河道治理、河床演變、港口航道、河口泥沙、碼頭抗沖防淤措施等方面的工作進行研究。在航道整治中,多年來結合生產需要對丁、順壩等整治建築物作用下的水力學問題進行了系統試驗研究,包括實體丁壩及網壩的不同壩長、壩高、壩間距、壩与水流交角等情況下的水面形態和平面流場的研究,取得的成果為我國東南各省的水利工程及航道整治作出了貢獻,受到工程單位的好評,代表性的課題有“珠江蓮沙容水道八塘尾航道整治模型試檢研究”,“贛江南昌河段航道整治動床模型試驗研究”,“閩江圍墾航道整治”等十余項。

5.3 工業取排水口泥沙防治

  近10年來,我校與华東、西北等多家電力设計院合作,通過現場調查與模型試驗相結合等方法,提出了一種新的曲線河床式取水口,充分利用山區河流上常見的卡口、磯頭附近的深潭河段,準確地確定取水口位置。與此同時,对下遊河口段也進行了较全面的研究,提出掌握主流變化規律,根據河勢避開暗沙运動範圍,利用深水區,配合合理的進出水口平面布置等措施取得成功。由於在河口、海灣等取水口的選址和防沙問題上積累了比較豐富的經驗,從而能在大亞灣核電站取水口研究中作出重大貢獻,獲國家科技进步一等獎。如“上海石洞口電厂排水口動床物模研究”,“漳平電廠擴建工程取水口局部動床模型試驗研究”和“黃埔電廠浪沙回淤试驗研究”等。

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6 量测技術及測控系統研究

  近10年來,我校不僅在泥沙基础理論及生產問題的研究中取得了一定成績,同時通过多年泥沙研究工作的實踐,還開發研制成功諸多用於泥沙研究的儀器設備,如:NSY-1型光電颗分儀;NSY-2型寬域粒度分析儀;光電反射式地形儀;自動往復推移質加沙机;大型實體模型試驗計算机全流場圖象測速分析系統;多邊界潮汐非恒定流數據自動采集、控制、監視系統。這些儀器及系統的研制為研究課題成果质量提供了保證,部分儀器設備處於国內領先水平。

6.1 光電反射式地形儀

  針對已有地形仪(光電對射式、電阻式、超聲波式、測針或钢尺)會破壞測點地形,產生的誤差大等問題,唐洪武、李瑾等研制出光电反射式地形儀,該儀器在測量過程中探頭不必插入泥沙界面,也能對1mm厚度以下的淤積層進行測量,光電反射式傳感器自身理論控制精度可達0.01mm,不受外界光的幹擾,還可進一步推廣應用於測壓管水位的測量,尤其在微壓變化情況下使用,更顯其優越性。

6.2 大型實體模型计算機全流場圖象測速分析系統

  近10年來,先後開發出CCD氫泡低流速測量系統、粒子圖象測量系統和用於大型實體模型研究的图象測速分析系統。CCD氫泡低流速測量系统是在傳統的氫泡測量的基礎上,引入CCD面陣攝象技術,通過計算機進行氫泡圖象自動采集、處理與分析,做到準實時,減少了人工工作量;粒子圖象測量系統的特點是操作方便,設備成本低,約為國外进口設備的1/10,工作環境要求不高,獨創之處是將微光象增強技术和聲光調制技術引用至該系统,使該系統實現在低功率連續激光照明條件下,滿足高清晰度、測速變化範圍大的要求,已用於多項國家基金、縱向、橫向科研課題中,取得明显的社會經濟效益;工程實體模型圖象測速分析系统,則是針對工程模型的特点,特別是渾水泥沙模型中流速場的測量困難而提出的,其特點是可實現記錄整個模型現場,不需要錄象機参與就可以實現多幅畫面的拼接,流速測量精度高(5‰級),系統的分析功能強。代表性成果有唐洪武等完成的“數字圖象技術在雙射流混合流場中的應用”和“數字圖象測速技術及在進水口漩渦流場中的應用研究”等。

6.3 多邊界潮汐非恒定流数據自動采集、控制、監视系統

  多年來通過河工模型工作实踐,在學校“211工程”建設資助下,徐夕榮,周汝盛等完成了多邊界潮汐非恒定流數據自動采集、控制、監視系統。該系統運用PID原理自動調節尾門,能準確模擬各邊界的水位和流量過程,同時檢測64個測量流速,32個測站水位和32路模擬量輸入(如含沙量等)。各測量數據可隨時從計算機顯示器上觀看,並打印輸出。為配合自動控制系統的运行,還在該系統上配上監視系统,工作人員可在與模型現场隔離的控制室內對模型的運行過程進行監视、錄象,遇有緊急情況還可随時通過話筒通知模型現場工作人員,因此該系統的成功應用,不僅提高模型試驗成果的質量,還節省了大量人力和物力。

6.4 河流泥沙顆分儀

  盧永生等自1977年開始研究河流泥沙顆分儀,先後研制出(1)GDY-1型光電顆分儀;(2)NSY-1型光電顆分儀;(3)NSY-2型寬域粒度分析儀。三種儀器共推廣约150臺。NSY-2型寬域粒度分析儀於1990年通過水利部鑒定,創新之處在於:(1)使用長管渾勻沈降原理進行顆粒分选,使儀器和傳統的水沈法具有可比性;(3)IBM計算機完成采樣、繪圖任務,實現量測自动化。

7 水流泥沙運動的多媒體動態演示

  水流泥沙運動和河床演变過程貫穿於一個動字,特別適合於用多媒體進行動態和過程的描述。但如何把水流泥沙模擬過程中大量枯燥的數據、圖表以生动、活潑、直觀、友好的方式表现出來,並不是一件易事,這是泥沙研究工作者為之努力的方向之一。

7.1 水流泥沙運動過程動態演示系統

  該系統就是把水流泥沙運動狀況或河床边界的變化過程,在計算机屏幕上逼真地表現出來。近年來,我校在這方面進行了嘗試。紀元、張東生研制完成了南中國海潮波傳播的動態變化,汙染物質擴散過程的動態變化,熱汙染溫度場的動態變化;金忠青、王玲玲等研制出三峽庫區三維地形俯視動態系統,湯立群、王加虎等完成了潮汐河口潮位动態變化和潮流仿真動態演示系統等。

7.2 模擬結果的多媒體演示系統

  該系統就是利用多媒體技術把數模結果以文字、图片、圖象、音效、動畫及视頻等形式表現出來,通過观看多媒體電影,可以直觀地了解研究區域的概況,水文氣象特性,水流泥沙特性和河床演變特性,可以了解數模的建立方法和基本問題的处理,直觀地表現模型的驗证結果及方案計算結果。自1998年以来,湯立群、楊濤等用Authorware等一批比較专業的多媒體編輯軟件開發了贛江(樟樹~南昌)河段航道整治數模結果多媒體演示系統。

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