基于河流阻力規(guī)律的河型參數(shù)化分類方法與河型演變特征研究.pdf

1、在制定河流保護和水資源開發(fā)計劃之前，應該最大限度地掌握河流相關(guān)信息，以做到合理科學地規(guī)劃河流。自然界天然河流雖然復雜多變，但又遵循一定的規(guī)律，一些河流形狀呈現(xiàn)出規(guī)則且極相似的一面，河流形態(tài)是河流動力的外在體現(xiàn)，也是河流自然演變規(guī)律的重要表現(xiàn)形式。本文從河流阻力規(guī)律出發(fā)，對河流平面形態(tài)的河型分類進行了研究，建立了基于阻力規(guī)律的河型參數(shù)化分類方法，對河流自然演變中最重要的彎道水動力結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬和實驗研究，對不同參數(shù)下可能存在的河型及其

2、演變過程進行了實驗研究。文章中采用了統(tǒng)計分析、理論分析和模型試驗等多種研究方法。
　　文章主要內(nèi)容和創(chuàng)新之處：
　　1）構(gòu)建河流阻力規(guī)律關(guān)系式。天然河流阻力規(guī)律決定著河流的平面形態(tài)，不同河型特征反映了不同的河流阻力規(guī)律。有別于水流在明渠中阻力規(guī)律形式，通過考慮河流形態(tài)因素，構(gòu)建河流阻力規(guī)律關(guān)系式，具體方法是：將沿程水頭損失公式向天然河流推廣，利用坡降、流量、流速、泥沙粒徑、河流形態(tài)、河道幾何特征等一系列參數(shù)，通過資料分析、數(shù)

3、據(jù)擬合等技術(shù)手段，得到了河流阻力規(guī)律的表達形式。將河型參數(shù)作為分類指標，反演河流阻力規(guī)律表達形式，建立了一種物理概念明確、表達簡單的河型分類方法。用兩條閾值曲線將整個河流系統(tǒng)分成單線型、不穩(wěn)定多線型、穩(wěn)定多線型等三大類型。通過研究發(fā)現(xiàn)，河型分類系統(tǒng)中單線型河道對河岸強度相當敏感，而多線型河道并不直接受河岸強度影響，尤其是大寬深比的情況。在外部擾動影響下，河流類型可以發(fā)生短暫的變化，如彎曲型河道出現(xiàn)游蕩特征，但其最終能夠回到原始平衡狀態(tài)類

4、型。
　　2）典型彎道水流結(jié)構(gòu)研究。彎曲河道是最為基礎(chǔ)的河流形態(tài)，是順直明渠最簡單的變形，彎道水流運動也是河型演變的源動力。通過研究，已知天然河流局部河道遷移速率在曲率半徑R與河道寬度B比率接近3時最大，針對這一現(xiàn)象，本文從數(shù)值模型和物理模型兩方面研究了該臨界彎曲度下的常曲率彎道水流動力特征，包括該臨界情況下的各種流速分量、流線、二次流和壁面切應力等。通過數(shù)值與彎道水槽實驗比較，證實 RNG k-ε模型能夠高效地模擬彎道水流結(jié)構(gòu)，

5、同時也進一步證明彎道水流受到二次流強烈的影響。
　　3）河型演變的實驗研究。不同河型間的交替轉(zhuǎn)化，伴隨著河流阻力規(guī)律的變化，現(xiàn)實河流中表現(xiàn)為水流結(jié)構(gòu)、坡降、粒徑分布、河岸線及床面形態(tài)等各種參數(shù)特征的變化。在實驗室條件下，對正弦派生曲線彎道短期演變規(guī)律進行了研究，控制變量包括：初始河道彎曲度、河寬以及水流流量；實驗測量結(jié)果包括：河岸線、流場、地形和泥沙輸移情況等。實驗過程中不同工況下的河道有著不同的發(fā)展特征。用非粘性泥沙作為實驗材料