近期长江下游河床阻力变化特征

发布时间：2020-05-24 05:42

【摘要】：冲积河流阻力是泥沙运动力学的基本问题,它与河流的泄流能力及挟沙能力直接相关。其与一般定床明渠水流阻力不同,由沙粒阻力、沙波阻力、边壁阻力等组成。其中,沙粒阻力和沙波阻力又统称为河床阻力,在宽深比较大的天然河流中,它是冲积河流阻力最为重要的组成部分。河床阻力反映了水流对河床作用力的大小,决定着泥沙运动的强度。近年来,人类活动作为第三驱动力对于长江下游的影响日益增大,尤其是长江三峡及南水北调等工程的兴建,导致上游来沙减少约2/3,三峡大坝下游,河床沉积物粗化的河段有不断下移的趋势,势必会引发长江下游河道河床阻力自适应调整。因此,亟需重新认识和研究新形势下长江下游河床阻力的分布特征,为该河段的航道整治,航运安全及防洪提供较为可靠的参考依据。影响河床阻力的因素有河床的糙率、形状、水力半径和水深、水流流态和含沙量等,为获得更为精确的河床阻力参数,本文通过对2014年至2016年间长江九江至长江口河段河床床面沉积物、形态、水深和流速开展粒度样品现场采集与室内分析、多波束测深系统、双频ADCP的测量与分析,计算九江至长江口河段河床阻力,探讨长江下游河床阻力的分布特征及影响因素分析。另一方面,河床阻力系数尤其曼宁系数是数值模拟的一个重要参数,直接控制着流量、速度、深度等水力要素的模拟结果和精度,在天然河道、明渠、管道的过水能力计算、洪水演进预报准确度和精度发挥关键作用。因此,基于以上实测数据计算的河床阻力系数,通过Delft3D数值模型模拟分析在超警戒水位下,长江南京河段洪水位与流量过程,以期为防洪管理提供较为可靠的技术和数据支撑。主要研究结果如下:(1)三峡蓄水前(2003年),长江下游自九江至吴淞口河道沙粒阻力最大134 N/m~2,最小2.2 N/m~2,平均沙粒阻力为54.6 N/m~2。而三峡蓄水后(2014~2016年),长江下游自九江至吴淞口河道河床沙粒阻力最大40 N/m~2,最小5.8 N/m~2,平均沙粒阻力为20 N/m~2。三峡蓄水后,最大沙粒阻力和平均沙粒阻力减小较为明显,分别减小85%和63%。三峡蓄水前后两个时间段(2003年和2014~2016年),平均沙粒阻力自长江九江至吴淞口均呈先增大后减小的变化趋势。(2)三峡蓄水前(2003年),长江下游河道各测点间的沙波阻力值变化不大,沙波阻力最大仅为0.67 N/m~2,最小0.04 N/m~2,平均沙波阻力0.27 N/m~2。三峡蓄水后(2014~2016年),长江下游河道各测点间的沙波阻力值变化更小,沙波阻力最大仅为0.15 N/m~2,平均沙波阻力0.05 N/m~2。三峡蓄水后,长江下游河道最大沙波阻力和平均沙波阻力减小较为明显,分别减小78%和81%,。可见三峡大坝运用对于长江河床底形的影响也不可忽视。(3)三峡蓄水前后两个时间段(2003年和2014~2016年),长江下游河道各测点沙波阻力占其河床阻力均不足1%,说明长江下游河道河床阻力以沙粒阻力为主,平均沙粒阻力自长江九江至吴淞口均呈先增大后减小的变化趋势。(4)三峡蓄水前(2003年),长江下游河道河床阻力与粒度,流速和宽深比的平均相关系数依次为0.48、0.3和0.25。但三峡蓄水后(2014~2016年),长江下游河道河床阻力与上述三个影响因素的平均相关系数的大小发生了变化,即从大到小依次为流速,宽深比和粒度,相应的平均相关系数依次为0.71、0.41和0.3。(5)影响河床阻力的粒度、流速和宽深比也是床面形态判别要素。前人多以这些判别要素的两两组合,并计算得到希尔兹数和沙粒雷诺数双参数,进而对床面形态进行判别。由于采用两个参数的经验方法有很大的局限性,本文首次尝试以弗劳德数、沙粒雷诺数和希尔兹数三参数判别床面形态,相较于以希尔兹数和沙粒雷诺数双参数的判别方法,其判别准确率提高了35%;相较于以gD~3/~2和沙粒雷诺数双参数的判别方法,其判别准确率提高了30%;基于希尔兹数和沙粒雷诺数数建立的床面形态判别函数,对实测床面形态为沙垄的预测结果误差率达40%,基于gD~3/~2和沙粒雷诺数数建立的床面形态判别函数,对实测床面形态为沙垄的预测结果均未预测成功。进一步说明了Fr在低流速区尤其是沙垄的发展阶段,对床面形态判别中的作用不容忽视。(6)基于南京河段实测数据计算阻力系数n(曼宁系数)应用于该河段洪水流量的模拟,并预测不同水位高程下南京下关水文站过境流量的变化过程。结果显示,当南京下关站设计洪水位为13.5m时,长江南京河段平均过境流量约为113000 m~3/s;当设计洪水位为9 m时,长江南京河段平均过境流量约为71000 m~3/s;当设计洪水位为8.5 m时,长江南京河段平均过境流量约为68000 m~3/s;为了保证水位在最低通航水位0.74m以上,上游来水流量至少要保证约4300 m~3/s。而且,从不同水位模拟的结果发现八卦洲的洲头至洲尾段水力坡降均远远大于南京河段的平均水力坡降,且随着设计洪水位的增高,八卦洲河段水力坡降有增大的趋势。
【图文】：

技术路线框架

技术路线框架图

示意图,南京河段,长江流域,示意图

图 2-1 长江流域及南京河段示意图文泥沙特征蕴含大量丰富的水资源，总量约为 9700 亿 m3，达到全国河流的 36%，居 Amazon 和 Congo 河之后，位居世界第三位。长降水量约为 1100 mm，但降水时空分配较不平衡，，其中每年冬水量最少，自春季伊始（3～5 月）降水量呈现逐月增加的趋势月）降水量达到顶峰，在长江中下游区域最大可超 200 mm，然后降水量再逐月递减，而且下游流域连续最大 4 个月降水总量可%～ 60%（长江水利委员会水文局，2010；石盛玉，2017）。供给是长江径流的主要来源（戴明龙，2013；郭生练，2014）时空差异较大，主要是因为降水强度的时空分布不均匀，总体岸强于北岸，下游强于上游（水利部长江水利委员会，1992；
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV147

【参考文献】