基于二维数值模拟的库区急弯分汊河段演变规律研究

摘要

急弯分汊河段水沙运动规律较为复杂，三峡库区蓄水后，长江典型的弯道河段航道条件发生了新变化，部分河段航道条件恶化，碍航问题比较突出，制约着航运发展。黄花城为三峡库区典型的急弯分汊河段。三峡蓄水以来，库区水流条件变化较大，该河段泥沙大量淤积，成为库区内淤积形势最为严重的河段之一。
　　本文通过对黄花城近十年重点淤积区域，淤积幅度，水位变化及分流比变化的分析，对该河段演变规律及特点进行总结，其演变过程呈现以下特点：⑴三峡水库蓄水后，黄花城水道处于常年回水区，水位大幅抬高，流速减缓，呈累积性淤积。⑵洪水期分汊河段分流比发生明显变化，非主流带的弯曲开阔地带泥沙大量淤积。⑶蓄水后水位抬升，水流趋直，左汊道形成缓流区，造成左汊道大幅淤积;在汇流区，水流间相互作用导致江心洲尾部水流能量减小，泥沙淤落。⑷黄花城左汊入口沿洲头区域淤积不明显，处于相对平衡状态。
　　本文基于平面二维水沙动力学模型，对库区急弯分汊河段演变规律进行进一步的分析研究。由于目前三峡水库库区航道内淤积了大量细颗粒泥沙，实际淤积现象与传统认识和研究并不一致，因此，本文通过现场实测数据及水槽试验初步探索了库区细颗粒泥沙的运动特点，摒弃了传统通过以含沙量与挟沙力的大小关系判断冲淤的模式，直接通过流速大小进行冲淤判断。根据水流流速大小，将细沙运动划分为淤积区、输沙区和冲刷区，即:当流速v＜0.5m/s时发生淤积;当v＞1.1 m/s时发生冲刷;当0.5≤v≤1.10m/s时，既不淤积也不冲刷。本文根据该方法推导出三峡库区泥泥沙运动方程和河床变形方程，通过数学模型计算验证证实了该方程的合理性，并应用于库区急弯分汊河段二维水沙数值模拟研究。根据数学模型计算结果，给出了黄花城河段预测20年的累计淤积量、典型横断面的淤积过程、沿程淤积强度、深泓线的发展过程及淤积厚度等值线图，并对计算结果进行比较分析，得出黄花城淤积主要部位仍然是左汊，且重点淤积部位逐渐向左汊出口转移，右汊淤积发展则相对缓慢。该河段将仍然保持淤积状态，但整体淤积速度将放缓直至平衡。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 三峡库区概况

1．2 急弯分汊河流特性分析

1．2．1 急弯分汊河流特点

1．2．2 河床演变影响因素

1．2．3 研究意义

1．3 研究方法比较与选取

1．3．1 常用研究方法

1．3．2 数学模型比较

1．3．3 数值计算方法

1．3．4 二维数学模型的研究进展

1．4 研究内容

第二章 库区泥沙输移特性研究

2．1 库区泥沙输移特点

2．2 现场测量

2．2．1 现场测量主要内容

2．2．2 测量断面布置

2．2．3 测量位置水位概况

2．2．4 现场测量结果分析

2．3 冲淤流速分布水槽试验研究

2．3．1 试验设备

2．3．2 试验设计

2．3．3 试验结果与分析

2．4 本章小结

第三章 平面二维水流泥沙数学模型的建立与验证

3．1 二维水流模型的建立

3．1．1 水流控制方程

3．1．2 求解方法

3．1．3 边界条件及动边界处理

3．2 二维泥沙冲淤数学模型的建立

3．2．1 三峡库区泥沙运动方程及河床变形方程的推导

3．2．2 三峡库区泥沙运动方程及河床变形方程的求解

3．2．3 三峡库区泥沙冲淤计算模式

3．3 模型验证

3．3．1 计算区域

3．3．2 有关计算参数的选取及确定

3．3．3 水流模型验证

3．3．4 泥沙模型验证

3．4 本章小结

第四章 库区急弯分汊河段近期演变规律

4．1 库区典型急弯分汊河段概况

4．2 河段冲淤变化特点

4．2．1 典型断面变化

4．2．2 淤积特性变化

4．2．3 淤积量统计

4．3 航道条件变化

4．3．1 水位变化

4．3．2 分流比变化

4．3．3 航道维护变化

4．4 近期演变规律总结

4．5 本章小结

第五章 库区急弯分汊河段河势演变数值分析

5．1 计算条件选取

5．2 计算结果分析

5．2．1 计算典型流场

5．2．2 累计淤积量

5．2．3 沿程淤积强度分布

5．2．4 深泓线的变化

5．2．5 典型横断面的淤积分布

5．2．6 黄花城河段淤积分布图

5．3 演变规律分析及趋势预测

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及参与的科研项目