【摘要】：沖積河流阻力是泥沙運(yùn)動力學(xué)的基本問題,它與河流的泄流能力及挾沙能力直接相關(guān)。其與一般定床明渠水流阻力不同,由沙粒阻力、沙波阻力、邊壁阻力等組成。其中,沙粒阻力和沙波阻力又統(tǒng)稱為河床阻力,在寬深比較大的天然河流中,它是沖積河流阻力最為重要的組成部分。河床阻力反映了水流對河床作用力的大小,決定著泥沙運(yùn)動的強(qiáng)度。近年來,人類活動作為第三驅(qū)動力對于長江下游的影響日益增大,尤其是長江三峽及南水北調(diào)等工程的興建,導(dǎo)致上游來沙減少約2/3,三峽大壩下游,河床沉積物粗化的河段有不斷下移的趨勢,勢必會引發(fā)長江下游河道河床阻力自適應(yīng)調(diào)整。因此,亟需重新認(rèn)識和研究新形勢下長江下游河床阻力的分布特征,為該河段的航道整治,航運(yùn)安全及防洪提供較為可靠的參考依據(jù)。影響河床阻力的因素有河床的糙率、形狀、水力半徑和水深、水流流態(tài)和含沙量等,為獲得更為精確的河床阻力參數(shù),本文通過對2014年至2016年間長江九江至長江口河段河床床面沉積物、形態(tài)、水深和流速開展粒度樣品現(xiàn)場采集與室內(nèi)分析、多波束測深系統(tǒng)、雙頻ADCP的測量與分析,計算九江至長江口河段河床阻力,探討長江下游河床阻力的分布特征及影響因素分析。另一方面,河床阻力系數(shù)尤其曼寧系數(shù)是數(shù)值模擬的一個重要參數(shù),直接控制著流量、速度、深度等水力要素的模擬結(jié)果和精度,在天然河道、明渠、管道的過水能力計算、洪水演進(jìn)預(yù)報準(zhǔn)確度和精度發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此,基于以上實(shí)測數(shù)據(jù)計算的河床阻力系數(shù),通過Delft3D數(shù)值模型模擬分析在超警戒水位下,長江南京河段洪水位與流量過程,以期為防洪管理提供較為可靠的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。主要研究結(jié)果如下:(1)三峽蓄水前(2003年),長江下游自九江至吳淞口河道沙粒阻力最大134 N/m~2,最小2.2 N/m~2,平均沙粒阻力為54.6 N/m~2。而三峽蓄水后(2014~2016年),長江下游自九江至吳淞口河道河床沙粒阻力最大40 N/m~2,最小5.8 N/m~2,平均沙粒阻力為20 N/m~2。三峽蓄水后,最大沙粒阻力和平均沙粒阻力減小較為明顯,分別減小85%和63%。三峽蓄水前后兩個時間段(2003年和2014~2016年),平均沙粒阻力自長江九江至吳淞口均呈先增大后減小的變化趨勢。(2)三峽蓄水前(2003年),長江下游河道各測點(diǎn)間的沙波阻力值變化不大,沙波阻力最大僅為0.67 N/m~2,最小0.04 N/m~2,平均沙波阻力0.27 N/m~2。三峽蓄水后(2014~2016年),長江下游河道各測點(diǎn)間的沙波阻力值變化更小,沙波阻力最大僅為0.15 N/m~2,平均沙波阻力0.05 N/m~2。三峽蓄水后,長江下游河道最大沙波阻力和平均沙波阻力減小較為明顯,分別減小78%和81%,。可見三峽大壩運(yùn)用對于長江河床底形的影響也不可忽視。(3)三峽蓄水前后兩個時間段(2003年和2014~2016年),長江下游河道各測點(diǎn)沙波阻力占其河床阻力均不足1%,說明長江下游河道河床阻力以沙粒阻力為主,平均沙粒阻力自長江九江至吳淞口均呈先增大后減小的變化趨勢。(4)三峽蓄水前(2003年),長江下游河道河床阻力與粒度,流速和寬深比的平均相關(guān)系數(shù)依次為0.48、0.3和0.25。但三峽蓄水后(2014~2016年),長江下游河道河床阻力與上述三個影響因素的平均相關(guān)系數(shù)的大小發(fā)生了變化,即從大到小依次為流速,寬深比和粒度,相應(yīng)的平均相關(guān)系數(shù)依次為0.71、0.41和0.3。(5)影響河床阻力的粒度、流速和寬深比也是床面形態(tài)判別要素。前人多以這些判別要素的兩兩組合,并計算得到希爾茲數(shù)和沙粒雷諾數(shù)雙參數(shù),進(jìn)而對床面形態(tài)進(jìn)行判別。由于采用兩個參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法有很大的局限性,本文首次嘗試以弗勞德數(shù)、沙粒雷諾數(shù)和希爾茲數(shù)三參數(shù)判別床面形態(tài),相較于以希爾茲數(shù)和沙粒雷諾數(shù)雙參數(shù)的判別方法,其判別準(zhǔn)確率提高了35%;相較于以gD~3/~2和沙粒雷諾數(shù)雙參數(shù)的判別方法,其判別準(zhǔn)確率提高了30%;基于希爾茲數(shù)和沙粒雷諾數(shù)數(shù)建立的床面形態(tài)判別函數(shù),對實(shí)測床面形態(tài)為沙壟的預(yù)測結(jié)果誤差率達(dá)40%,基于gD~3/~2和沙粒雷諾數(shù)數(shù)建立的床面形態(tài)判別函數(shù),對實(shí)測床面形態(tài)為沙壟的預(yù)測結(jié)果均未預(yù)測成功。進(jìn)一步說明了Fr在低流速區(qū)尤其是沙壟的發(fā)展階段,對床面形態(tài)判別中的作用不容忽視。(6)基于南京河段實(shí)測數(shù)據(jù)計算阻力系數(shù)n(曼寧系數(shù))應(yīng)用于該河段洪水流量的模擬,并預(yù)測不同水位高程下南京下關(guān)水文站過境流量的變化過程。結(jié)果顯示,當(dāng)南京下關(guān)站設(shè)計洪水位為13.5m時,長江南京河段平均過境流量約為113000 m~3/s;當(dāng)設(shè)計洪水位為9 m時,長江南京河段平均過境流量約為71000 m~3/s;當(dāng)設(shè)計洪水位為8.5 m時,長江南京河段平均過境流量約為68000 m~3/s;為了保證水位在最低通航水位0.74m以上,上游來水流量至少要保證約4300 m~3/s。而且,從不同水位模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)八卦洲的洲頭至洲尾段水力坡降均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南京河段的平均水力坡降,且隨著設(shè)計洪水位的增高,八卦洲河段水力坡降有增大的趨勢。
【圖文】：

技術(shù)路線框架圖

圖 2-1 長江流域及南京河段示意圖文泥沙特征蘊(yùn)含大量豐富的水資源，總量約為 9700 億 m3，達(dá)到全國河流的 36%，居 Amazon 和 Congo 河之后，位居世界第三位。長降水量約為 1100 mm，但降水時空分配較不平衡，，其中每年冬水量最少，自春季伊始（3～5 月）降水量呈現(xiàn)逐月增加的趨勢月）降水量達(dá)到頂峰，在長江中下游區(qū)域最大可超 200 mm，然后降水量再逐月遞減，而且下游流域連續(xù)最大 4 個月降水總量可%～ 60%（長江水利委員會水文局，2010；石盛玉，2017）。供給是長江徑流的主要來源（戴明龍，2013；郭生練，2014）時空差異較大，主要是因?yàn)榻邓畯?qiáng)度的時空分布不均勻，總體岸強(qiáng)于北岸，下游強(qiáng)于上游（水利部長江水利委員會，1992；
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV147

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678542