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A simple method for estimating bed shear stress in smooth and vegetated compound channels

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Journal of Hydrodynamics 2016年第3期28卷 497-505页

作者：单钰淇刘超罗懋康杨克君 College of Mathematics Sichuan University State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering and College of Water Resource and Hydropower Sichuan University

Instead of a large number of measurements of the streamwise velocity, a simple method is proposed to estimate the bed shear stress in smooth and vegetated compound channels, based on the Darcy-Weisbach equation. This method contains a dimension- less parameter Ai, to represent the relationship between the bed shear stress and the velocity close to the channel bed （Ub）, which is determined in each divided domain. This method is verified in two smooth compound channels with different geometries, and in one compound channel with emergent floodplain vegetation. The comparison of predicted and measured bed shear stresses indicates the good predictive capability of this method, particularly in the mixing region. This method is further discussed for a channel with submerged vegetation. Once the values of Ai in the main channel and the floodplain are determined, this method is a practical tool

关键词： predictive method bed shear stress compound channel vegetation

陡坡河段变动回水区推移质运动特性的试验研究

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工程科学与技术 2018年第4期50卷 89-95页

作者：路信黄尔王森赵新益官夏菲四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院四川成都610065 长江重庆航运工程勘测设计院重庆400012 中国长江电力股份有限公司湖北宜昌443002

基于物理模型试验,探讨典型河段变动回水区推移质的运动特性,分析在库水位消落及来流增大过程中,淤积体平面形态及淤积体推进轨迹变化等特性。试验结果表明,由于河段比降较大,水库回水尖灭点上下游呈现不同的流态,从急流变为缓流的过程... 详细信息

基于物理模型试验,探讨典型河段变动回水区推移质的运动特性,分析在库水位消落及来流增大过程中,淤积体平面形态及淤积体推进轨迹变化等特性。试验结果表明,由于河段比降较大,水库回水尖灭点上下游呈现不同的流态,从急流变为缓流的过程中,输沙能力会陡然下降。在库水位消落过程中,保持上游来流不变,泥沙淤积体输移的距离大致与水库回水尖灭点前行的距离相当,且下游水位降至875 m时,淤积体在河道湾顶附近被水流切割分成上下两部分,两级淤积体间泥沙颗粒级配差异较为明显,反映出水流的分选作用。在来流增大过程中,当推移质来沙量不变时,保持下游库水位不变,增大上游来流量,推移质淤积体向下游推进的幅度相对较小,表明研究河段变动回水区内的推移质运动受下游回水作用影响较大。对于陡坡性变动回水区,在给定上游来沙总量的前提下,泥沙淤积体前沿的推进幅度主要受到库水位降低的影响,而受上游流量的影响相对较小。

关键词：变动回水区推移质概化模型

基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

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水科学进展 2016年第2期27卷 249-255页

作者：范念念聂锐华杨克君刘兴年陈日东四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

为揭示均匀推移质颗粒对流和扩散特性的控制因素,建立了间歇郎之万方程模型。该模型可在单颗粒尺度充分考虑颗粒的受力特性,模拟颗粒随机、间歇运动过程。通过该模型引入不同的停时分布,对模拟的大量单颗粒运动过程进行统计,从而研究均... 详细信息

为揭示均匀推移质颗粒对流和扩散特性的控制因素,建立了间歇郎之万方程模型。该模型可在单颗粒尺度充分考虑颗粒的受力特性,模拟颗粒随机、间歇运动过程。通过该模型引入不同的停时分布,对模拟的大量单颗粒运动过程进行统计,从而研究均匀颗粒在大的时空尺度上的对流和扩散特征。结果表明,对于均匀颗粒,受颗粒速度分布的窄尾性限制,即便单步步长是长尾分布,也不一定产生超扩散,扩散特性由停时分布的尾部特征决定,不同分布的停时可导致欠扩散、超扩散和正常扩散。进一步与已有的、复杂程度不同的随机模型进行对比,表明忽略单步时间将影响颗粒的扩散(二阶)特性,但不影响颗粒的对流(一阶)特性,类似地可以推广到更普遍规律,即所研究随机发生的统计矩阶数越高,需要的模型越复杂。

关键词：推移质郎之万方程对流扩散长尾/窄尾正常/反常

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响研究

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四川大学学报（工程科学版） 2016年第S1期48卷 20-24页

作者：王强聂锐华范念念刘兴年四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院四川成都610065

针对山区河流来沙条件不确定性导致的河流形态变化问题,根据***的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:... 详细信息

针对山区河流来沙条件不确定性导致的河流形态变化问题,根据***的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3 mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8 mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3 mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8 mm的粗沙相反。

关键词：卵石河流来沙条件河床形态推移质输沙率河床级配

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侵蚀基准面对石亭江双盛段河床演变的影响

四川大学学报（工程科学版） 2017年第S2期49卷 67-73页

作者：王之晗夏叶于合理彭清娥四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院四川成都610065

以四川典型山区河流石亭江双盛段为研究对象,针对该河段有多处涉河建筑物(包括人民渠穿江涵洞、成兰铁路石亭江大桥、成绵复线高速公路石亭江大桥等),在经历2009—2013年间多次洪水后引起桥梁桩基出露高达10 m、涵洞处河床下切20.29 m... 详细信息

以四川典型山区河流石亭江双盛段为研究对象,针对该河段有多处涉河建筑物(包括人民渠穿江涵洞、成兰铁路石亭江大桥、成绵复线高速公路石亭江大桥等),在经历2009—2013年间多次洪水后引起桥梁桩基出露高达10 m、涵洞处河床下切20.29 m等影响涉河建筑物运行安全的情况,本文利用HEC-RAS的泥沙计算模块,研究在考虑床沙细化和清水冲刷的条件下,局部侵蚀基准面的改变(包括侵蚀基准面下降、涵洞固床工程和桥位处的硬化工程的存在与否)对石亭江双盛段河床演变的影响。结果表明,下游侵蚀基准面的下降、涵洞固床工程的存在和桥位处的硬化工程均会不同程度地加剧该河段的局部河床变形幅度。其中,下游侵蚀基准面的下降会引起溯源冲刷、改变局部河段纵比降;涵洞固床工程与河床交界处易形成局部冲刷坑并加剧河床下切,由此建议将涵洞下移;桥位硬化工程会加剧冲刷和淤积,并在两桥之间产生淤积。针对清水冲刷下的研究成果可对山区河道内涉河建筑物对河床演变的影响进行预测,为河流的综合开发与管理提供科学依据。本文可进一步研究该河段人工采砂等人类因素干扰下河床粗化表层的破坏对河床演变的影响,以对涉河建筑物的设计与防护提供参考;或结合震后河流水沙变化研究河道横向与纵向演变趋势,对震后河道治理提供依据。

关键词：数学模型山区河流侵蚀基准面河床演变

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植被对坡面汇流时间影响的试验研究

工程科学与技术 2018年第3期50卷 185-192页

作者：彭清娥刘兴年黄尔杨克君赵明辉四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室四川成都610065

引发暴雨山洪的主要因素除大气降水特性以外还与下垫面森林植被状况有着密切的关系,流域植被对坡面汇流时间有着直接的影响。目前应用最为广泛的坡面汇流时间公式,以坡面长度、综合糙率、有效降雨强度及坡度的恒定指数形式表征其对汇流... 详细信息

引发暴雨山洪的主要因素除大气降水特性以外还与下垫面森林植被状况有着密切的关系,流域植被对坡面汇流时间有着直接的影响。目前应用最为广泛的坡面汇流时间公式,以坡面长度、综合糙率、有效降雨强度及坡度的恒定指数形式表征其对汇流时间的影响,而植被对汇流时间的影响是隐含在综合糙率之中,从而无法直接利用有关植被的高精度遥感资料。本研究基于不同下垫面情况下不同坡度、不同雨强的坡面汇流系列试验,深入分析植被对坡面汇流时间的影响,引入植被覆盖度因子,结合统计分析方法,建立植被与坡面汇流时间的关系。研究结果表明:植被的种类(草或灌木)对坡面汇流时间影响存在一定差异,草植被下的坡面汇流时间大于相应条件灌木植被下的坡面汇流时间;植被覆盖度(草或灌木)对坡面汇流时间存在显著影响,坡面汇流时间随植被覆盖度的增大出现明显的增加;降雨强度、坡度对坡面汇流时间的影响也较为显著,坡面汇流时间随雨强及坡度的增大而出现明显的减小;草及灌木植被覆盖度指数随坡度及雨强变化规律基本相似,总体上草植被覆盖度指数略大于灌木植被覆盖度指数。随着雨强增大,植被覆盖度指数减小趋势较为明显;随着坡度变缓,植被覆盖度指数有所增大。本研究将植被因子从综合糙率中剥离出来,便于融合植被遥感数据,从而提高坡面汇流时间的计算精度。

关键词：植被种类植被覆盖度指数坡面汇流时间人工模拟降雨

山区流域强降雨情况产流模式研究——以涪江平通河流域为例

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工程科学与技术 2019年第3期51卷 123-129页

作者：彭清娥刘兴年黄尔杨克君四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

山区流域极端强降雨导致的山洪灾害频发,造成生命损失和经济活动的巨大破坏。科学的认识这类极端天气下灾害的发生、发展过程,对实现灾害监测和风险管理十分重要。山洪过程的模拟是认识这一灾害的重要科学手段,而模型计算精度是山洪模... 详细信息

山区流域极端强降雨导致的山洪灾害频发,造成生命损失和经济活动的巨大破坏。科学的认识这类极端天气下灾害的发生、发展过程,对实现灾害监测和风险管理十分重要。山洪过程的模拟是认识这一灾害的重要科学手段,而模型计算精度是山洪模拟的关键。将超渗、蓄满产流模型与运动波地貌瞬时单位线水文模型(简称KW–GIUH模型)进行融合,优选出适合山区流域强降雨情况下的产流模式,从而提高山洪过程的模拟精度。以典型山区流域涪江一级支流平通河为研究对象,选取了两场次历史强降雨过程进行模拟。研究结果表明:无论超渗或蓄满产流模型与KW–GIUH模型进行融合后,其模拟精度比KW–GIUH模型所模拟的径流过程更接近实际情况;而先超渗后蓄满的混合产流模式较单一的超渗或蓄满产流模式模拟效果更优。适合山区流域强降雨情况下的产流模式为先超渗后蓄满的混合产流模式,其中产流模式的转变出现在第一次连续降雨基本结束之时,即在第一次洪峰之前基本以超渗产流为主,随后的产流方式以蓄满产流为主。

关键词：山区流域强降雨产流模式 KW–GIUH模型

植被群密度对河道水流紊动特性影响的试验研究

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水力发电学报 2018年第12期37卷 75-84页

作者：焦军丽王丹李文奇杨克君彭清娥四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室成都610065 四川大学水利水电学院成都610065

为探讨植被群密度对河道水流紊动特性的影响,试验设置了8组不同密度的植被群,用均匀圆柱形竹签模拟非淹没的刚性植被,采用ADV测量三维瞬时流速。通过对比分析,发现植被群下游紊流结构分布有较大变化。在植被群末端,紊动能横向分布随着... 详细信息

为探讨植被群密度对河道水流紊动特性的影响,试验设置了8组不同密度的植被群,用均匀圆柱形竹签模拟非淹没的刚性植被,采用ADV测量三维瞬时流速。通过对比分析,发现植被群下游紊流结构分布有较大变化。在植被群末端,紊动能横向分布随着植被群密度的增大表现为两种形式,低密度时趋向于波峰状,高密度时则在植被群左右两端各有一个波峰;在植被群后紊动能的纵向分布中,沿程表现为"波峰-波谷-波峰"状分布,随着密度的增加,紊动峰值之间的距离缩短,且两个波峰表现出不同的变化趋势。植被群末端紊动增强,在紊动强度的垂向沿程分布中,植被群越密,下游紊动强度的波动越大,并在尾部出现翘曲的现象,当密度达到一定程度时,弯曲度趋于稳定。

关键词：河道植被群不同密度紊动能紊动强度

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侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响

长江科学院院报 2023年第3期40卷 11-17页

作者：潘云文刘欣杨克君武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065 华北水利水电大学水利学院郑州450046

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影... 详细信息

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响。结果发现:粗化层对河床有一定的保护作用,当侵蚀基准面小幅下降而导致流速小幅增大时,粗化层的保护作用可一定程度地抵减流速的增量,减弱甚至避免水流对河床的冲蚀;当侵蚀基准面下降幅度较大时,河床会被全局冲蚀,但各局部的被冲蚀程度并不相同,其中过渡段主流带的被冲蚀程度较小,弯段凹侧主流顶冲区的被冲蚀程度较大;越靠近侵蚀基准面的区域,侵蚀基准面的下降越易增强该区域的水流强度,越易使该区域的河床被冲蚀;在侵蚀基准面下降幅度较小且槽底未见裸露的情况下,连续弯道完整周期的床面高程频率分布总体上接近于正态分布,但若从细节上看其分布具有双峰特征;双峰特征为半周期床面高程频率分布所特有,完整周期床面高程频率分布的双峰特征只是半周期床面高程频率分布双峰特征叠加的结果;当侵蚀基准面下降至槽底时,主流顶冲区的槽底会严重裸露,连续弯道完整周期的床面高程频率分布仍具有双峰特征,但其总体形态已明显偏离正态分布。

关键词：弯道河床侵蚀基准面下降河床演变粗化层床面高程频率分布