【摘要】：在制定河流保護(hù)和水資源開(kāi)發(fā)計(jì)劃之前,應(yīng)該最大限度地掌握河流相關(guān)信息,以做到合理科學(xué)地規(guī)劃河流。自然界天然河流雖然復(fù)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(dòng)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(duì)河流平面形態(tài)的河型分類進(jìn)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(duì)河流自然演變中最重要的彎道水動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)不同參數(shù)下可能存在的河型及其演變過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文章中采用了統(tǒng)計(jì)分析、理論分析和模型試驗(yàn)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(guò)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(guò)資料分析、數(shù)據(jù)擬合等技術(shù)手段,得到了河流阻力規(guī)律的表達(dá)形式。將河型參數(shù)作為分類指標(biāo),反演河流阻力規(guī)律表達(dá)形式,建立了一種物理概念明確、表達(dá)簡(jiǎn)單的河型分類方法。用兩條閾值曲線將整個(gè)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(guò)研究發(fā)現(xiàn),河型分類系統(tǒng)中單線型河道對(duì)河岸強(qiáng)度相當(dāng)敏感,而多線型河道并不直接受河岸強(qiáng)度影響,尤其是大寬深比的情況。在外部擾動(dòng)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(jiǎn)單的變形,彎道水流運(yùn)動(dòng)也是河型演變的源動(dòng)力。通過(guò)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(shí)最大,針對(duì)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(dòng)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(yīng)力等。通過(guò)數(shù)值與彎道水槽實(shí)驗(yàn)比較,證實(shí)RNG k-ε模型能夠高效地模擬彎道水流結(jié)構(gòu),同時(shí)也進(jìn)一步證明彎道水流受到二次流強(qiáng)烈的影響。3)河型演變的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)正弦派生曲線彎道短期演變規(guī)律進(jìn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果包括:河岸線、流場(chǎng)、地形和泥沙輸移情況等。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)材料,實(shí)驗(yàn)河道易向著游蕩型方向發(fā)展,而環(huán)境溫濕度被證明也可以通過(guò)影響材料凝聚力而影響到河流演變進(jìn)程。河道中出現(xiàn)的沙洲形態(tài),反映了水流動(dòng)力條件與河相關(guān)系的適應(yīng)程度。本研究獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在未來(lái)能幫助驗(yàn)證河型分類公式,為大型天然河流的平面形態(tài)演變研究提供支持。
[Abstract]:In order to plan rivers reasonably and scientifically, we should grasp the relevant information of rivers to the greatest extent before making plans for river protection and water resources development. Based on the law of river resistance, this paper studies the classification of river types in plane form, establishes a parametric classification method of river types based on the law of resistance, and carries out numerical simulation and Experimental Research on the most important bend hydrodynamic structure in river natural evolution. In this paper, statistical analysis, theoretical analysis and model test are used. The main contents and innovations of the paper are as follows: 1) Constructing the relationship between river resistance laws. The resistance laws of natural rivers determine the plane shape of rivers and the characteristics of different river types. Different from the law of resistance of water flow in open channel, the relationship of resistance law of river is constructed by considering the factors of river morphology. The specific method is to generalize the formula of head loss along the river to natural river, and make use of a series of parameters such as slope, discharge, velocity, sediment particle size, River form, River geometric characteristics and so on. By means of data analysis and data fitting, the expression form of river resistance law is obtained. Taking the river type parameters as classification index, the expression form of river resistance law is inverted, and a river type classification method with clear physical concept and simple expression is established. It is found that the single-line channel is very sensitive to the strength of the riverbank, while the multi-line channel is not directly affected by the strength of the riverbank, especially in the case of large aspect ratio. The curved channel is the most basic river form and the simplest deformation along the straight open channel. The flow movement in the curved channel is also the source power of the evolution of the river pattern. In view of this phenomenon, the flow dynamic characteristics of a curved channel with constant curvature under the critical curvature, including various velocity components, streamlines, secondary flow and wall shear stress, are studied by numerical and physical models. -e model can simulate the flow structure of curved channel efficiently, and it also proves that the flow in curved channel is strongly influenced by secondary flow. 3) experimental study on the evolution of river type. The alternate transformation of different river types, accompanied by the change of river resistance law, manifests itself as flow structure, slope, particle size distribution, riverbank and bed shape in real river. The short-term evolution of sinusoidal curved bends is studied under laboratory conditions. The control variables include initial curvature, river width and flow rate. The experimental results include: riparian line, flow field, topography and sediment transport. With non-cohesive sediment as experimental material, the experimental channel tends to develop in a wandering direction, and the environmental temperature and humidity have been proved to influence the evolution process of the river by affecting the cohesion of the material. The experimental results will be helpful to verify the classification formulas of river types in the future, and provide support for the study of the evolution of plane morphology of large natural rivers.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV147

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本文編號(hào)：2249906