非平衡態河床演變的理論與方法

《非平衡態河床演變的理論與方法》是依託清華大學，由吳保生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非平衡態河床演變的理論與方法
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：吳保生
• 項目類別：面上項目

項目摘要

沖積河流的河床自動調整原理給出了非平衡態河床調整的方向，即當水沙條件發生改變時，河流將通過沖淤調整使河床朝著與來水來沙相適應的平衡狀態發展，但目前還缺少描述非平衡態河床調整過程的理論和方法。因此，本項目擬採用理論研究和實測資料分析相結合的手段，以黃河等沖積河流的河床形態變數為對象，分析非平衡態河床演變過程中的滯後回響特點和機理，特別是在外部擾動不斷變化情況下河床演變的複雜回響過程特點和機理；研究非平衡態河床演變中不同河床形態變數的調整模式，建立描述非平衡態河床演變過程的概化模型和計算方法；選擇沖積河流非平衡態河床演變的典型實例問題，對建立的概化模型和計算方法進行檢驗。本項目研究成果對於深化對非平衡態河床演變規律的認識，發展非平衡態的河床演變學理論具有重要的學術意義和實用價值。

結題摘要

由於流域水沙條件的不斷變化，使得河床處在不斷的變化之中，平衡狀態只是河床演變的發展目標或一個短暫狀態。特別是人類活動對河流的干擾程度不斷加劇使得河流處於長期的大幅度調整變化中，河流上各種河流生態恢復和重建措施也對河流產生了深刻影響。因此，開展非平衡態的河床演變研究，是江河治理及河流生態環境建設的重要需求，也是河床演變學科發展的前沿方向。傳統的河床演變研究多是圍繞河流平衡狀態展開的，缺少描述非平衡態河床調整過程的理論和方法，往往只能採用指數衰減函式、冪函式、對數函式、多項式等非線性函式來模擬河床的複雜調整過程，具有較強的經驗性、任意性，也無助於對機理認識。本項目以黃河等沖積河流為對象，以非平衡態河床演變中存在的滯後回響現象為主線，分析了不同河床形態變數的滯後回響特點，建立了描述非平衡態河床演變過程的模型和計算方法，並選擇典型實例問題對建立的模型和計算方法進行了檢驗。主要成果如下： （1）基於河床演變的自動調整原理，根據變率模型，即河床在受到外部擾動後的調整速率與河床當前狀態和平衡狀態之間的差值成正比的基本規律，建立了描述非平衡態河床演變過程的滯後回響模型和計算方法，包括通用積分、單步解析、多步疊加三種計算模式,分別適用於不同的條件。（2）滯後回響模型不僅能夠描述河床演變對水沙條件的滯後回響過程，還能夠反映前期水沙條件對河床演變的累積影響（前期影響）特性，揭示了河床滯後回響的本質在於前期水沙條件通過初始邊界條件對當前河床演變的深刻影響。滯後回響模型具有較好的理論基礎，克服了採用滑動平均、加權平均或幾何平均來考慮前期累積影響的經驗性和任意性。（3）模型用於模擬不同河床演變的動態調整過程，包括三門峽水庫泥沙淤積過程、潼關高程變化及其造成的小北幹流和渭河下游淤積過程，黃河內蒙古及下遊河段平灘流量變化過程，科羅拉多河胡佛大壩和戴維斯壩建成後的下遊河床沖刷過程，美國聖海倫斯火山爆發導致的圖特河北汊河道重新發育過程等。結果發現，各種複雜過程的模擬結果與實測值符合很好，表明滯後回響模型的不同計算模式均能較好的模擬河道在不同擾動因素下引起的調整過程，模型具有廣泛的套用前景。總之，圓滿完成項目任務，發表期刊論文5篇，其中SCI論文2篇、EI論文2篇，吳保生教授於2011年獲得第十屆錢寧泥沙科學技術獎，培養博士3名。