弯曲河流时空演变数值模拟及自然裁弯机理研究

自然裁弯是弯曲河流演变过程中一个重要的临界点，其发生往往伴随着河势突变，容易导致河道失稳，农田破坏、航运断航等诸多不利影响。同时裁弯在几何意义上限制了弯曲河流平面形态的复杂度，在动力方面又影响着河流的时空特性，是认识与揭示弯曲河流演变规律的重要窗口。然而，现有方法多以裁弯前后原型河流的观测分析和模型试验为主，且多偏向于定性描述，缺乏裁弯模型的定量模拟以及成因和动力学机制分析。本项研究拟基于已有河型转化数学模型，模拟概化河流不同水沙及河床边界条件下自然裁弯发生的过程，同时结合观测分析、类比河流分析等方法，重点研究其内在的河流动力学机理，确定其主要影响因素、临界条件阈值、相关调控参数以及河湾稳定的水沙调控方法，从而进一步深化和完善弯曲河流的演变机理，为人工裁弯等河道整治措施提供理论指导和技术支持，因此在理论与实践方面都具有重要意义。

本文在已有河型转化模型基础上，提出了结合欧拉-拉格朗日方法（ELM）和交替方向隐式方法（ADI）的正交曲线坐标系二维浅水方程的ELADI有限差分方法，并基于该方法和WASP富营养化原理开发了平面二维水环境模型WESC2D。模型采用基于双线性插值及亚网格技术的ELM方法求解对流项。目前，该模型包括水流模块HYD、泥沙模块SED和富营养化模块EUTRO三部分。其中水流模块HYD通过引入Lien和Delft3D模型的二次流修正方法弥补了传统二维模型因水深平均引起的模拟缺陷，能够实现非恒定流或恒定流模拟。泥沙模块SED能够模拟均匀或非均匀悬移质和推移质输运以及边岸崩塌过程。富营养化模块EUTRO可以模拟九个常规水质指标包括氨氮、硝氮、无机磷、浮游植物、CBOD、DO、有机氮、有机磷和COD，其中COD采用了简单的一阶动力学过程。可以模拟营养物富集、富营养化、消耗DO 和COD的变化过程。并将WESC2D模型分别应用于赣江下游和大辽河的水动力、水质以及污染负荷与水质之间的动态响应关系模拟。.为了处理非贴体网格边界拟合问题，首次提出σ-数值切割单元法，并应用POM模型中。在弯道水流模拟方面，基于两个不同曲率连续弯道试验的水位和流速分布资料通过数值试验对比评估了传统二维模型和Lien和Delft3D模型的两种二次流修正方法在连续弯道水流模拟中的能力。为研究弯道出流横向流速的衰减规律，通过量纲分析建立了无量纲衰减长度的经验公式，分析了各因素影响程度以及衰减长度分布规律。基于ELCIRC模型源码，进行了乌东德-白鹤滩之间河段的通航问题的应用研究。在蜿蜒河道模拟方面，基于Crosato（2007）的模型模拟和讨论了比降、河宽、粒径、侵蚀系数等因素对河道演变的影响，并以天然河道的下荆江实际演变为对象进行了效果分析，比较了解析模型与水沙动力模型的优缺点。