三维沙丘水流结构和泥沙输移机制研究

Dunes are ubiquitous in natural environment, which are significantly important for fluvial river flows sediment transport and morphology evolution and affect the pollutants interaction and migration between water column and river bed. However, the existing researches about dunes focused on two-dimensional dunes, which lead to the results cannot be directly employed in rivers. The existing studies of three-dimensional dunes are limited to a certain dune (as for field investigation) or over fixed dunes (as for experiments in open channels). So far, systematic investigations for three-dimensional dunes have not been reported, which greatly confines the understanding of knowledge of flow structures, sediment transport and bed morphological evolution over three-dimensional dunes. In this study, the interactions among flow structures, sediment transport and bed evolution over three-dimensional dunes will be investigated using Large Eddy Simulation. Specifically, impacts of sediment transport on flow structures, mechanisms of sediment transport and bed evolution over three-dimensional dunes and dune migration rate variation in response to inlet condition change will be explained in detail. The results will not enrich basic knowledge about three-dimensional dunes but also enhance understanding the pollutants interaction and migration between water column and river bed.

沙丘在自然界中广泛存在，对冲积河流水流、泥沙输移和河道演变有着重要的意义，影响水体与河床之间污染物交换与迁移。然而，现有研究多局限于二维沙丘，其成果在天然河道中应用存在一定不足；仅有的三维沙丘研究或局限于特定沙丘（野外观测研究），或局限于定床（水槽试验研究）。迄今为止，系统性研究三维沙丘水流结构、泥沙输移和床面演变规律尚无报道。这严重制约了对三维沙丘水沙运动特性和规律的认识。本项目采用大涡模拟揭示三维沙丘水流、泥沙输移和床面变形之间的相互作用和反馈机制，具体阐明泥沙输移对水流结构的调整规律、具有三维特征沙丘的泥沙输移、形态变化和整体迁移规律。项目研究成果不仅能够丰富沙丘基础理论，还能增进对水体与河床之间污染物交换与迁移的理解。

沙丘在自然界中广泛存在，对冲积河流水流、泥沙输移和河道演变有着重要的意义，影响水体与河床之间污染物交换与迁移。本项目开展了三维沙丘水流、泥沙输移和床面变形之间的相互作用和反馈机制等方面的研究。通过不同沙丘水流结构特性研究，揭示了沙丘高度对垂向流速分布的影响，同一类型沙丘高度是影响水流结构的最主要因素，不同沙丘之间的水流结构差异也随高度的增加而更加显著，主要差异在距床面1/3水深范围内。研究了不同类型沙丘对非恒定流的响应情况，揭示了沙丘水流结构对非恒定流响应规律，三维沙丘对水流过程有比较明显的改变，水流经过同一高度条件下不同沙丘类型作用后流速峰值和谷值差异不大，但到达谷值之后的恢复过程差异显著。研究了固定沙丘泥沙输移特征以及泥沙输移对水流结构的影响，揭示了不同沙丘类型含沙量对流速分布作用机理，流速分布差异主要集中在靠近河床底部范围，由于泥沙输移抑制了局部水流运动，有泥沙输移情况下流速比没有泥沙输移情况下流速要小。研究了不同沙丘在水流作用下的变形特征，初步刻画了水流作用下沙丘变形过程。本项目研究在理论上加深了三维沙丘水流结构、泥沙输移及河床变形相关方面的理解，可为今后潜流带污染物交换输移提供研究基础。基于本项目沙丘泥沙输移和河床变形成果，研发了沙波型压载块软体排，成功应用于长江干线和汉江下游航道整治工程中，取得了良好的床面促淤效果，带来了巨大的社会经济效益。本项目圆满完成了计划研究任务，实现了预期目标。