水库变动回水区推移质运动机理及卵石滩群再造过程研究

Sediment transport and fluvial processes in reservoir fluctuated backwater areas largely differ from those in reservoir non-fluctuated backwater areas. And investigations into bedbed transport and fluvial processes in reservoir fluctuated backwater areas is one of basic issues for river sediment research. Through flume experiments, theretical analysis and numerical simulation, the applicants will investigate non-uniform gravel bedload transport, fluvial processes in unstable gravel compound channels, influence parameters and the relationship between them, formed conditions of gravel floodplains, mutual influences between the floodplains in reservoir fluctuated backwater areas. On the basis of the understanding of the flow structure, sediment transport and fluvial processes mechanism, applying the theories of Fluid Mechanics, Seiment Transport and Fluvial Processes, the applicant will propose the flow-sediment condition for bed destruction, the computational methods of velocity distribution, flow resistance, discharge, sediment transport and fluvial processes in the gravel floodplain channels, unveil the response mechanism and development of gravel floodplains under the varied environment condition and establish mathematical model for flow and sediment in the type of channels, which will provide the theoretical and technical supports for river restoration, channel training, flood control and disaster reduction, etc and will perfect and update the theory and method related to reservoir sediment research.

水库变动回水区与常年回水区泥沙运动和河床演变遵循不同的规律，研究水库变动回水区推移质运动机理及卵石滩群再造过程为河流泥沙研究的基础课题之一。本申请课题拟通过水槽试验、理论分析和数值模拟，研究水库变动回水区冲淤交替过程中的非均匀卵石推移质运动规律、不稳定卵石滩槽河道演变规律、以及卵石滩群再造的影响因素及其之间的相互关系、滩群形成机理、边滩之间相互制约机制。在探明水流结构及推移质运动、河床演变规律的基础上，以流体力学、泥沙运动力学与河床演变学理论为基础，确定水库变动回水区卵石稳定河床破坏的水沙动力条件，建立卵石滩群河道流速分布、水流阻力、过流能力的计算方法，构建其推移质运动和河床演变的计算模型，揭示边界突变下卵石滩群的响应机理及其演变特性，研发水库变动回水区卵石滩群河道二维水沙动力学耦合数学模型，为河流生态修复、航道整治，防洪减灾等提供科技支撑，实现水库泥沙研究在理论与方法上的完善和更新。

水库变动回水区水沙运动规律为河流泥沙研究的基础课题之一。本项目通过原型观测、水槽试验、理论分析和数值模拟，开展了水库变动回水区推移质运动机理及卵石滩群再造过程研究，取得如下主要研究成果:.（1）水库变动回水区水流特性及卵石推移质运动规律研究。按明了水库变动回水区壅水条件下的弯道水流特性；探讨了粗化层形成的水流条件，粗化过程中的推移质输沙率变化特性。通过理论探讨和试验成果分析，建立了粗化层破坏过程中的最大推移质输沙率与水流强度之间的关系，进而提出稳定粗化层破坏的临界条件。揭示了均匀推移质颗粒运动速度的概率密度分布特性，以及正常/反常扩散的控制因素的影响特性。从理论上阐明非均匀颗粒不存在反常扩散，而是沿程分选作用，并通过水槽实验证实。.（2）水库变动回水区滩槽河道水沙运动规律研究。提出了确定床面切应力的简便方法；构建淹没和非淹没柔性植物作用下的弯曲漫滩河道水位流量关系预测方法；解析了弯曲主河槽水深平均流速与二次流涡团内在联系，建立了滩地有无植被条件下的主槽二维水深平均流向统一预测方法。搞清了淹没植被群尾端的复杂尾流结构，提出不同情况下的泥沙沉积区长度预测方法，阐明了卡门涡街的发生临界条件。探讨了滩地植物对弯曲漫滩河道主槽水流结构、床面形态、泥沙分选及推移质输沙率的影响；探讨了变动回水区河道淤积体平面形态、淤积体横断面形态以及淤积体推进轨迹变化等。.（3）水库变动回水区卵石滩群再造过程及其模拟技术研究。提出了小扰动关联度分析法的概念和计算方法, 以确定水库变动回水区卵石滩群关联度；提出了基于拉格朗日法的泥沙颗粒流团运动模拟技术，探讨了推移质交换位置与输移量的确定方法和卵石滩群推移质输沙带模拟技术；提出了水库变动回水区河道数字地形生成方法；建立了水库变动回水区泥沙分选数学模型。.上述研究成果可为河流生态修复、河道整治，防洪减灾等提供科技支撑，实现了水库泥沙研究在理论与方法上的完善和更新。.