透水丁坝水力学特性及生态效应研究

丁坝是广泛使用的河道整治和护堤涉水建筑物，其附近水流流态呈现强三维紊动特性。其中，透水丁坝能柔和的控制水流，减轻水流对河岸的冲击，减缓涉水建筑物周围的局部水流集中和河床面冲刷。同时还有水流净化作用，缓解纵向物质、能量阻隔的作用，为水生生物提供生息空间，美化景观，增加亲水性等方面的生态环境效应。透水丁坝要在实际工程中进一步推广应用，则需要对透水丁坝的水力学特性、冲刷机理和生态效应进行较为深入研究。本项目以河道生态治理为背景，联合运用现场观测、理论分析、物理模型试验和数值模拟等手段，采用现代量测技术和计算机技术对透水丁坝等涉水建筑物的流场特性和三维数值模拟进行综合研究，探讨其渗流、抵抗及冲刷特性，揭示丁坝附近水流结构特性、丁坝自身稳定性，并运用生态学方法研究其生态效应。为透水丁坝等柔性涉水建筑物的设计与评价提供技术支撑和评价手段。

本项目以河道治理中常用的丁坝等涉水建筑物的关键基础科学问题为核心，研究透水丁坝的水力学特性及其生态效应。透水丁坝在实际工程当中已有不少的运用，但关于此类丁坝的科学研究还不够充分和深入。因此，探讨透水丁坝的水力学特性具有一定的科学研究和工程实践意义。. 本项目基于河流动力学、现代量测技术、物理模型试验和数值模拟相结合的方式探讨了透水丁坝及其周围的流场特性、冲淤特性、抵抗特性及水流生态交换和净化效应。项目在执行过程中较好的完成了原计划的研究目标，对于透水丁坝在实际工程中的设计、应用提供了一定的理论参考和数据支撑。在本项目的支持下，在学术期刊和学术会议上发表论文8篇，其中EI收录1篇，中文核心期刊6篇；结合物理模型试验经验，获得实用新型专利2项，实质性审查阶段的发明专利1项；此外还有一些成果尚待后期整理发表。. 研究成果可以简要归纳为以下几点：.（1）通过物理模型试验和数值模拟研究透水丁坝附近流场结构和渗流、抵抗特性，揭示坝前水流汇集、坝头水流压缩和扩散及其与不透水的实体丁坝的对比研究；同时对丁坝的不同透水率的影响进行对比研究；.（2）基于Fluent软件，概化透水丁坝模型，采用VOF法对自由面进行追踪，选择湍流模型，创建多相流模型（包括气相），对丁坝自身及其周围流场进行三维数值模拟；.（3）研究了丁坝透水率对于坝头冲刷的影响，对比透水丁坝和非透水型丁坝附近的水流结构，分析了丁坝透水率和布置角度（丁坝与水流的夹角）等对水流及河床冲刷的影响；.（4）通过测量及数值模拟流经透水丁坝纵向、横向、垂向的过坝流量和流速，研究透水丁坝的透水率和汇水区的水交换率，并通过循环水流不断流经透水丁坝后，污染物质成分经曝气、吸附后的变化情况，分析透水丁坝的水流交换及生态净化效应。