丁坝群的作用尺度及对河流系统水沙输运的累积效应机理研究

River is the basis of the survival of human beings and many other living things, also is the cradle of human history and civilization. In recent years, human have developed and utilized rivers to a larger extent. A large number of spur dikes are built, and they affect river system in the form of group. Since this, the process of water-sediment in river has changed significantly and river health has also been affected evidently. Spur dike group affecting river system shows different scales, and the cumulative effect of large-scale spur dike group to water-sediment transport in river system is one of emergence behaviors of river system. In the present project guided by system theory and river engineering theory, the definition and classification criteria of spur dike group in large- and small-scale will be studied by means of research methods -- theoretical analysis, flume experiments and numerical simulation. On this basis, spacing threshold of double spur dikes, the impact scale of spur dike group in small-scale, the measure indexes of spur dike group in large-scale and their cumulative effect mechanism to the water-sediment transport in river system will be researched further. A new theory for river management is attempted to develop, which provides scientific guidance for maintenance of river system health and reasonable arrangement of spur dike group. In addition, the research achievements have important theoretical significance for river efficient governing and sustainable developing, and promote the development of disciplines such as river dynamics, river management and so on.

河流是人类和众多生物赖以生存的基础，也是哺育人类历史文明的摇篮。近些年来，人类对河流进行了更大程度上的开发利用，修建了大量的丁坝，这些丁坝以群的形式对河流系统产生作用，河流的水沙过程因此得以明显改变，对河流系统的健康也造成显著影响，丁坝群对河流系统的作用表现出不同的尺度，其中大尺度丁坝群对河流系统水沙输运的累积效应是河流系统表现出的涌现行为之一。本项目以系统论和河工理论为指导，借助理论分析、水槽实验和数值模拟等研究手段，开展河流系统大小尺度丁坝群的定义、划分准则和判断标准，双体丁坝的间距阈值，小尺度丁坝群的作用尺度，大尺度丁坝群的度量指标及其对河流系统水沙输运的累积效应机理等内容的研究，尝试发展新的治河理论，为河流系统健康的维护和丁坝群的合理布置提供科学指导；所取得的研究成果对实现河流高效治理和可持续开发利用有着重要的理论意义，而且对河流动力学和河流管理等学科的发展也具有促进作用。

近些年来，人类对河流进行了更大程度上的开发利用，修建了大量的丁坝，这些丁坝以群的形式对河流系统产生作用，河流的水沙过程因此得以明显改变，对河流系统的健康也造成显著影响，过去对丁坝的研究主要集中在丁坝对河道局部范围造成的影响，而较少考虑丁坝群对河流系统产生的联合作用。本项目运用理论分析、水槽概化试验和数值模拟试验相结合的研究手段，对丁坝群的作用尺度及对河流系统的累积效应机理进行了研究。研究内容主要包括河流系统大小尺度丁坝群的定义、划分准则和判断标准，双体丁坝的间距阈值，小尺度丁坝群的作用尺度，大尺度丁坝群的度量指标及其对河流系统的累积效应机理等。选取淹没双体丁坝、非淹没双体丁坝、淹没丁坝群和非淹没丁坝群四个研究对象，研究了标准k-ε、RNG k-ε和LES三种紊流模型结合刚盖假定和VOF模型处理自由表面来模拟三维丁坝水流的适用性。采用双体丁坝作为大小尺度丁坝群过渡区域研究的概化模型，提出了基于大尺度涡不相重叠、基于双丁坝断面流速分布相似和基于下游丁坝断面流速分布恢复的三种非淹没双体丁坝作用尺度划分准则。总结出非淹没同侧和错口正交双体丁坝间距阈值的经验公式，并通过水槽试验数据对公式进行了验证；进一步提出双体丁坝恢复区长度的计算方法。此外，分别采用来流速度U、丁坝密集度S_d、相对坝长S_b和相对淹没深度S_h四个指标进行非淹没大尺度丁坝群累积效应指标的影响规律研究，得出对大尺度丁坝群的速度累积效应产生的影响按从大到小的顺序：相对坝长、丁坝密集度、相对淹没深度、来流速度；对大尺度丁坝群的紊流强度累积效应产生的影响按从大到小的顺序：相对坝长、来流速度、相对淹没深度、丁坝密集度。这些研究成果可为河流系统健康的维护和丁坝群的合理布置提供科学指导，对实现河流高效治理和可持续开发利用也有着重要的意义，而且可望推动新的治河理论发展，对河流动力学和河流管理等学科的发展也具有促进作用。