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非漫滩高含沙洪水异常传播机理和临界条件.pdf
水 利 学 报
2013年1月 SHUILI XUEBAO 第44卷 第1期
文章编号:0559-9350(2013)01-0050-09
非漫滩高含沙洪水异常传播机理和临界条件
钟德钰,姚中原,张 磊,刘 磊
(清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)
摘要:黄河下游发生高含沙洪水时常伴随洪峰增值的异常现象,给黄河下游的防洪安全带来了极大的影响。本文
基于高含沙水流床面附近存在流凝现象并可能形成具有屈服应力的黏性底层的事实,建立了高含沙洪水分层模型
和流动的波系方程,对多沙河流非漫滩洪水洪峰沿程增值现象的机理进行了研究,并给出了发生洪峰增值的临界
条件。论文还应用该结果对2004年、2010年发生的黄河下游高含沙洪水增值现象进行了分析。结果表明,当洪
水的Froude数大于临界Froude数时,动力波形成的逆扩散导致洪水中的扰动被扩大、集中,从而导致流动失稳,
这是这两场洪水洪峰增值的根本原因。
关键词:高含沙洪水;洪峰增值;流凝;流动稳定性
中图分类号:TV143 文献标识码:A
1 研究背景
洪水灾害一直威胁着人类的生存和发展,因此研究洪水的传播规律是河流动力学和治河防洪工程
中的核心内容之一。由于流动边界的复杂性和径流过程的不确定性,洪水在冲积河流中的传播是一个
复杂的物理过程。对于一般冲积性天然河流和人工渠道,因受到河床阻力和槽蓄作用的共同影响,洪
[1-2]
峰流量总是沿程衰减的,即洪峰在传播过程中将逐渐坦化 。在某些坡度比较陡、河床比较光滑的渠
[3]
道中,也存在洪峰流量沿程增大的现象(floodwaveamplification) ,但研究表明此类现象发生条件较为
[1-3]
苛刻,一般要求水流的Froude数大于1,并且河床足够光滑 。这一条件在一般冲积河流上是较难达
到的。因此,洪峰流量放大现象在冲积河流上并不常见。但黄河是个特例。历年来的观测资料表明,
在沿程无明显径流入汇的情况下,黄河中下游曾多次发生高含沙洪水传播异常的现象,表现为洪峰增
值或水位异常。如1973年、1977年、1992年发生的洪峰增值,及近期于2004、2010年“调水调沙”期
间发生的高含沙洪水在小浪底至花园口间发生的洪峰沿程放大现象。对于这些异于黄河一般洪水传播
规律的现象,人们的认识还很不够,目前还无法准确预见其发生条件、传播规律,更无法预报其传播
过程,使黄河下游的防洪安全面临极大的威胁。关于黄河洪峰异常增值机理的研究具有重要的意义。
一般冲积河流的洪水传播规律可以由浅水流动方程(ShallowWaterEquations)描述。在数学上,
该方程组是一组非线性的双曲偏微分方程,描述了浅水长波波动的传播与变形。由于方程的非线性
特征,对天然河流来说,一般不存在解析解,只能通过数值方法求解。但作为一种非常复杂的物理
现象,洪水波在简单条件下的解析解有助于理解问题的物理实质,因而许多学者对简单情况下洪水
波的动力学特性进行了深入的研究,为了解洪水波的传播基本特征奠定了基础。代表性研究是在
[2]
Whitham 的专著LinearandNonlinearWaves中对包括浅水波(洪水波)在内的波动问题的深入研究。
此外,在大量水力学、河流动力学专著中也对洪水波问题进行了细致的分析,如文献[1,3]等,这
些研究奠定了洪水动力学研究的基础。
收稿日期:2012-09-01
基金项目:国家自然科学基金项目;国家自然科学基金重点项目
作者简介:钟德钰(1970-),男,甘肃金昌人,博士,主要从事河流动力学研究。E-mail:zhongdy@tsinghua.edu.cn
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对黄河这样的多沙河流中的洪水传播也展开了不少研究。特别是自20世纪70年代观察到黄河中
下游洪水异常增值现象后,由于它未知的异常特
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