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《蜿蜒河流横向摆动及河谷地形沉积过程数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、蜿蜒河流横向摆动及河谷地形沉积过程数值模拟2010年8月泥沙研究JournalofSedimentResearch第4期蜿蜒河流横向摆动及河谷地形沉积过程数值模拟许栋,白玉川(天津大学建筑工程学院河流海岸工程泥沙研究室,天津300072)摘要:基于河弯水流运动的线性理论以及河谷地形沉积的概念模型建立了蜿蜒河流横向摆动及地形沉积过程耦合数学模型,模型中对传统的河岸侵蚀模式的线性理论进行改进,建立了非线性的河岸侵蚀模型.实际应用表明,模型能够较好地模拟河流大尺度的演变过程以及地形沉积发展的过程.关键词:河弯演变;动力过程;地形沉
2、积;数值模拟,中图分类号:TV147.12文献标识码:A文章编号:0468155X(2010)04—0068-051引言蜿蜒河流的河弯随时问变化而不断地摆动,迂回和迁移,这种运动称为河弯动力过程或蜿蜒河流演变动力过程….河弯动力过程的研究对河流开发与治理工程,跨河桥梁及沿河交通设施的选址,油气资源勘探以及河流生态修复等均有着重要意义.蜿蜒河流的横向演变是周期性的,其基本过程为:由于弯道环流引起的横向输沙和纵向水流对凹岸的顶冲作用,使凹岸岸坡崩塌,崩塌下来的泥沙部分被底部水流带到凸岸.这样,就形成凹岸不断崩塌后退,凸岸边滩不断
3、淤长延伸的弯道演变现象.另外,作用于河床和河岸的剪切力以凹岸弯顶以下为最大,凸岸边滩则在偏下游部分不断淤积,这样就在凹岸坍塌和凸岸淤长的同时,整个河道在平面上向下游方向摆动.在弯顶向下摆动,河身不断加长的同时,同一岸相邻的两个弯顶之间的距离也逐渐缩短,形成更大的河弯.河弯的起点和终点相距很近,成为狭颈或河眙颈.河曲颈两端的水位高度差很大,一遇到洪水,很可能冲开发展成新河,这就是自然裁弯.河流自然裁弯后,新的河弯又向弯曲方向发展,原来旧的河道则逐渐淤废形成牛轭湖.牛轭湖与新河道完全脱离后,河流又恢复为顺直微弯的形态'.对蜿蜒河
4、流这种周期性演变过程的模拟可以从沿水深积分的平面二维浅水方程出发,结合一定的河岸侵蚀模型,也可以直接利用三维水流运动方程和泥沙运动方程进行更精细的模拟.二维和三维数值模拟的基本思路为:水流运动一泥沙运动一河床和河岸运动一更新水流运动一……,这种模型能够模拟河宽的变化甚至河流的分汉,但由于计算量较大,不适用于大尺度长时间的河弯演变模拟.为了简化弯道水流的计算,Ikeda和Parker(1981)将二维浅水方程在水流流量恒定,河宽维持不变等前提下进行了线性化处理,得到近岸流速与弯道曲率之间的解析关系;Johannesson和Pa
5、rker(1989)在此基础上考虑了弯道环流以及水流和床面形态的耦合作用,改进了弯道水流运动的线性理论解.本文采用Johannesson和Parker(1989)ES]的理论计算弯道水流和床面形态,并在Ikeda和Parker(1981)线性河岸侵蚀理论的基础上进行改进,建立了考虑剩余流速非线性项和地形高度对侵蚀速率影响的非线性河岸侵蚀模型,预测河道的横向摆动,对河弯演变进行数值模拟.另外,考虑到河弯演化与地形沉积的相68收稿日期:2008-05—26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50809045,50979066)作
6、者简介:许栋(1980一),男,山东人,讲师,研究方向:河流,海岸动力学.E—mail:xudong@tju.edu.cn互作用关系,建立了河弯演变和地形沉积发展的耦合数学模型.2弯道水流运动的线性理论弯道中的二次环流对弯道水流的流速重分布,弯道泥沙的横向输运起着重要作用,在弯道水流计算中如果采用沿水深积分的二维浅水方程作为控制方程就意味着放弃对二次环流的计算,例如Ikeda和Parker(1981)在采用浅水方程后虽然引入Englund(1974)的经验床面形态作为对二次环流作用的补充,但这种处理方法较为粗糙,不能从根本上
7、解决二次环流的问题.Johannesson和Parker(1989)在选用水流控制方程时,引入了流速沿垂线变化的形状函数,对二次环流作用进行了巧妙地描述.为了进一步求解一阶流速和床面形态的控制方程,Johannesson和Parker(1989)将河弯道中的床面地形分解为两部分:由床面不稳定引起的自由沙坝(F问题)和由河道弯曲引起的点沙坝(C问题),并利用摄动方法得到了方程的线性理论解,本文利用该模型模拟弯道中水流的运动和床面变化,并与河弯摆动和地形演变进行耦合,进行大尺度河弯演变的数值模拟.3非线性河岸侵蚀模型河弯的演变是
8、河岸运动的宏观表观,对水流侵蚀作用下河岸运动速率的预测是河弯演变模拟的重要环节,目前还没有建立对多数河流都能够通用的,具有较高精度的河岸侵蚀速率预测方法,较为可靠的方法是根据河弯演变历史资料反推河岸侵蚀速率,并应用于理论模型中.河岸的运动包括凹岸的崩退和凸岸的淤长,在河弯理论研究中,通常认
