第1章绪论

1.1研究背景及意义

河流不仅为人类的生产、生活提供水资源，还在防洪减灾、发电蓄能、水产养殖、航道运输、自然景观等方面担负着重要的服务功能，为人类社会经济活动的开展提供保障；此外，河流在污染物降解、水环境净化、生态环境塑造、多样栖息地条件提供等多个方面发挥着重要的生态功能(何用等，2006)。为了提高对河流开发、利用和治理的程度，使河流更好地适应人类文明发展的需求，进一步达到防灾兴利的目的，人类沿河兴建了大量的涉河工程(Surian 和 Rinaldi，2003; Gregory,2006; James 和 Marcus,2006)。例如，在河流上游修建水库用以蓄水灌親、节能发电(谢金明等，i013; Tehrani等，2014)，在河流中修建桥梁、码头以发展交通运输业(项海帆，2000)，沿河、渠、湖或海岸的边缘兴建提防工程以保证河流防洪安全(Hey和Winterbottom,1990； Seed等，2012)，兴建引水、供水工程以合理配置水资源并保证供水安全等(Xu 等，2013)。丁顼亦是涉水工程中常见的一种，它广泛应用于治河工程、防洪工程、航道整治工程以及河滩围垦工程中(彭静，2004; Eslami和vanRijn，2010； Kuhnle和Alonso，2013)。丁现布置后可以有效地改变水流方向，降低丁顼所在侧水流的流速用以保护河岸和河床免于冲刷(Przedwojski, 1995;Sherif和Mootaz,2001),闻时，可以提高主流区内流速用于促进排游，刷深河槽；丁项还可以束窄河道，维持航道水深(Thomas等，1995)，增强河道内水流和地形形态的多样性，有效改善河道内局部生境环境，增加水生生物栖息面积(Hood, 2004； Shih等，2008;Walker等，2008)等。

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1.2国内外研究综述

丁视水力学是传统水力学与丁顼工程相结合的专门水力学，是水力学在丁坝水流中的应用与扩展，是丁观研究中非常重要一个的部分，科学全面地认识丁现水流的特性对丁顼更好地发挥工程作用、预估工程效果具有重要意义。其研究内容主要包括丁项作用下水流的运动，河床的变形以及水流对丁现的反作用等三个方面(应强和焦志斌，2004)。下面将针对以上三方面内容，对国内外相关研究进展进行总结。丁项修建后，对周边水流产生明显的扰动，局部水流产生漩祸和分离，呈现出强烈的三维紊动特性(Koken和Constantinescu, 2008a；张可等，2012)。水流运动的研究内容主要包括丁顼附近流场特性和水流内部能量转化及损耗等。其中，丁项附近流场特性又主要包括：①丁现附近水流形态分区。一般情况下将丁现附近流区分为4个区域，印位于丁项上游的雍水区（I区)、丁现下游的回流区(II区)、回流区对侧的主流区(m区)和回流区下游的恢复区(IV区)(应强和焦志斌，2004；于守兵，2010)，也有学者将其分为三个区域一一主流区、回流区和混合区（Hao等，2009)。此外，陈稚聪和黑鹏飞等人(2008)利用三维激光颗粒动态分析仪对丁项回流区流速进行测量，进一步将丁项下游回流区沿横向划分为负流速区、正流速区和主流区，沿纵向划分为回流减流区和回流增流区。

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第2章丁项流场数值模拟模型优选

2.1水槽试验概况

本文中水槽试验在浙江大学建工试验大厅长50m宽1.2m深1.0m的多功能水槽中进行。水槽底面由混凝土制作，竖向边壁为透明有机玻璃，底坡为0，如图2.1所示。在水槽底部的一端安装有造波/造流设施，其后方设有倾斜的尼龙丝网消波器，在水槽的另一端也设有尼龙丝网消波器，水槽底部设有与之连通的管道，与水槽一起形成一个闭合的回路，并且管道上装有水果、变频器等元件，其工作原理如图2.2所示。试验所采用的多功能水槽控制系统分为两种一一造流系统和造波系统，本文试验中采用前者。造流系统由德国SIEMENS交流变频器、工控计算机和RS485通讯卡等部件组成，其中，交流变频器为其核心部件，造流控制系统的工作原_理如图2.3所示。造流系统限定水槽内的最大水深为LOm,水槽内流速在0.1-0.3m/s范围内，造流精度小于等于0.03m/s，造流系统启动一段时间后，水槽内的水流会自动调整为稳态流，并且所形成的均匀流场的长度能够超过30rn,这对河流系统概化试验非常重要。同时，造流系统内部建有“水深一流速一频率”关系数据库，通过改变电机的频率，可在固定水深之下实现不同水流速度的设置，除此之外，控制系统还可实现双向造流和双向造波。

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2.2数值模拟

由于紊流非线性程度高、自由度个数多等原因，紊流的求解至今仍为一个难题，甚至最简单的紊流的解析解尚不存在(Ishihara等，2009)。目前，紊流问题的求解需借助于计算机，最直观的求解方法便是直接求解N-S方程，被称为直接数值模拟(DNS，Direct Numberical SimulationXMoin 和 Mahesh，1998)，这种方法能够获得紊流流场的细节且无需引入任何棄流模型，但却需要超级计算机在紊流尺度之下求解瞬时的N-S方程。然而，在工程实际中，紊流往往具有很宽的紊流尺度，因此，除个别十分简单的问题之外(Le等，1997； Ishihara等，2009)，目前计算水平之下，几乎所有的紊流问题都无法做到直接用计算机来求解(Moin和 Mahesh，1998)。

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第3章丁坝群作用尺度概念体系..... 39

3.1 丁坝作用尺度研究概述..... 39

3.2三种非淹没丁坝作用尺度划分准则..... 40

3.3淹没丁坝作用尺度划分准则..... 49

3.4本章小结 .....53

第4章双体丁坝作用尺度量化研究.....   55

4.概述..... 55

4.2量纲分析及数值试验工况.....  55

4.3非淹没双体丁坝间距阈值定量研究..... 58

4.4淹没双体丁坝间距阈值定量研究 .....80

4.5非淹没双体丁坝与淹没双体丁坝间距阈值定量比较..... 94

4.6未章小结 .....96

第5章丁坝群的累积效应机理研究 .....  97

5.1 丁坝群累、积效应概述..... 97

5.2非淹没丁坝群的累积效应..... 98

5.3淹没丁坝群的累积效应 .....112

5.4本章小结 .....  125

第5章丁顼群的累积效应机理研究

5.1 丁现群累积效应概述

涉河工程是人类开发治理河流而修建的水利工程设施，常见的有水库、电站、桥梁、通航大烦、人工运河、码头、堤防工程、引水工程等(Kesel，2003; Gregory,2006； Pinter等，2008)。河流是一个复杂的系统，由水、沙、河床、生物以及各类涉河工程等组成，系统中各个组成部分相互联系、相互作用，从而对河流的防洪安全、河势稳定、生态环境等健康要素产生影响。以往对涉河工程的研究更多关注的是单一涉河工程对河段的局部影响或者河流系统的某一方面对单座丁现工程的响应(Smith和Winkley，1996；毛战坡等，2005;郝继英和阮晓红，2005;黄荣敏等，2006;张家福，2006;曹晓萌等，2012),而较少关注河流系统在多个涉河工程设施的联合扰动下引起的叠加响应和连锁反应，表现为河流系统在多个干扰源的协同作用下时间、空间和多元耦合上积累起来的差异性、非线性变化(Reckendorfer, 2005；顾正华等，2012;尚淑丽等，2014)。近些年来，关于梯级水库、梯级水电开发等涉河工程对河流系统健康的累积影响尤其是对生态环境累积影响的研究开始出现(杨宏，2006；杨丽虎，2007;王波，2008；付雅琴，2009),但研究大多采用统计分析的手段，并且对水流规律的累积影响研究涉及较少。由于涉河工程及其复杂，为降低研究难度，本文选取涉河工程中常见且相对筒单的丁项作为切入点，对丁项群的累积效应机理进行初步探讨，为涉河工程群累积效应机理的研究奠定基础。

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结论

丁坂群作用尺度及其累积效应是目前丁坝研究的空白，其研究对丁现水力学研究尺度的突破以及涉河工程群对河流系统的累积影响具有一定的学术价值和实际意义。对此本文分别对非海没丁顼群和泡没丁现群作用尺度划分展开定性和定量研究，并在此基础上进一步对不同作用尺度之下非掩没丁顼群和淹没丁顼群的累积效应机理进行探讨，得到以下主要结论：分别采用三种紊流模型——标准k-s模型、雷诺应力模型(RSM)和大祸模拟(LES)对8座丁顼组成的丁现群流场进行模拟，每种紊流模型下自由表面边界条件分别采用刚盖假定和VOF模型两种处理。综合考虑每种数学模型的模拟精度与计算时间，得出非掩没丁琐模拟以获得主流区流场为主要目的时，紊流模型推荐采用标准he模型，以获得回流区流场为主要目的时，紊流模型推荐采用LES，有水面高度计算要求时，自由表面边界条件采用VOF方法，否则采用刚盖假定；对于掩没丁顼流场，以获得主流区流场为主要目的时，紊流模型推荐采用标准A-e模型，以获得回流区流场为主要目的时，紊流模型推荐采用LES,自由表面边界条件均推荐VOF模型的处理方法。根据以上模型优选建议和计算机实际计算能力，确定后续研究中非淹没丁项流场数值模拟采用标准A-e模型和刚盖假定相结合的数学摸型，淹没丁项流场数值模拟采用标准k-s模型和VOF模型相结合的数学模型。

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参考文献（略）