澜沧江水沙变化及两相流力学机制

The flux changes of flow and sediment load in the Lancang River will be analyzed under thecondition of upstream flow changes. A basin-scale mathematical model of flow and sediment erosion will be established to analyze the response of flow-sediment process to environmental changes. Future flow-sediment discharge data series will be generated based on the basin-scale model. On the basis of field survey, flume experiment, numerical simulation and theoretic analysis, the mechanisms of flow, sediment and biogenic matter movement including N and P and their influencing factors will be studied under the condition of flow and sediment flux changes. Two single-fluid numeric models of flow-sediment and biogenic matter movement will be built up for the river. The interactions among flow-sediment and biogenic matters including N, P under flow change will be analyzed using the two-phase dynamic flow theory and the quantification method of quality and movement exchange will be proposed to explore the stress-strain relationships between solid and liquid biogenic matters; finally, a two-phase flow numerical model will be established for the first time by coupling the flow-sediment and biogenic matters. Two-phase dynamic theory of flow-sediment and biogenic matter (N, P) movement will be constructed.

分析流域径流变化条件下澜沧江水沙通量变化规律与趋势；构建局部流域尺度的水沙（侵蚀）数学模型，探明澜沧江水沙过程对环境变化的响应规律，构建环境变化下澜沧江未来的水沙变化序列。基于野外监测、水槽实验、数值模拟和理论分析，研究流域水沙变化条件下，澜沧江水流泥沙与氮磷生源物质的输移机理和影响因素，分析径流中生源物质含量与泥沙吸附氮磷生源物质含量等参数的变化规律，建立澜沧江水流泥沙和生源物质输移的单流体数值模型。从两相流动力学角度，分析流域径流变化下澜沧江水流泥沙与氮磷生源物质的相互作用，提出质量和动量交换项的量化确定方法，探索固液两相间应力-应变关系，首次构建水流泥沙与生源物质固液两相耦合输移的双流体数学模型，创立河流水沙与氮磷生源物质输移的两相流动力学理论。

针对澜沧江中游梯级电站建设导致水沙通量发生重大变化问题，本项目基于实测资料分析、理论推导、水槽试验和数值模拟等多种方法，探明了澜沧江水沙通量和水文特性的时空变化规律，建立了非均匀沙水流挟沙能力、临界悬浮、输沙通量和浓度垂线分布等公式，主要创新成果如下：.（1）根据能量平衡和试验资料，创建了对数型非均匀沙第k粒级和总水流挟沙能力公式，将临界悬浮流速、水流挟沙能力和沉降速度紧密结合，完整描述了泥沙起悬、输移至沉降的全过程，为非均匀悬沙研究提供了新思路，用于澜沧江输沙计算。.（2）建立了以Froude数和颗粒雷诺数为变量的另一水流挟沙能力公式，提出最大颗粒雷诺数新概念作为泥沙临界悬浮的新准则，公式结构合理，形式简单，已用于泥沙数学模型开发与澜沧江及长江口的输沙计算。.（3）基于对数流速分布导出泥沙扩散系数，以床面平衡浓度为微分方程边界并引入非均匀沙沉速，建立了非均匀沙浓度垂线分布公式，进而积分获得初等函数型输沙率公式，计算简便，用于修正澜沧江某测站近底输沙通量，显著提高精度。.（4）发明了自控型多点同步取水样和基于真空原理的分层取水样装置，填补了分层含沙量同步观测的空白，已用于澜沧江某水文站；正态曲面与反双曲正切管道结合的水库排沙漏斗已申请国家和国际发明专利；局部冲刷防护装置获发明专利授权；水流阻力的分段同步测试方法申请发明专利。.（5）基于积分获得自然条件下因次和谐的输沙通量与流量的高次方关系，基于MK法、小波分析和时间序列数据研究了澜沧江水沙的时空变化；分析了梯级水库建设前后戛旧和景洪站的径流和输沙通量变化，发现年径流总量主要受气候变化控制而水库仅改变年内分配，悬沙通量则随水库群建设而显著减少，并呈阶段性骤降。.（6）构建了澜沧江流域水沙（侵蚀）模型，分析了产水产沙的时空变化。发现1957-2015年间流域蒸散发呈显著上升趋势，产沙与产水空间分布基本一致，表现为南北部较大而中部较小；1998-2008年间，产水下降而产沙无明显变化。