不同河流地区间的水力学分布特点探析

　　摘    要：　河流是我们赖以生存的水资源之一, 对人民的可持续生存具有重要意义。同时河流也是影响国家经济、自然生态发展的重要因素。水动力模型影响下的河流水力学分布, 根据河流所在地域的不同存在着特征差异, 直接影响着河流建设与维护。因此, 通过水动力模型的分析, 探究河流水力学分布特征, 以此对比不同河流地区之间的水力学分布存在的区别, 进而归纳总结出水动力模型影响下的河流水力学分布特征, 为后续河流的建设与维护提供设计理论基础。

　　关键词：　水动力模型; 河流水力; 分布特征; 特征探究;

　　0、 引 言

　　我国国土面积辽阔, 河流水系众多, 但是目前我国水资源匮乏问题已经非常严重, 严重影响人们的生产生活以及农民的农业发展前景。针对此种现象, 通过水动力模型的分析, 探究该地区河流水力学分布特征, 为保护水资源提供参考依据, 实现生态环境的保护、促进水资源可持续发展, 同时促进农业发展, 为农民谋求更多福利。在以往的研究中, 部分专家学者对河流水力学分布特征进行了简单总结与分析, 例如:河流水力学具有时间变化特征;通过河流流量发现河流水力学具有渗透特征等等。但是, 这些结论仅仅是停留在河流水力学分布特征的浅显层面, 还未对河流水力学分布特征进行深层次研究[1]。因此, 通过引入动力学模型, 对河流水力学分布情况进行模拟, 分析河流水力学分布特征, 为保护环境与促进基础建设提供理论研究支持。

　　为了更好研究河流水力学特征, 在特定区域内的河流为主要研究对象, 通过水动力模型的构建来分析, 最后输出河流水力学分布特征。一般情况下, 河流水力学分布特征可以使用水平流量来表示, 当水平尺度大于垂直尺度, 水平流量大于垂向流量时, 水动力模型中采用此种假定方法, 得出河流水力学分布特征。因此, 水动力模型是一种操作性极强的模型, 可以清晰得出河流水力学分布特征。水动力变量可以通过河流水力学分布的不同来进行人为干预, 因而使得水动力变量与河流水力学分布特征之间建立起模型关系, 通过水动力模型的特殊运算方式, 能够有效的总结出河流水力学分布特征。

　　1 、平面分布特征

　　以水动力模型为基础研究模型, 对河流水力学分布进行了全真模拟, 能够具体体现出河流水力学分布平面特征变化。不同地区的河流, 其河流水力学平面分布存在一定差异, 其流速也是随着河流水力学平面分布特征而发生变化。

　　表1 不同河道的河流水力学平面分布特征

　　从表1中可以看出, 不同河道距离流面状态是不同的, 在河道距离为23098-27894m时, 河流水量流速为324m/min, 流态稳定, 呈现出平面分布特征, 以此类推。然而, 从表1纵向来分析, 可以看出随着河道距离的变长, 流速是随着河道距离的变长而加快的, 但是流态则发生了一定变化, 从流态的变化情况可以看出, 流态越稳定, 河流水动力学平面分布特征越明显[2]。从整体上来看, 在河道距离发生变化的区域在水动力模型影响下, 河流水力学平面分布特征明显, 尤其是在河流发生弯曲与转向的地方, 平面分布状态则会发生急剧变化, 一旦过渡到平整河道地区, 那么河流水动力学基本完全呈现出平面分布特征。

　　2 、动能分布特征

　　通过水动力模型的影响, 河流水力学分布呈现出动能分布特征。河流流量与动能分布特征之间有密切联系, 这要是由于河流处于不同地区, 地区间的地势、地形和海拔高度也存在一定差异。当地势高、地形复杂, 然而海拔高度较低时, 河流流量就会增大, 导致河流水力学动能增强, 最终体现出河流水力学动能分布特征。

　　图1 水动力模型下的河流水力学动能分布图

　　通过图1可以看出, 当河流流量从9000m3减少到3000m3之后, 河流横截面积由1000m2增加到6000m2, 动能也是在逐渐在减少。总结可以得出:随着河流流量减少, 河流横截面积的增大, 河流水动力动能也随着减少[3]。这主要与河流地形、地势和海拔高度有关, 动能的变化是随着河流流量的减少而降低的, 在宽敞的河道中, 河流水力学平面分布特征存在, 但是其河流流态确是呈现出复杂、多样的状态, 从而使得在不同地区的不同河流流量情况下, 河流水动力动能也能够维持在较高水平。然而, 在河道河流流量较小, 横截面积变大的河段, 河流整体流速降低, 平面分布特征稳定, 此时流态稳定, 基本不会出现河流流态紊乱现象, 从而使得河流水力学动能维持在0.01m2/s2左右, 比河流流量大、横截面积小的河道河流水动力学动能稍弱。在实际河道中, 一旦出现河道弯曲, 河流水动力平面分布特征出现混乱现象, 比直线型河道的平面分布特征体现的稍弱一些。因此, 弯曲河道地段的河流水动力学动能要大于直线型河道的水流水力学动能, 其动能特征体现明显, 能够通过肉眼直接观察到。

　　3、 横截面分布特征

　　为了分析河流水力学分布特征, 在水动力模型影响下, 对河流横截面的数据进行模型分析与计算, 从而得出河流水力学分布横截面特征, 为河道防洪建设与基础设施建设提供理论基础。

　　图2 河流水动力学横截面分布特征图

　　图2中, 主要是在水动力模型的分析与模拟下, 对河流水动力学横截面分布特征进行分析得出的结果图。从图2中可以看出, 随着河道河流横截面积的增大, 河流水动力学动能也是在逐渐增大的, 但是, 河流水动力学动能在15m2的横截面时, 达到了最大值, 在此之后, 河流水动力学动能会随着横截面积的增大而减少, 最终呈现出不变的情况[4]。通过水动力模型的分析过程, 可以得出结论:河流水动力学横截面分布特征, 在0-40m2之间存在着先增大后减小的变化, 会在某一横截面积小达到最大值;在大于40m2的横截面积之后, 河流水动力学横截面积特征稳定体现, 通过在河道两侧就能实现直观观察。

　　除此之外, 通过水动力模型的模拟与分析, 可以发现河流水动力学横截面分布特征, 与河道河流的形状关系不是非常密切, 与河流横截面积的关系更为密切。因此, 在河流河道实际施工过程中, 需要考虑河流水动力学分布特征影响时, 需要对河流河道的横截面积进行测量, 从而确保准确估计河流水动力学动能, 进而实现河道河流施工达到国家要求的标准, 避免由于建筑工程缺陷造成不必要的人民生命财产的损失。

　　4、 水量分布特征

　　水量分布特征是水动力模型影响下的河流水力学分布特征的最后一个特征, 也是最为重要的一个特征。水量分布特征, 直接关系到河流的流量以及水资源存在情况。只有当河流水动力学水量分布特征均衡时, 才能保证, 全国范围内的河流的水资源储存量是巨大的, 是衡量水资源匮乏程度的重要指标[5]。通常情况下, 河流的产生属于自然界的自然作用过程形成的, 其河道属于原始状态, 此时河道土壤的渗水情况会直接影响河道两岸的土壤湿润程度。当土壤湿润程度始终保持在一个较高水平时, 土壤湿润程度越高, 其吸水能力越小, 河流河道渗水能力越小, 河流水动力学储存水量则越大, 其河流水动力学水量特征明显;一旦土壤湿润程度降低, 土壤的吸水能力以及河流河道的渗水能力会瞬间增大, 导致最为直观的感受就是河流河道水量的急剧下降, 河流水动力学水量特征出现短缺现象, 这就是水资源减少的最主要体现。

　　与此同时, 通过水动力模型模拟不同河流河道两侧土壤湿润程度的变化, 可以发现同一地区的土壤湿润程度越高, 其土壤持水能力越强, 随着河流河道水量的增加, 土壤的吸水能力也在增加, 但是, 值得注意的是, 土壤的吸水能力是有一个峰值, 一旦达到了土壤吸水能力的峰值, 土壤就能够开始发挥自身的持水能力, 长时间保持土壤的湿润程度。此时, 再利用水动力模型模拟河流水动力学水量的变化, 可以得出河流水动力学水量分布特征[6]。例如:在南方地区, 常年空气湿润、降雨量大, 其河流水动力学水量分布大;对比北方地区, 常年干燥、降雨量比南方地区小, 其河流水动力学水量分布小。因此, 水动力模型影响下的河流水动力学水量分布特征, 与多个因素存在的关系, 在模拟与分析过程中要时刻注意不同因素之间的互相影响。

　　5、 结 语

　　水动力模型影响下的河流水力学分布特征, 主要是运用水动力模型分析过程, 在水动力与河流水力学分布特征之间建立起相应的模型关系, 从而将特征分析转化为数据模型分析, 这样更有利于得出分析结果。当然, 在水动力与河流水力学分布特征之间建立起相应的模型关系是非常困难的, 需要在此基础之上做进一步研究。但是, 不可否认的是水动力模型影响下的河流水力学分布特征研究, 是一种模型分析上的创新, 为河流水力学分布特征的研究提供了新的思路、新的想法和新的路径。

　　参考文献

　　[1]王春宇.基于二维水动力学模型的河流水力学特征分布研究[J].水利技术监督, 2016, 24 (04) :56-58.
　　[2]陆静良.基于ASTER GDEM数据精度的流域尺度河道水面线推求方法研究[J].中国水能及电气化, 2018 (03) :9-12.
　　[3]刘强, 陈月妹, 张扬, 等.二维水质数值模型在入河排污口设置中的应用研究[J].人民珠江, 2017, 38 (09) :108-112.
　　[4]吴俊锋, 高岩, 谢飞, 等.基于二维水动力水质模拟下水环境容量的求解研究[J].环境科学与管理, 2017, 42 (04) :52-55.
　　[5]李大洋, 梁忠民, 周艳, 等.基于水文—水力学耦合的淮河中游河道洪水预报及不确定性分析[J].水电能源科学, 2017 (12) :44-47.
　　[6]叶晨, 张晨玲, 张绍培, 等.山区河流漂石阶梯阵列对水流结构影响的试验研究[J].工程科学与技术, 2018 (01) :36-42.