黄科院90年代泥沙研究进展(张红武,姚文艺,张俊华,钱意颖)

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黄科院90年代泥沙研究进展

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张红武姚文艺,张俊华,钱意颖水利论文fQ8` zJ.Zl'[
(黄委会黄河水利科学研究院)

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1引言

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  黄河水利委员会黄河水利科学研究院(简称黄科院)是以泥沙研究为中心的多学科、综合性水利科研机构。而泥沙问题是黄河治理中的重大难题,因此一直受到重视。特别是近10年来,科研实力得到长足发展,在许多领域都有很大进展。在“八五”、“九五”期间,主持7个专题研究,其中“八五”国家重点科技攻关5个专题通过验收鉴定,一项达到国际领先水平;其余为国际先进水平,其中部分内容达到国际领先水平。参加国家自然科学基金重大及重点项目三项,承担课题三个;承担水利部和黄委会重大科技项目、横向生产项目和规划设计任务共300余项。完成400多份科研报告,多项成果获国家和省部级科技进步奖,出版几十部专著和10多本论文集,发表500余篇论文。本文简要介绍90年代以来的主要进展。

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2泥沙基本理论

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2.1挟沙水流运动水利论文[{#U D ~gr2]0u'N

  河道挟沙水流中流速及紊动强度沿垂线分布、河床糙率等课题的研究,是揭示泥沙运动规律的基础。通过系统研究卡门常数及指数公式中的指数随含沙量的变化规律,试图使经典的流速公式适用于挟沙水流。同时引入“涡团模式”,使Prandtl掺长模型趋于合理,由此提出的流速分布公式得到了黄河一般挟沙水流和高含沙水流测验资料的印证。水利论文 kEdn X0^)tf

  窦国仁、张红武等曾提出紊动强度分布公式,但对于浑水和高含沙水流,由于紊动强度测验非常困难,文献中几乎看不到高含沙紊流中垂向紊动强度的测量资料。正因为如此,人们对挟沙水流的紊动特性相对于清水水流有何变化,往往有不同的观点。黄科院理论探讨表明,尽管挟沙水流时均流速分布图形及能耗图形已较清水有特殊变化,但只要水流处于充分紊动状态,其紊动强度分布规律与清水是一致的。实验资料的分析进一步表明,在很大的雷诺数范围内,紊动强度同含沙量不存在什么关系,证明“紊动挟沙水流的紊动强度分布规律与清水紊流的一致”的结论是成立的。现在不少学者认为含沙量增加抑制了紊动强度,另一方面也承认含沙量增加又使挟沙力大幅度提高这一事实,两方面明显矛盾。而我们的上述结论使这一矛盾得到了很好的统一。水利论文bYwof Sn X

  近几年,对于黄河下游河道糙率的确定方法开展了进一步探索。利用黄科院流速分布公式,首先引入摩阻厚度的概念,通过积分和数值替代原理,得出糙率计算公式,同时还根据模型试验结果,建立了摩阻厚度与弗汝德数等因子之间的关系。采用黄河铁谢、花园口、夹河滩、高村、孙口各水文站包括有高含沙洪水期的大量实测资料,对糙率公式进行了系统验证,较好地模拟了河床糙率变化规律。

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2.2泥沙运动水利论文C2CY:ooh@

  引用黄科院流速分布公式,求解扩散方程后得出了含沙量沿垂线分布公式。该式克服了Rouse公式在水面含沙量总为零和距河底很近时含沙量趋于无穷大的缺陷,且与黄河资料颇为符合。从理论上对悬沙级配与水流紊动强度关系的研究,揭示了黄河中悬沙粒径范围并不很大的根源。

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  水流挟沙力的计算,是黄河泥沙科学最为关键的难题,一直未能很好地解决。我们在90年代初考虑泥沙存在对水流摩阻特性、挟沙效率系数以及泥沙沉降特性等因素的影响,根据二维水流单位水体的能量平衡方程,经理论推导和用实测资料率定后,得出了不仅适用于一般挟沙水流,而且适合于高含沙水流的挟沙力公式。该公式所计算的属全悬移质挟沙力,这不仅便于使用,还自动反映了各种粗细泥沙对水流挟沙的影响,在黄河上有更重要的意义,因而得到了广泛应用。

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  在推移质泥沙运动方面也得到了一定的进展,例如,通过粗颗粒泥沙起动图形的概化模拟,从理论上给出了推移质级配分布的计算式。此外,还根据能量平衡观点,结合影响河流推移质运动的因素,推导出了适用于实测资料尤其是黄河的推移质输沙率公式,具有很大的使用价值。水利论文1Z!^3hOI-C)B

3土壤侵蚀及流域产沙

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  90年代初,得到国家自然科学基金、水利部黄河水沙变化基金和黄河流域水土保持科研基金的资助,对黄河上中游地区主要支流流域水利水保工程和大型煤田开发对产水产沙的影响进行了研究,对水土流失防治具有重要的指导作用。还出版了《水土保持减水减沙效益计算方法》专著。在“八五”国家重点科技攻关“黄河中游多沙粗沙区水沙变化原因分析及发展趋势预测”专题研究中,预测了2000年~2020年水沙变化趋势;探讨了多沙粗沙区侵蚀产沙环境、规律和泥沙输移规律。研究表明,风沙产沙约为5%10%;基岩地域分异性很大,砒砂岩集中分布区,基岩产沙约占60%70%,其他地区介于5%15%之间,因而认为,黄土是多沙粗沙区的主要产沙地层。在侵蚀泥沙输移规律研究中,利用137Cs对沟间地、沟谷地和流域泥沙输移进行了研究,认为多沙粗沙区大多数支流泥沙输移比为0.9左右。此外,最近承担了黄河流域()防洪规划项目“黄河中游水土保持减水减沙作用分析”,表明基准年( 1997)水土保持减水810亿m3,减沙34亿t2010年水土保持减水1418亿m3,减沙45亿t2020年后的远景展望水土保持减水2540亿m3,减沙68亿t

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  “九五”期间,黄科院承担了国家自然科学基金重大课题“江河泥沙灾害防治理论与方法”。其中的“坡面泥沙侵蚀规律及其防治方法研究”专题,对坡面流侵蚀发生、演变过程中的动力学机制及其与下垫面土壤侵蚀作用的相互关系、水保措施减水减沙力学机理、水保措施治理对河流系统演化影响等问题进行了理论探讨,研制了流域侵蚀数模。认识到河道系统的演化过程与水保治理措施配置方案有关;河道冲淤受上游减水减沙比影响很大;水保措施的减水减沙效应与洪水水文特征有密切关系。水利论文^-_{a;[

4河床演变及防洪减淤

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  黄河河床演变规律极其复杂,黄科院长期对此开展了深入研究。首先对于河型成因,通过一系列模型自然小河的研究,认为任何可动河床周界条件下都有可能形成游荡、分汊及弯曲河型,只要水流具有相应的强度。如果水流强度一定,河型则取决于河床相应的稳定程度。进一步根据天然及试验资料提出了河流的综合稳定性指标,可作为河型区划判数。最近,还以V/Vc描述河床的纵向稳定特性,以(BD50)1/2/H描述河床的横向稳定性特征,以S/S*描述来水来沙条件,将三者之积作为河型判数。该判数大于2时为游荡河型,小于0.12为弯曲型,分汊型或过渡型则介于其中。对于河相系数,已发现是S或S/S*的函数。此外还得出了过洪断面随含沙量增减而变化的定量关系。对于造床流量,在研究挟沙水流造床过程基础上,发现不仅含沙量而且泥沙粗度、河床边界条件等因素对造床过程及其河床形态都有显著影响,因此,应将输沙能力表示为Gs*=QS*,从而视QS*Pm(取m=0.6)最大时所对应的流量为造床流量。采用90年代下游汛期水沙条件得出的造床流量比一般水沙条件下求得的造床流量小很多,这正是黄河下游90年代后汛初洪水流量在3000~3500m3/s时即漫滩的原因所在。水利论文dJsqj:W5^2g)\er

  随着模型试验水平的提高,在花园口至东坝头河段模型上已预测出中常洪水原阳高滩将漫水过流的不利局面,被“92.8”特别是“96.8”洪水所证实。每年汛前都通过试验进行洪水预演,同时还开展数模计算,并采用资料分析手段,完成了1997年~1999年下游河道排洪能力设计。另外,为制定孟加拉国的布河Jamuna河段河道整治规划及防洪工程方案,对该河段的河型与河床演变特点也进行了研究。水利论文S p5Cub y#fu r

  90年代初,我院参加了国家自然科学基金项目“黄河高含沙水流运动规律及其在治黄中的应用”,系统研究了河道高含沙水流运动规律,提出了利用河道将高含沙水流输送入海的治黄设想。在国家“八五”重点科技攻关项目中,通过实体模型试验及理论分析,阐明了下游河槽淤积萎缩特点及变化机理,探讨了高含沙洪水异常现象成因。还对黄河特有的高含沙洪水“揭河底”现象进行了探索,认为所谓的“揭河底”现象,是由于高含沙洪水期水力、泥沙因子引起水流挟沙力剧增所致。以张红武公式表示的水流挟沙力可作为揭示“揭河底”影响因素的理论依据,由此提出的“揭河底”指标为Ch=SV3/(ghω3s),“揭河底”条件为Ch>1300

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  为分析80年代以来黄河水沙特性与河道冲淤演变规律,在广泛调查研究基础上,对中游干流主要站及典型支流的降雨、洪水、径流和输沙特性及其相互关系等方面进行了研究,深化了对黄河水沙特性变化的认识。揭示了黄河“96.8”洪水在下游演进过程中出现的“水位表现高、洪水传播时间长、洪峰沿程变形复杂、小水大灾”等特点的机理,为认识90年代黄河防洪形势提供了科学依据。水利论文C Tz w%b x/PhD

  黄科院协同兄弟单位研究了黄河下游河道在三门峡水库不同运用方式,特别是清水冲刷和集中排沙情况下下游河道不同粒径泥沙的冲淤特性和冲淤调整规律;黄河下游高含沙洪水的水沙特性及沿程调整特性;黄河下游河道纵横剖面的调整特点等。黄科院不少学者长期以来采用不同途径研究小浪底水库调水调沙的方案。例如近两年在研究下游输沙特性、窄河槽过洪能力的基础上,指出小浪底水库应采取泥沙多年调节的运用方式,平枯水年蓄水拦沙运用,尽量避免小水带大沙出库,在较大流量时集中泄空冲刷,产生含沙量较高洪水,通过滩地淤积主槽冲刷塑造窄深河槽,改造宽浅河道,并充分利用洪水期输沙能力大的特性多输沙入海。通过自然科学基金和黄河水沙变化基金项目,系统研究了人类活动对黄河流域环境改变及水沙特性与河床演变的影响,预测河流将向主槽萎缩不利方向发展,并给防洪带来严重影响,得到了广泛重视,并为实践所证实。

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  通过小浪底水库模型对运用初期两种方案进行了5个运用年试验,研究了库区泥沙淤积及排沙规律。还表明若遇大水年份,大幅度地降低坝前水位可达到恢复部分库容的目的。同时开展了小浪底水库拦沙期下游河段演变趋势模型试验和数学模型计算,成果表明:下游自上而下出现冲刷,排洪能力加大;此外,河势向单一归顺方向发展,河床综合稳定性指标增大,游荡性削弱,但河型仍为游荡型。

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  近几年,分别通过模型试验、现场试验资料分析、数学模拟,对下游不同河段挖河固堤和潼关河段清淤的效果及一些关键技术开展了研究,对生产实践起到了指导作用。研究表明,在一定的水沙条件和一定的时段内,挖河对减少河道淤积、改善河势和降低洪水位有一定效果;在弯曲性河段挖0.76m3泥沙,约可减少1.0m3泥沙淤积;为提高和保持挖河改善河势的效果,应当与整治工程建设相结合;射流清淤对改善潼关高程有一定效果;射流冲刷效果与喷咀方位、射流历时、床沙级配及水流条件有关。

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  目前我院正紧张开展“九五”国家重点科技攻关项目“黄河中下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究”,其中承担了“黄河小浪底水库运用方式研究”、“黄河中下游挖河减淤关键技术研究”专题及“小浪底水库初期调水调沙运用库区及下游河道的泥沙动床模型试验研究”、“小浪底水库运用初期对下游宽河道影响及对策研究”、“小浪底水库初期运用条件下三门峡水库运用方式研究”子专题的研究工作,这些研究,必将为重大治黄决策提供重要的科技支撑。

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  在弯道水力学方面的研究成果也是引人注目的。1993年出版的《弯道水力学》专著,在弯道环流理论上有所突破,目前已有学者将此用于计算河流横向输沙和确定黄河下游河道整治工程位置线。此外,我院承担的泾河东庄水库模型试验,也将对促进多沙河流防洪减淤的研究起到积极作用。

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5河道整治及跨河工程

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5.1河道整治水利论文p(p7~g-U

  河道整治是黄河下游河道治理的最主要措施。黄科院除对于整治河宽、平面河湾关系式等河道整治规划参数开展科学研究外,还通过大量的比尺模型和自然模型研究整治工程的布局。例如,研究表明,为适应水沙变化后的中水流路,河湾工程半径应有所减小;除工程藏头段可设计为直线型外,迎、导、送溜段不一定再强调采用复合曲线型;游荡性河段整治工程布局,河湾半径大小固然重要,但最为重要的是工程布设的方位。“八五”期间,系统研究了河道整治对输水输沙的影响,通过花园口至东坝头河段模型、小浪底水库温孟滩移民安置区河段整治模型、黄河山东十八户控导工程平面布置模型等模型的试验,对治导线进行了检验和修正,并研究了河道整治工程对游荡性河型的影响。为探索游荡型河段的河型转化规律,采用不同材料的模型沙制作了一系列模型小河,连续观测试验表明,通过加密控导工程并采用合理的平面布局,使最后的模型小河具有弯曲的平面形态。就黄河游荡型河段而言,要转化为限制性弯曲河型,两岸有效的控导工程总长度尚需占河道长度的88%以上。进一步试验研究表明,丰沙洪水会使限制性弯曲河道转化为非稳定的河型,特别是再遇大洪水时,漫滩后又会转化为游荡性河型;水流中含有较多的悬沙,利于形成游荡性河型。

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  在开展渭河下游河道整治导线初步设计中,揭示了1987年以来渭河流域水沙变化规律,对渭河下游近十年的河势与冲淤变化进行了系统研究,充分论证了渭河下游中水治导线的各项设计指标。

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  在大力推行“网罩护根”这一防护根石走失途径的同时,为寻求新的工程结构型式,通过试验研究了铅丝笼土工布沉排和土工织物护联坝两种新型坝体结构。在研究南水北调中线穿黄工程导治建筑物防护试验基础上,同时考虑到几乎所有的不同于传统工程的新结构在黄河上都难以奏效这一现实,提出了能适应大水漫顶需要的工程新结构。其坝体由土工织物防护土胎,由块石进行两面裹护,由网罩护块石(网边沿系有网坠)。模型检验结果表明,即使漫顶后工程仍具有较好的控导效果。水利论文Zp&^$rn3lR

  关于确定丁坝坝头冲刷坑水深,对行近流速的计算考虑了河相关系因子,以适用于高含沙水流。此外,以黄科院河道整治研究成果撰写的《河道整治与堤防管理》专著也颇有价值。

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5.2跨河工程

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  随着国民经济发展的需要,90年代承担了大量的跨河工程科研项目。例如曾先后通过三座模型试验,研究了南水北调中线穿黄工程在不同水沙条件下隧洞方案和渡槽方案与河道的相互影响、可行的河道缩窄宽范围及相应的治导工程等问题;在山西阳城电厂至江苏淮阴500千伏输电线路工程黄河大跨越工程研究中,对工程跨越河段水文泥沙情况、河床演变特性及冰凌问题进行了全面分析,进行了概化模型及局部模型试验,开展了局部冲刷计算;在京沪高速铁路济南黄河大桥河工模型试验中研究了段庄桥位和泺口桥位采取不同桥式方案时建桥前后的影响,给出了壅水高度等参数,并观测了浮冰卡塞状况。最近,我院还承担了洛界高速公路伊河、洛河特大桥及夹滩路堤设计水文泥沙问题研究。此外,出版的《河流桥渡设计》,也是对跨河工程研究成果的学术总结。水利论文*w ? F]8oeO7a

6引黄灌溉与河口演变及治理水利论文6]q2w'r)?NO|

6.1引黄灌溉

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  由于黄河含沙量高,河势变化大,为引黄灌溉带来很多重大科技问题。长期以来,我院对诸如引黄渠道和沉沙池的设计理论与方法、防淤浚淤措施和引洪放淤、淤滩改土及淤临淤串等关键技术开展了大量研究工作。90年代以来,在引黄灌溉节水、引黄水资源利用、引黄水沙监测、灌溉泥沙处理和生态环境保护等方面进行了广泛研究,提出了“自流引水、分散提灌”的灌溉模式,利用黄河中小洪水有控制引洪放淤技术、节水节能技术等一大批具有很大科学和生产价值的科研成果。水利论文2qP7n3I!J

6.2河口演变及治理水利论文w7[S(]?X%f2az:L'T

  黄河口在我国沿海地区经济发展中居重要的战略地位。90年代以来,通过“八五”国家科技攻关和治黄科研专项,对黄河口的演变规律和治理方略、措施开展了大量研究工作,取得了不少成果,如提出了防止河口段河道出汊、稳定流路的治理方法,河口段单股河道具有“洪冲枯淤”的规律,黄河三角洲莱州湾湾顶部分水域存在一个分流带水流运动系统,该系统的变化与河口沙嘴发育有关;探讨了“河口台阶”的概念及其演变特性;对近期河口淤积反馈影响范围有了新的认识。从河流整体系统的观点出发,研究了上游来水来沙和河道冲淤变化分别与河口段河道和拦门沙演变、消长的阀值关系,论证了河口河段挖河减淤的可行性。参加了黄河河口段拖()淤和拦门沙疏浚等项河口治理的试验研究,目前,在“九五”国家科技攻关中正进一步开展黄河河口段挖河疏浚的试验研究。水利论文D |9VE;gU

7河流模拟

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7.1泥沙数学模型水利论文_n0Qa@

  90年代初,武汉水利电力大学及黄科院联合攻关,开展了黄河下游河道变动河床洪水演进与洪水预报水动力学数学模型研究。此后,引入张红武水流挟沙力计算公式,成功地模拟了黄河下游高含沙洪水演进、河床变形及洪水位变化。“八五”攻关期间,我院系统研究了水文学、水文水动力学和水动力学三类数模,进行了大量的方案比较计算,同时指出了有待完善之处。这些模型在“九五”期间小浪底水库运用方式的研究中也发挥了作用。与此同时,从异质粒子与紊流场的相互作用入手,引入附加系数及泥沙非饱和系数,前者为考虑紊流脉动在水平方向产生的扩散作用及泥沙存在产生的附加影响而引入的修正系数,后者主要与一般饱和平衡条件下的含沙量分布状态有关。重新导出的泥沙连续方程及河床变形方程更适用于黄河这种多沙河流。再引入黄科院水流挟沙力、阻力及泥沙级配计算方法,构造出的数学模型体系,克服了许多数学模型系数靠经常调整的缺陷,大大提高了泥沙数学模型的预测性。通过花园口至夹河滩河段1982198819771992等年份典型洪水系统验证,表明本数学模型不但准确地模拟了黄河一般洪水的水沙传播、水位变化、河床冲淤变形等,而且还能成功地复演高含沙洪水的水沙运动及河床变形过程。该模型已成功地用于黄河下游洪水预报和小浪底水库修建后下游变化趋势预测。在此基础上,引入新的异重流计算方法,还建立了水库泥沙数学模型,先后成功地应用于颍河白沙水库、黄河三门峡及小浪底水库、泾河东庄水库的研究中。对于黄河二维数学模型,针对河道和河口地区,相继开发了多套二维数学模型,已在生产中发挥作用。其中开展的“黄河口一、二维连接数学模型的研究”,包括利津以下河道一维数学模型、二维潮流泥沙数学模型的完善及其向河道延伸问题的处理、一二维数学模型衔接段处理的理论和方法等研究内容。水利论文.cJ R'e9hCI Qi

7.2实体模型水利论文 iR:o.FGVM

  为模拟黄河不同河型的演变规律,解决变态模型如何选择悬移相似条件等难题,针对高含沙洪水及其模型水流泥沙运动、含沙量比尺的确定及模型沙的选择等一系列专题开展攻关,提出了黄河动床模型相似律,成功地开展了一系列大型动床模型试验。江泽民等领导人于1991年及1999年视察了花园口至东坝头河道整治模型和小浪底至苏泗庄河段模型,后者为世界上规模最大的河工泥沙模型。这些试验对洪水和游荡特性的模拟取得了丰富经验,在高含沙洪水的模拟上居于领先水平。以此为基础,针对多沙水库模型的特点,对异重流运动相似条件进行探讨,认为水流连续相似条件是保证异重流运动相似及其它方面相似的必要条件,重新推出的异重流发生相似条件,含有修正容重沿垂线分布不均匀的系数比尺,从而使水库泥沙模型相似律趋于完善。利用该模型律先后完成了淮河流域白沙水库泥沙模型试验、黄河三门峡水库模型试验、西霞院水利工程泥沙模型试验、小浪底库区泥沙模型试验及泾河东庄水利枢纽工程泥沙模型试验等。其中小浪底水库模型是第一座按照现代相似理论设计并经过专门验证试验的黄河水库模型;东庄水库模型是迄今世界上含沙量最大的泥沙模型。

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  此外,还探讨了不同河型变化段的模型设计方法。关于高浊度水管道混凝过程相似条件和斜板预沉池模拟方法、试验技术的探讨,在学术上和生产上也都有很大价值。

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  由于模型理论与试验技术水平的提高,90年代几乎所有的河工模型试验成果均直接指导了具体工程的实践,在治黄及其他工程中发挥了巨大作用。对于模型的测验技术,黄科院在尾门自动控制、进口水沙控制、水位沿程采集、浑水流速及地形测量等方面,都是颇有特色的。水利论文.kq lIb ~/@S} v

8结语水利论文)apZu*MV&z-L @

  限于篇幅,本文仅介绍了黄科院泥沙研究的部分新进展。这些成果已在或将在治理黄河的生产实践中得到应用,取得了巨大的社会效益及经济效益,对其它河流的治理也颇有参考价值,同时带动了整个泥沙学科的发展。随着治黄事业的进一步发展,黄河泥沙研究必将出现更为繁荣的局面。

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