90年代四川大学泥沙研究进展与瞻望(刘兴年,曹叔尤,方铎)

热度82票 浏览46次 【共0条评论】【我要评论 时间:1999年11月01日 14:58

90年代四川大学泥沙研究进展与瞻望水利论文7w+N b ?;]6gos0Q

刘兴年曹叔尤,方
j^m5lV)O9y0(四川大学)

nv-o e'](~0

1概述

%{2A4?|3`!_p5y(C wE0

  四川大学(合校前原成都科技大学)高速水力学国家重点实验室于19885月经国家批准成立,并在1990年正式向国内外开放。泥沙研究为国家重点实验室五个研究方向之一,具有较强的教学、科研队伍和精良的科研设备。已成为培养本学科博、硕士高级科研人才的摇篮,培养了博士生18名,硕士生35名。自90年以来,在泥沙输移基本理论、流域中泥沙的产生与致灾机理、弯道水沙特性河道几何形态、工程泥沙、河流泥沙测验、河流模拟、新理论新方法在泥沙研究中的应用等方面取得了一批重要研究成果,其中一部分已用于长江上游河流与水利水电工程中,发挥了良好的社会、经济效益。近十年来,泥沙方面共承担各类科研项目60余项,其中国家自然科学基金11项(包括重大项目2项,重点项目1项),国家科技攻关项目10项,部委基金6项,工程泥沙研究项目30余项。在国内外学术刊物和学术会议论文集发表论文130余篇,实验研究技术报告60余篇。积极开展广泛的国内外学术交流及合作研究,近年又与英国伯明翰大学(The University of Birmingham)建立了长期合作研究关系;在国家自然科学基金委员会和英国文化委员会的资助下,互派国际合作研究人员6人次,获得了一些创新性成果,并合作培养博士生2人。

M]K!x$x0

  下面简要介绍1990年以来,四川大学泥沙研究的部分成果。

4k$`8?+P.m~:~3L_0

2泥沙输移基本理论

!D!Vy;Kg*O0

  在泥沙输移理论方面,结合长江上游河道特点和三峡工程泥沙问题,在国家自然科学基金等的资助下,主要对宽级配非均匀推移质运动规律进行了系统的研究。从实验、原型观测出发,引入新理论新方法对宽级配河床特性、泥沙起动、输移、沿程分布等进行了深入的研究,经鉴定,成果达到“国际先进水平”。主要成果包括:水利论文"du b8ME(CdHx:nU

  在室内水槽与天然河流中实测宽级配非均匀床沙暴露度,并获得了宽级配非均匀床沙暴露度关系;针对宽级配床沙暴露差别大的特点,定义了非均匀床沙全部可动和部分可动条件下的暴露度;提出非均匀沙起动流速由等效粒径确定,得出非均匀沙起动流速公式;在大量水槽试验的基础上,根据最小能耗原理,提出了非均匀床沙起动过程的“最优起动路径”假说,按不同粗化程度采用滚动与滑动平衡,提出了三种起动模式及相应的非均匀沙起动流速公式;认为泥沙的起动与其位于床面的暴露区与隐蔽区有关,引进泥沙面积百分数与宽度百分数,得出两区域的非均匀沙起动流速公式。应用一些新兴学科,如模糊数学、自组织临界性和重正化群论等研究泥沙的起动条件。在大量推移质水槽试验资料的基础上,建立了宽级配非均匀推移质输沙率公式,并广泛应用于长江上游河道泥沙研究中;运用原型观测资料,研究了宽级配卵石推移质的随机特性和分维特性,揭示了其输沙率符合对数正态的规律。提出了卵石推移质横向分布划分为强输沙区、弱输沙区和不输沙区等三个定量分区的概念及其划分标准。在分析宽级配床沙暴露高度实测资料和天然河流推移质输移特性基础上,提出卵石河床粗化程度概念以及考虑粗化程度大小对卵石推移质影响的输沙率计算公式,在宽级配非均匀推移质输沙率研究的概念和方法上均有所创新。借助高速摄影技术,通过实验观测,论证了全沙运动的物理图景;并引入紊流猝发理论,获得了区分推移质和悬移质的定量标准,建立了全沙浓度分布基本方程。

.jb(ctGI0

3流域中泥沙的产生与致灾机理

\'V K9uG-`0

  人类文明源于河流,河流既造福于人类,又会带来洪水及其它灾害。流域中泥沙的产生与致灾机理研究对国家经济的可持续发展具有特别重要的意义。在国家自然科学基金委员会和水利部联合资助下,获得了如下几个方面的进展:

I|*At0_0

  采用控制论方法,初步建立了反映长江上游泥沙时空分布的推移质控制论模型;通过水槽动床泥沙实验,研究了河岸侵蚀机理及植被对河岸侵蚀的影响;针对河道不断淤高与水资源日益短缺的矛盾,以河岸和河床能耗分布为基带行了最佳输沙渠道研究。与英国伯明翰大学合作,针对泥沙输移的水力条件,导出了包括复式河床的任意横断面深度平均流速及床面切应力横向分布解析表达式;结合1998年我国长江、松花江特大洪水,加强了以泥沙为主线条的流域生态系统的脆弱性研究,正逐步构筑“流域生态系统有限回归大自然”的理论框架。

6@Yx0f m:cu0

4弯道水沙特性

&] y AD4jb0

  本项研究是通过三项国家自然科学基金面上项目进行的弯道水流泥沙基本理论的系列研究,成果获国家教委科技进步三等奖。主要研究内容是揭示天然河流中最常见的连续弯曲河道水沙运动、床面切力、河湾岸蚀的规律;包括弯道水流运动的三维解法,环流及涡量分析,紊流强度与阻力特性,漫滩水流流速分布与滩槽流量分配,滩槽水流相互作用的射流边界层理论模式,连续弯道推移质运动规律与床沙分选和推移质输沙率,弯道二维悬移质含沙量表达式,粘性土的临界起冲切力,河流弯道蠕动的动量模式等。水利论文u9mP;R'Yxk9_

  本项目的主要研究结论有:弯道凸凹两岸区域的流速各自服从不同的分布规律,揭示了弯道阻力和能耗加大的机理;三维水流床面切力可同时确定大小和方向;阐明了弯道推移质运动规律,导出了弯道二维悬移质含沙量公式;阐明了岸蚀机理;讨论了预测河弯蠕动的方法;说明了自然界河弯半径与河宽之比介于24之间时蠕动速率最大的原因。水利论文gfM6E I8le6C

  与国内外弯道水沙基本理论研究相比,本项研究作出了较多的创新性成果。对均匀加糙床面,我们导出了水力光滑和水力过渡区的ΔP/τ的半理论公式;提高了ΔP的量测精度;切力方向判别自动化;发现弯道水流凸岸区服从对数分布,凹岸区服从抛物线分布规律;导出了凸凹岸的横向压力表达式和纵向垂线平均流速分布式,揭示了弯道水流阻力加大的机理;给出了弯道漫滩水流滩槽流速表达式;导出了弯道推移质输沙率和悬沙浓度二维表达式;用实验方法研究了粘性土在水流含沙浓度一定的条件下,冲刷率与临界起动切力(流速)的关系,初步阐明了岸蚀机理,并建立了河弯蠕动的动量模式。水利论文#e;?[2_[[!I$J

  通过本项研究,在国内外学术刊物和学术会议论文集发表论文50余篇,出版专著两本,培养博士生4名,硕士生5名。水利论文V&{t e)n)V

5河流反应与河道几何形态学

1[~N2s9A9a5n0

  这方面是与英国伯明翰大学长期国际合作的研究成果。通过该领域的研究,在国际重要学术期刊发表论文4篇,4篇进入SCI检索,出版英文专著“Fluvial Hydraulic Geometry”。主要成果包括:发展了冲积河流尺度确定的河相关系;把功率原理、冲积概率等引入稳定河宽确定中,作为预报稳定河宽的补充方程。应用概率熵的原理和方法,研究临界稳定渠道剖面形状;由极大信息熵原理导出了临界稳定渠道剖面形状分布计算式。计入二次流动量横向传递,首次导出了适用于均匀沙与非均匀沙河道稳定几何形态的分析解。将反映不同河岸稳定情况的河岸稳定性指标引入新的河道几何形态模型中,研究了河岸稳定性对河道几何形态的影响。在复式河槽流速、床面切力等的测试实验基础上,研究了复式河床平均流速、床面切力和紊流扩散系数沿横向的分布特性。综合上述研究,建立了新的河相关系理论。水利论文1wq%Dn]$G{y

6工程泥沙

SC?h2Jh&y0

  工程泥沙研究主要涉及兴建各类工程建筑所引起的泥沙问题。重点在水库泥沙淤积、通航枢纽的防沙措施、水利枢纽下游河床演变及其防治、取水工程与渠系泥沙问题、防洪工程及河道整治、以及与泥沙问题有关的工程管理等。

@ @K IZ8i1lV0

  水利枢纽的泥沙问题表现在电站进水口的泥沙淤积、进入取水口的泥沙沉积与粗沙对水轮机叶片的磨损、通航工程船闸引航道及口门的淤积。由于枢纽泥沙问题的复杂性(边界与水沙运动均极其复杂),应认真进行模型试验、合理布置建筑物、采取可行的引水防沙措施和优化水沙运行管理。在此方面,我们多年来进行了各种水利枢纽的泥沙模型试验,总结出一套电站进口泥沙处理工程 电站进口拦沙、分沙、排沙、飞沙工程体系;对进入电站引水口的粗颗粒泥沙采用多级涡管排沙方式,在较小耗水量下,排除90%以上的粗沙;对进入电站前池的泥沙,则可采用松动射流管道排沙技术来解决;对水库冲刷漏斗采用了原型类比、公式计算和模型试验三结合的方法,进行了新的探索。有效的工程措施是水利枢纽防沙的基础,而合理、优化的枢纽水沙运行、管理方式则是水利枢纽引水防沙工程措施发挥其有效作用的保证;二者相辅相成。对水利枢纽工程水沙调度运行方式,通过一系列的原型资料积累、模型试验和数学模型应用,提出了长江上游河道低闸枢纽水沙优化调度方式及相应的数学模型方法。通过对水库汛期水沙调度实测资料分析和数学模型验证、模拟,提出了梯级水库优化运行,按流量分级调度运行的数学模型确定方法。由此而提出了水利枢纽引水防沙工程应系统化的思路。

(}8Rdw o,t4M0

7泥沙测验水利论文9_hXv1SW4B

  泥沙测验是河流泥沙理论研究、工程设计、模型试验和河流模拟的前提和基础。通过与美国联邦政府地质调查局合作,并在水电基金资助下,对推移质采样器(MB-2TR-2)和临底含沙采样器(NBS-84)的采样效率率定和可靠性进行了系统的水槽实验研究。该研究包含了三个不同的方面:其一是对不同的采样器,进行采样效率的对比实验;主要对比了MB-2推移质采样器和TR-2推移质采样器的水力特性、采样效率。其二是探讨如何提高推移质采样器的采样效率,并通过实验改进采样器;其三是探讨如何提高推移质采样器的采样效率可靠性;通过不同比尺的采样器,探讨了比尺效应等因素对推移质采样器采样效率可靠性的影响。上述三方面系统实验研究,构成了采样器采样效率研究的有机整体,推动了这一领域的工作。

*Ao'L U8G?$`@x1~|0

8河流模拟

d!{:?'bds&\:\1a0

  河流模拟包括河工模型试验、河流泥沙数学模型两部分。在工程泥沙研究中两种手段既相互独立,又相辅相成。试验和电算密切配合的复合模拟手段,正逐渐成为河流泥沙模拟研究的重要方向。水利论文a#K8`5~G2?E

  自90年代以来,我们在开发河流泥沙一维、二维数学模型的同时,强化实体模型试验和数学模型密切配合的复合模拟探讨;在有条件下,尽可能采用实体模型试验和数学模型同步进行的方式研究解决工程泥沙问题,已有十余项工程泥沙研究采用实体模型试验和数学模型密切配合的复合模拟手段。水利论文9CyjT+]t4O Iv

  自然界的河流水沙问题属三维问题,要严格模拟水流泥沙运动及相应的河床变形,理应采用三维(或二维)模型。然而,时至今日,用二维、三维进行长河段、长水沙系列的河流泥沙模拟,还存在相当大的困难。在此情况下,河流泥沙一维(准二维)模型得到了长足进展。在80年代后期建立的CRS-1河流泥沙数学模型基础上,通过不断地加入成都科技大学泥沙室的最新研究成果及模型验证、复合模拟与实际应用,对CRS-1模型进行了一系列的修改、扩充,使其日渐完善,具有更广泛的实用性。目前,CRS-1河流泥沙数学模型已引入泥沙沿程分选和粗化保护层功能;既可算悬移质冲淤演变,亦可模拟推移质河床冲淤变化;既可算内地河道又可算潮汐河段;既可算单一河道也可算支流入汇;既可算顺直河道又能考虑弯曲河道影响;并能模拟河宽变化等复杂问题;具有较强的功能。在长江上游河流、水库、裁弯、防洪、护岸工程的河床变形计算中得到了广泛的应用;一些工程建成后,已经受特大洪水考验。

1m(r(qay*g+B3}0

  由于水工建筑物附近的河床变形、桥渡冲刷、取水口附近的河床变形、水库回水变动区通航河道演变等问题的解决,使平面二维泥沙数学模型得到了迅速发展。CRS-2模型除具备平面二维泥沙数学模型的基本方程外,在数值计算方法方面具有如下特色:为克服差分法边界适应性较差的特点,采用正交曲线网格,可根据河道水沙运动特点,密集某些区域的正交数值网格;提出了既可解决动边界又能解决双连通域等难题的“河床切削”技术;将镜像法用于闭边界的处理,满足边界过流量为零的条件,适应边界的弯曲变形,精度和稳定性高于三角形网格对边界的拟合。该模型在长江三峡库尾重庆河段、金沙江渡口河段等得到应用,与实际符合良好,表现出较强的模拟功能和较高的预报精度。

z!ks"an} u5N"L#E0

9新理论新方法在泥沙研究中的尝试

b;lO(]Eg0

  自80年代以来,人们注意到研究领域的两个值得注意的趋向和特点:一是许多学科前沿难题的突破,大多得益于学科(包括有关的边缘学科)间的交叉渗透;另一个则是一些新理论、新方法日益活跃的渗入或引入各类工程技术难题的研究。近年来,西方理论物理学界在研究无序的、非线性的广延耗散复杂系统取得了突破性进展,并广泛应用于许多工程学科。流域作为典型的非线性复杂系统,但其非线性特性研究尚缺乏。为此,我校大力开展河流泥沙非线性特性研究,取得了一些进展。

p"D1th/b0

  将仙侬信息熵的概念应用于长江上游卵石推移质粒径沿程变化的研究中,获得了卵石粒径沿程衰减的表达式,对三峡水库泥沙来源分析具有重要意义。参照人口控制演化数学模型,建立了江河卵石推移质输沙量时空分布基本方程。自组织临界状态理论和重正化群理论在非均匀沙起动研究中发挥了良好作用;用自组织临界状态理论论证了非均匀沙与均匀沙物理力学特性的区别;用重正化群理论给出了散体泥沙床面起动标准的定义和散体泥沙起动条件。利用70年代发展起来的现代数学手段分形(分维)几何学,对长江、黄河年悬沙量和长江推移质年沙量进行了分形特性分析,籍以判别年沙量变化趋势,并对卵石推移质输沙率的随机过程特性是否为马氏过程亦有所判别;表明长江、黄河年沙量过程具有持久的记忆性,沙量发展过程可能出现“良性循环”或“恶性循环”;推移质输沙率随机过程是否马氏过程,取决于采样时间间隔大小。将模糊数学方法用于泥沙起动研究。目前,正在开展流域泥沙、生态系统动力学特性与模型研究。水利论文FN ^d}7q

10研究发展方向与展望

G6F']cm Yz9Cz0

  以上介绍的仅是我校90年代的部分成果,且挂一漏十,未尽之处,在所难免。河流泥沙研究的内容十分丰富,有关的研究文献浩如烟海。但整个学科仍然不成熟,对经典泥沙问题的延伸较多,而突破性进展尚显不够;泥沙问题本是涉及流域系统的复杂科学问题,在科学交叉方面,管理科学、系统科学、环境科学和地学与泥沙研究的交汇融合深度、宽度仍显不足。尚有许多重要的泥沙问题未获比较满意的解决,有待进一步深入。而一些泥沙问题又会随着工程运行年限的增加而出现。反过来,这也正是下个世纪泥沙研究潜在的契机。

l o"t)l}5Z[0

  在内容上,泥沙研究将进一步与地质学、地貌学、流变学、胶体化学、生物学、生态学、环境科学和灾害学等学科相结合、相互渗透;在方法上,将进一步引入统计理论、系统分析、非牛顿流体力学和近代数学的知识;在实验研究方面,应改变目前的零乱状态,向泥沙实验系统化发展,为泥沙研究奠定坚实的基础;在泥沙基本概念与计算公式方面,需在系统的实验和原型观测基础上,去粗取精,去伪存真,提炼出一些在理论和实验上具有可靠基础并符合实际的计算方法或公式,改变当前存在的混淆和盲目性;在数学模型方面,在强化基本物理图景的同时,使数学模型向标准化、可视化和商业化发展,从而进一步对模型实现开放性检验与发展。在研究管理方面,应加强研究机构、研究学派间的相互配合、渗透、交流与资源共享;总之,在丰富经典泥沙研究的基础上,跳出传统河流泥沙的框架,使泥沙研究在新的层面上不断更新。水利论文I E$RU#`

 

k#yN_&_ZJ ?9K0
TAG: 泥沙 四川大学 曹叔尤 方铎 刘兴年
顶:12 踩:7
【已经有63人表态】
10票
极差
3票
很差
6票
较差
9票
稍差
11票
稍好
8票
较好
9票
很好
7票
极好
下一篇:河海大学泥沙研究进展及成果综述(汤立群,唐洪武,陈国祥)
上一篇:黄科院90年代泥沙研究进展(张红武,姚文艺,张俊华,钱意颖)
查看全部回复【已有0位网友发表了看法】

广告投放

广告投放