南科院近十年泥沙研究工作综述(窦希萍,张幸农)

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南科院近十年泥沙研究工作综述水利论文!r6Q5s8VI}4B

窦希萍张幸农
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  建国以来,南京水利科学研究院一直致力于河流、河口、海岸工程泥沙方面的科学研究工作,包括基础理论研究、实体模型试验以及数值模拟计算,承担了国家许多大中型工程项目的科研工作,范围涉及到全国几乎所有的河流、河口及海岸。尤其是近十年来,取得的工作成绩令人瞩目,共承担了近千项科研课题,编写了900多篇科研报告,解决了数百项工程的水流、泥沙问题,为国家经济建设发挥了重大作用,产生了巨大的社会效益或经济效益。同时,还十分注重基础理论的研究和高新技术的开发和应用工作,共发表了学术论文500多篇,出版了十多本学术专著。以下分几个方面简要综述这些研究工作及相应的研究成果。水利论文'e]M2dd Q

1水流、泥沙基础理论方面水利论文5^ ~P6?#vF

11高含沙水流运动的特性及其模拟技术

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  黄河为高含沙河流,其水流泥沙运动特性与普通河流大不相同。以窦国仁院士为首的研究组结合小浪底工程泥沙试验,深入研究了高含沙水流的流变特性、输沙规律、浆河及间歇流的特点、高含沙异重流的产生及河床冲淤平衡规律等问题,提出了高含沙水流宾汉极限切应力、极限含沙浓度以及挟沙能力的公式等。同时还研究了高含沙水流的模拟试验技术,论证了电(胶)木粉作为模型沙能够产生与天然泥沙相似的高含沙运动规律,设计了高含沙水流的泥沙模型,用于进行小浪底工程泥沙问题的试验,取得了令人满意的成果。水利论文8`| m;O7]Er:I,I

1.2波浪、潮汐共同作用下泥沙运动规律及其模拟技术

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  南科院近年来几乎与国际同行同时起步,着重研究了波浪与潮汐水流共同作用下的泥沙输移规律。几个课题组分别探讨了波、流共同作用下水流剪切力的分布规律,泥沙起动规律及输沙率等问题,并得出了相应的计算公式。依据这些成果,研究了波流共同作用下泥沙试验相似理论,并进行了相应的浑水动床模型试验,解决了工程泥沙问题。

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1.3泥沙模型相似理论水利论文8`Y-[W Tm

  泥沙模型试验是工程泥沙研究最主要的技术手段,研究泥沙模型相似理论是试验的基础。自70年代窦国仁提出的全沙模型相似理论后,近年来仍不断完善全沙模型相似理论和试验技术,如前述的高含沙及波、流共同作用下的泥沙模型试验等。另外还有其他研究工作,如泥沙起动相似条件(即河床活动性相似)采用新的相似判据,泥沙扬动相似条件以及其与沉降相似条件的关系、模型变率及各相似条件偏移对试验成果的影响等等。

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1.4河口、海岸粘性细泥沙物理力学特性及沉降规律

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  河口、海岸粘性泥沙居多,颗粒很细,极易出现絮凝现象,改变沉降规律,床底形成浮泥层等等。结合河口、海岸治理及港口航道工程的开发研究,已有多名研究人员从事这方面的理论研究,分别从不同角度研究了泥沙絮凝沉降规律和浮泥运动规律。例如,泥沙颗粒絮凝的机理,电解质浓度及含沙量影响作用,水流紊动条件与泥沙絮凝的关系、静水和动水中絮凝颗粒的沉降速度、以及浮泥的形成条件、范围及运动特性等等。

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  上述这些基础理论方面的研究工作意义深远,研究成果与国际先进水平相当,为多项工程泥沙问题的解决打下了良好的理论基础,其中有关成果获得了水利部和交通科技进步一、二、三等奖。

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2工程泥沙问题方面水利论文0~7b_$C'KoQ,M6L

2.1枢纽及其上游河道泥沙问题

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  近十年来,依据全沙模型相似理论,南科院相继进行了“三峡工程坝区泥沙淤积对通航和发电的影响及防治措施优选研究”和“三峡工程变动回水区涪陵河段泥沙问题的研究”二个八五科技攻关专题,以及黄河小浪底枢纽泥沙问题的模型试验。结合数学模拟计算,研究了三峡坝区河势变化、坝区泥沙淤积对枢纽发电和通航的影响、变动回水区泥沙淤积对航道的影响,以及小浪底枢纽泥沙淤积等等,预报了枢纽运行后各个时期的情况,并提出了相应的工程措施。为三峡工程蓄水方案、枢纽的调度运行、电厂和通航建筑物的布置、变动回水区航道整治工程、小浪底枢纽进水塔的防淤堵措施等重要关键技术问题提供了可靠的科学依据,其成果分别获得水利部或交通部科技进步一等奖。

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2.2河道防洪及其治理水利论文jKK(mE[){Pb

  中国大江大河泥沙问题多、洪水频繁,研究河道防洪和治理是十分急迫的任务。南科院经过十多年对长江南京河段的试验研究,从兼顾防洪、航运、城市和工厂建设各方面的要求出发,提出了一套完整的治理工程方案,工程实施后的事实证明,完全达到了预期的效果,保持了南京河段的稳定性,使南京新生圩新港区及沿江工厂企业的建设得到了保证。研究成果获交通部科技进步二等奖和南京市科技重奖。通过采用非稳定流模型试验技术,研究了淮河中游洪水调度的各种方案措施,对有关分洪、提高行洪能力的工程方案进行了试验研究,为淮河中游防洪规划提供了科学依据,获得了河南省科技进步一等奖。经过实体模型试验和数值模拟计算,研究了松花江哈尔滨市区段的防洪工程总体布局方案,论证了江道的开发治理的可行性,研究成果不仅为哈尔滨段的防洪规划提供了科学依据,而且也促进了城市土地开发,产生了巨大的经济效益。水利论文1M$GH3V9~(T7|

2.3内河航道整治工程水利论文"J'|{6H4P!T%i

  关于内河航道整治工程研究,南科院近十年进行了大量工作,先后进行了长江、西江、汉江、湘江、黔江、郁江、红水河等等河流航道整治工程的试验研究,为这些河道上的滩险整治工程方案提供了科学依据,涉及到的问题及取得的相应成果也是多种多样,如汉江航道整治研究,提出了游荡性河道上航道整治的理论和工程方案,研究成果获交通部科技进步二等奖;湘江航道整治研究提出了兼顾两岸航运及满足河道防洪要求的人工分汊工程方案,研究成果获交通部科技进步三等奖。对西江等西南航道,则主要进行了分汊石质急滩和变动回水区复杂滩治理的试验研究,另外还针对有关桥渡区航道的流态问题、船舶安全航行问题进行了河工模型试验研究或数值计算分析,以及船舶模型试验研究和内河航道船行波及堤防保护工程措施方面的研究工作。

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2.4潮汐河口治理及航道整治工程水利论文*^v@I)x7}0a u$`k

  中国大多数河口因泥沙淤积而形成拦门沙,成为河口地区航道及港口主要障碍。南科院在多年工作基础上,近年来承担了八五科技攻关项目“长江口拦门沙航道演变规律与深水航道整治技术研究”和“珠江崖门口航道整治技术研究”二个专题,全面研究了二个河口潮流、泥沙运动特性及拦门沙的形成与演变规律,提出了长江口深水航道长导堤和珠江崖门口航道的整治工程方案,研究成果为工程设计提供了科学依据,分别获交通部科技进步一、二等奖。与此同时,还进行了瓯江口、椒江口、鸭绿江口、射阳河口等河口治理的试验研究或数值计算分析,为这些河口的防洪、泥沙淤积治理、围垦造地、大型工厂企业的建立、城市污水的排放等等问题提出了工程方案或技术措施。

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2.5海岸演变及港口工程水利论文W[Q2~"_)s?x

  研究海岸演变、海岸侵蚀与防护、滩涂围垦促淤、港口选址、通港航道回淤、近海污染等等问题也是南科院泥沙研究的主要工作之一。近年来,粉沙淤泥质海岸建港的泥沙淤积问题十分突出,南科院承担了国家重点工程黄骅深水港的泥沙问题的研究工作,通过进行波浪和潮流共同作用下浑水动床模型试验,配合数值模拟计算,预测了泥沙淤积量和分布状况,提出了港池和出港航道的优化工程方案,研究成果获交通部科技进步二等奖。对汕头港外拦门沙整治工程进行了全面系统的研究,把波流共同作用下的沙质海岸推移质输沙率研究与实际工程问题密切结合,在输沙计算、回淤预报、航道稳定性判别以及动床模型率方面均获成功,研究成果为汕头港的建设提供了可靠的科学依据,并获交通部科技进步二等奖;此外,还进行了深圳赤湾港和蛇口港、宁波北仑港、辽宁锦州港、河北京塘港、广东中山港和黄浦港、江苏吕泗港等等一大批港口泥沙问题的研究析工作,为这些港口的建设提供大量的技术咨询。上述研究,尤其是淤泥质或粉砂质海岸演变和输沙规律的理论研究,以及其建港适应性和可行性研究,为我国海港建设积累了大量宝贵的工程经验。水利论文Y,eH/L2[u

3高新科技的开发及应用研究水利论文Wu h p8GN!z]

3.1数学模型及计算机应用水利论文#E&pq4jC.~8G

  与国际先进水平相比,国内水流泥沙数学模型及计算机应用虽然起步较晚,但进步速度神速,尤其是90年代后,这方面的进展可谓突飞猛进。近十年来,南科院利用数学模型,已成功地进行了许多项重大工程项目的研究工作,例如:三峡上游河段和三峡坝区泥沙淤积的二维数值模拟,黄河小浪底枢纽高含沙水流的数值模拟,以及长江口等许多潮汐河口、海岸地区的水流泥沙运动数值模拟等等。同时,在数值模拟技术的研究与应用上也进行了不少工作。在发展网格自动生成、动边界模拟、嵌套边界控制等技术的基础上,开发了二维悬沙、底沙数学模型,三维潮流全沙数学模型、大小域波浪折射、绕射联合运算数学模型等等技术,并在动态显示计算成果、试验,计算成果的图象化处理等等计算机应用方面取得了较大的进展。河流二维全沙数学模型研究获交通部科技进步二等奖,河口海岸泥沙数学模型水利部科技进步一等奖。水利论文,m+V\+c l Gm

3.2遥感技术的开发和应用研究水利论文*z B-n1wbZ;u

  卫星遥感技术是一门新兴的高新技术,目前已广泛应用于社会经济各个领域中。近年来南科院在原有工作基础上,遵循以应用研究为重点,紧密结合工程实际的原则,不断改进原遥感模型及其分析技术,建立和完善了泥沙含沙量遥感定量分析模式,对珠江崖门口等河口海岸地区在不同季节的涨落潮流特征、泥沙的来源及悬沙分布特征及运移特征进行追踪分析研究,逐步提高了精度。采用计算机图象处理技术,进行了绥中油田港区泥沙运动和海岸演变规律的研究,为港区选址提供了科学根据。另外,在内河港航工程方面,重点进行了遥感技术在河床演变分析和航道水深方面的应用研究。采用计算机图象处理技术进行河势演变分析,研究汉江航道整治工程方案及分析评价整治效果。研究成果获交通部科技进步三等奖。目前,研究人员仍在继续开发新的模型,进一步提高遥感技术的定量化水平。水利论文Wpf:d&w ^ y%n"}

3.3新型量测仪器设备的开发研究水利论文1e9Ay/b1PR9c!q

  近十年来,在泥沙专业研究的同时,南科院还十分重视量测仪器设备的开发研制工作。在原型观测仪器方面,承担了八五攻关专题“现场多功能定点观测系统研究”,开发研制了适用于河口、海岸地区可定点测量流速、流向、水温、水深、含盐度和含沙量六种水文参数的观测系统,研究成果获交通部科技进步二等奖。在模型试验仪器设备方面,开发研制了各类泥沙模型自动控制及试验数据采集处理系统,如潮汐模型的新型双向泵生潮系统,浑水动床泥沙模型的选沙、加沙及沉沙仪器与监测系统,波浪、潮流模型的生潮、造波及数据采集处理系统,以及在吸收国际先进设备基础上研制的水槽不规则造波机和港池可移动式不规则造波机。同时还进行了大量的改进提高工作,如研制了新型排除水质影响和提高精度的振动式跟踪水位仪、稳定性好精度高的新型通孔式旋浆流速仪。这些仪器设备的研制,促进和提高了泥沙试验的技术水平,有的填补了国内空白。水利论文2?j3^!EB4d\4v/w.C

4今后研究方向及展望

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  随着我国国民经济建设的迅速发展,急需解决的工程泥沙问题将越来越多和越来越复杂,泥沙研究面临的任务十分艰巨。从国际情况看,泥沙研究朝着理论更深入、手段更先进的方向发展,许多基础理论研究又日益被重视,研究的手段也渗入了大量的高新技术,尤其是计算机的应用。结合国内外情况,我们南科院将紧跟先进潮流,围绕着国家水利水运水电工程建设这个大目标,理论结合实际,以解决工程泥沙问题为主,并不断加强泥沙基础理论研究。具体拟开展以下研究工作:水利论文n;O%O8O[b&XL}

  1.水流泥沙基础理论的研究。包括挟沙水流紊动结构及输沙规律;大水深条件下泥沙起动、扬动及床面交换规律;非均匀、非恒定输沙规律;粘性泥沙物化特性及沉降规律;波浪潮流结构及其作用下的泥沙运动规律;盐水楔异重流特性及其作用下的泥沙运动规律;浮泥形成机理、力学特性及运动规律;泥沙模型相似理论及试验技术;泥沙三维数学模型的开发及计算技术等等。水利论文 jGn}b5T*fr5fB

  2.大江大河防洪及其治理技术的研究。包括各类河道洪水特性及防洪工程措施;各类河道水流泥沙运动及河床演变规律;枢纽调度的防洪效果及其对上下游河道演变的影响;枢纽坝区泥沙淤积规律及治理技术;平原河道崩岸机理及防治技术等等。

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  3.河口海岸演变及治理的研究。包括各类河口海岸泥沙运动及其演变规律;各类河口拦门沙演变规律及治理;波浪对海堤的侵蚀及其防护技术;挡潮闸下游泥沙淤积规律及治理技术等等。

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  4.港口航道整治技术的研究。包括各类河流、河口、海岸港口选址;不同类型码头前沿水流形态和泥沙回淤规律及治理技术;海岸港池和进港航道泥沙回淤规律及治理技术;挖入式港池泥沙回淤规律及治理技术;通航枢纽泥沙问题及治理技术;山区、平原河流和河口航道整治技术等等。水利论文6q NX JZD%B

  5.泥沙治理与环境保护的研究。包括水质污染及泥沙运动规律;污染泥沙工程治理技术;河流海岸疏浚抛泥与环境治理技术等等。水利论文us&_'A"A)e

  6.泥沙研究辅助技术的研究。包括新型流速仪、含沙量测量仪、动床模型地形测量仪的研制;河道非恒定流、潮汐水流、近海波浪水流泥沙试验控制及数据自动采集处理系统的研制;以及3s等高新技术的应用研究等等。水利论文mMrN.Im5](K

 

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TAG: 泥沙 研究 张幸农 窦希萍
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