中国水科院十多年来泥沙研究综述(胡春宏,周文浩)

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中国水科院十多年来泥沙研究综述水利论文o K&d6m4Fc

胡春宏周文浩
XI@yib'Gq;q#A"p0(中国水利水电科学研究院)

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  为适应我国大规模水利水电建设的需要,早在50年代水科院成立时,就设立了泥沙研究所(后改名为“河渠研究所”),主要任务是从事我国大江大河治理开发中的泥沙问题的研究,广泛开展了水库淤积、异重流、河床演变与河道整治、渠首和渠系泥沙问题等方面的研究,并先后开展了官厅水库淤积、永定河下游河床演变、三门峡水库淤积、黄河下游河床演变及河道整治的研究,以及荆江河段及南运河的河床演变研究,以后又将研究工作扩展到黄河上游的刘家峡水库、盐锅峡水库、西南的映秀湾水电站、龚咀水库、渔子溪水电站及以礼河水电站等泥沙问题的研究。我所为三门峡工程的建设和改建、为我国的江河治理和大型水利水电工程建设作出了重要贡献。当时,站在学科前沿的是以钱宁教授、方宗岱教授为代表的老一辈科学家。十年动乱中,泥沙所遭到毁灭性的破坏。1978年,在党的十一届三中全会的阳光照耀下,中国水科院泥沙所重建,全所现有科技人员50余人,设有河道、河口海岸、水库枢纽、水土保持与环境、山地灾害、泥沙数学模型等6个研究室,各类试验厅面积近10000平方米。近二十多年来,全所同仁,开拓进取,奋力攻关,取得了丰硕成果,累计完成各类科研项目400余项,获国家及省部级奖30余项,发表论文450多篇,专著近30本,为我国水利、水电事业作出了新贡献。水利论文e3Fz3AJy

1泥沙运动基本理论研究

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1.1泥沙运动的统计理论水利论文bRe^.a2T+`

  进一步完善了泥沙运动的统计理论(随机理论),研究了低输沙率的理论模式(1984)、微冲微淤条件下挟沙能力级配及有效床沙级配(19811990)、非均匀沙挟沙能力(19931998)、非均匀沙扩散方程及边界条件(19941997)、恢复饱和系数、推移质交换及输沙(19851987)等。自19801998年先后在中国科学、科学通报、力学学报、美国土木工程学报、水利学报、泥沙研究及国际学术会议发表有关的文章24篇,由科学出版社出版专著《泥沙运动统计理论》一本。美国流体力学百科全书曾辟专章予以介绍。该项目经国家自然科学基金委员会组织专家鉴定,认为“本项研究建立了较为完善的泥沙运动统计理论体系”,“难度虽大,但研究得比较深刻”,“有显著的开创性,达到了国际领先水平”,“推动了泥沙运动理论的发展”,同时有“广阔的应用前景”。本项研究曾获水利部论文一等奖(1991),国家自然科学三等奖。

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  在大量试验实测资料的基础上,对明渠挟沙水流运动的基本规律进行了系统的研究,其中包括清水流速分布和阻力规律,边壁对水流结构的影响、浑水流速分布和阻力规律、推移质和悬移质运动的力学和统计规律等,该项成果经鉴定达到国际先进水平,其中的部分成果曾获水利部科技成果二、三等奖,1995年由科学出版社出版专著《明渠挟沙水流运动的力学和统计理论》。

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1.2泥沙起动规律

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  在泥沙起动规律及起动流速方面进行了长期的研究(19781998),首先对起动机理做了深入分析,统一了输沙率与起动的概念,证实了起动时仍符合输沙率规律;给出了泥沙起动时有关的统计规律;提出了明确的起动标准;研究了大水深时起动流速变化;干容重对起动流速影响及其细颗粒成团起动问题。这些研究成果取得了不少进展,填补了起动流速研究的某些空白,并提出了某些新的研究领域,同时注重了理论和应用,所有成果均经过大量试验和实测资料的检验。先后发表论文近十篇,编写的专著《泥沙起动规律及起动流速》专著已由科学出版社出版。

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1.3水库淤积机理

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  多年来对水库淤积与河床演变(特别是坝下游河床演变)做了长期研究。在水库淤积方面基本完成了将其由定性的描述到定量研究的过渡,研究内容广泛深入,包括水库淤积的机理、水库泥沙运动规律,淤积形态和形成条件的定量表达,三角洲及锥体淤积纵剖面方程,横剖面塑造特点、异重流淤积及倒灌,变动回水区冲淤,推移质淤积,回水抬高,淤积物随机冲填时干容重确定,混合沙及其密实过程中干容重变化,淤积过程中糙率变化等。此外在水库淤积控制和调度方面,如水库长期使用的理论,变动回水区航道控制措施等也有奠基性的成果。先后发表论文二十余篇,汇集这些成果的《水库淤积》专著正在编写中,已出版的我国《泥沙手册》第九章“水库淤积”中也反映了这方面的内容。水利论文{y'n%wML,x

1.4泥沙交换与河床粗化水利论文v} y/m9N-r6y.R+V.{$k

  通过对悬沙与床沙交换的研究,从理论上最早证实了水库下游河道含沙量恢复距离很长的机理;在床沙粗化研究中,首次提出了交换粗化的概念,揭示了与冲刷粗化机理的差别,建立了其理论模式;通过汉江下游河床演变论证了来水来沙及其变化对塑造河床多方面的影响;分析了水库下游河床冲刷卵石下移,以及造床流量、河相关系及河型分析等。

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  此外,将天然河道概化为顺直、弯曲和宽窄相间三种复式断面形式,对复式断面水沙运动规律及滩槽水沙交换机理等进行了系统的试验研究。水利论文Lg%T yu

1.5环境泥沙运动力学

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  对天然河流重金属污染物的吸附和自净进行了静态概化模型试验,对泥沙不同运动方式,水流不同紊动强对重金属污染物吸附的影响,进行了初步研究,并对重金属迁移转化的数学模拟进行了探讨。水利论文/GkPcM&V B;[ t

2黄河治理与小浪底工程泥沙问题的研究

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  黄河治理一直是我所的研究重点,十多年来,我所参加的主要项目有:(1)国家自然科学基金重大项目“黄河流域环境演变和水沙运动基本规律”,承担了黄河下游输沙能力专题的研究,提出了黄河下游不同粒径泥沙输移及输沙入海的数量和规律,还对河口延伸的影响作出了分析。该项目获得中国科学院自然科学一等奖。(2)黄河“八五”攻关项目“黄河治理与水资源开发运用”中与黄科院共同主持了“黄河下游河道演变基本规律”专题,首次阐述了三门峡水库不同运用方式下,下游河道不同粒径泥沙的输移和调整规律,发现了高含沙水流中不同粒径泥沙的输移规律,特别是高含沙水流通过下游河道时的沿程淤积、悬沙分选及细化以及断面的形成条件。还进行了滩槽水流泥沙交换的水槽试验,揭示了水流泥沙交换的内在机理及黄河下游河道纵横剖面的调整机理等。黄河“八五”攻关项目中,还参加了“黄河水沙变化及下游减淤措施的研究”、“黄河下游数学模型”、“黄河下游游荡性河段河道整治”等专题研究,建立了水土流失-河道演变-河口泥沙数学模型,在黄河中下游的数学模型上取得了进展。“八五”攻关3个专题分别获得水利部科技进步一等、二等、三等奖。(3)承担了水利部水沙变化基金中“黄河流域水沙变化对黄河下游河道影响”的研究。目前正在从事国家自然科学基金重大项目中“泥沙运动对江河洪水灾害特性的影响机理”课题的研究。(4)小浪底工程是黄河中游在建的以防洪、减淤为主的大型水利工程。从70年代末起,我所就参与了小浪底水库对下游河道影响的分析、计算、论证工作。从1984年起,承担了小浪底工程布置及泄洪洞、排沙洞、电厂引水洞进口减淤防堵悬沙模型试验,历时八年,完成了小圆塔、龙抬头等五个布置方案的试验研究。对枢纽布置提出了一系列减淤防堵的重大建议;如枢纽布置必须使水流在风雨沟内(泄水建筑物进口)形成一个有利于减少进口前淤积的逆时针回流;在风雨沟口建立导墙,迎送水流,使在进水口前形成有利的水流流态,减少进水口前的淤积;各泄水建筑物进口“一”字型排列,以避免局部回流在进水口前形成局部淤积;设置排漂洞并提出其最佳位置,使漂浮物顺利排出库外;取消电厂引水洞与排沙洞进口的排污井,避免两者水流的相互干扰;以及和泄水建筑物运用先里后外,以增加进口前的水流流速,减少泥沙淤积等等。这些建议均为黄委设计院采纳,为改进枢纽布置作出了贡献。该项目获得水利部科技进步一等奖。水利论文SOi DA(Y

  此外,在治黄方略方面,方宗岱教授提出了利用高含沙水流调节小浪底水库及治理下游河道的设想,尹学良教授提出的重视黄河下游河性,减少或制止小水淤积等建议,受到了各方面的重视。

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3长江三峡工程泥沙问题研究

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  长江三峡泥沙问题及洞庭湖淤积等有关问题是十多年来我所一直连续不断研究的重要课题之一,主要的工作有:(1)长江三峡工程重庆河段泥沙模型试验,研究三峡工程修建对重庆河段泥沙淤积及其对航运条件的影响,先后完成了160m170m175m水位方案的推移质及全沙淤积试验,整治工程对改善航道的长系列试验等,回答了三峡不同蓄水方案重庆河段淤积量、淤积分布及对航道的影响,论证了如果采取一定措施,三峡工程重庆河段的泥沙问题是可以解决的。同时对于模型技术,如大比尺模型时间变态相似,模型沙基本物理特性,几何变态对推移质泥沙运动的影响等,进行了理论研究。经过专家鉴定,试验成果达到了国际先进水平,部分达到国际领先水平,并获水利部科技进步一等奖。(2)1983年至1985年,研究了三峡水库150方案的冲刷及下游河道淤积,最早给出了计算成果及初步回答了水库淤积中的各种问题。(3)“七五”国家重点科技攻关项目75060102,即三峡水库淤积研究。先后完成水库长期使用、数十个方案水库淤积预报及分析、变动回水区的冲淤、以及航道控制措施等研究成果共18篇。成果达到国际先进水平,部分国际领先,获得了水利部科技进步一等奖。(4)负责“七五”国家重点科技攻关75060105专题,与其它单位一道较全面地研究了水库淤积及下游河道冲刷,得到了较为全面的初步成果。专题被鉴定为国内领先、部分成果达到国际先进水平,水科院承担的子题被鉴定为国际先进水平。(5)在“八五”、“九五”期间,进一步研究了三峡水库下游长距离冲刷、下游河道冲刷过程中对荆江三口分水分沙及荆江与洞庭湖防洪影响。(6)三峡论证领导小组批准的“三峡水库和下游冲刷对荆江和洞庭湖冲淤及防洪影响”研究,提出和证实了三峡水库和下游冲刷带来的、三峡工程另一重大防洪效益:第一,当枝城流量53000m3/s67000m3/s时,冲刷50余年时,在荆江水面不抬高的条件下,可加大泄量7000m3/s8500m3/s。第二,三峡工程正式运用82年后,考虑了洞庭湖减淤及城陵矶水位降调,估计可使洞庭湖有效湖容多保留约40×108m3。两者合计相当增加三峡水库防洪库容73.5×108m3。此外,在三峡坝区河床演变分析、溪洛渡或向家坝兴建后对三峡水库淤积影响等方面也做了大量工作。

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4河口与海岸泥沙研究水利论文'dQ(F;PDAz+N B

  随着胜利油田的发展和黄河三角洲的开发,黄河河口的治理,已成为新的热点。我所从80年代初期,就着手系统研究黄河河口的变迁,于19869月提出稳定黄河口流路在清水沟及其以南,且清水沟流路还可以安全使用50年而不必加高西河口大堤。“八五”攻关中主持了“黄河口演变规律及整治研究”专题,根据河流动力学和海洋动力学的基本理论以及黄河口的工程实践经验,采用资料分析、数学模型及卫星遥感等先进技术相结合,对多沙的黄河河口冲淤演变规律进行了全面、系统、定性与定量相结合的研究,突破了前人认为的黄河三角洲“大循环”、“小循环”的传统演变模式,进一步论证了清水沟流路可以使用50年以上;首次根据径流、潮流、风成流、波浪、多个分潮、絮凝及动床阻力等诸多因素,建立了适用于多沙的黄河河口的平面二维数模;提出了西河口水位抬高原因的新见解;提出了对清7#以下允许流路适当摆动和结合油田开发及泥沙利用调整口门的措施;肯定了疏浚在河口治理中的作用;系统研究了海洋动力和河口淤积延伸互相影响的机理;首次阐明了黄河口拦门沙发生的部位、形成过程、演变特性及对上游河道的影响,建立了黄河口拦门沙演变模式。成果的应用可为国家创造40亿元的经济效益。该专题获水利部科技进步一等奖,国家科技进步二等奖。在UNDP资助项目“支持黄河三角洲可持续发展”的研究成果中,预报了河口六条流路演变全过程和使用年限,为得出黄河三角洲流路今后使用100年的结论提供了科学依据;最近,在“黄河口海岸泥沙输移规律和演变机理及湿地变迁的研究”中以波浪、潮流作用下近底水体的湍流猝发解释了河口地区泥沙一经起动立即进入悬浮状态,得出了波浪潮流作用下的挟沙能力公式,破波带内泥沙运动机理;对尾闾河道输沙比降及河口延伸距离的关系提出了新见解;在分析河口湿地的成因,形态演变的动力机制及泥沙运动分析的基础上,引入灰色理论和拓扑技术,预测了黄河河口的来水来沙量和湿地面积变迁趋势,并开发和建立了适合黄河河口海岸的湿地形态模型。水利论文'n-e S @0u r*hA8D U2Bj

  此外,还进行了长江口泥沙问题的研究。在海岸泥沙方面进行了连云港大革码头、家州湾核电厂引水工程等泥沙冲淤预估研究。水利论文.]7W.PK"xY

5水库淤积及工程泥沙问题

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  水库淤积与工程泥沙问题是我所研究的另一重要领域,取得的主要成果有:(1) 80年代中期进行了官厅水库的淤积及水库防淤减淤措施的综合研究,系统地分析了官厅水库的来水来沙过程及发展趋势,水库淤积规律,提出了可供选择的水库泥沙治理方案及泥沙利用方法,该成果获北京市科技进步三等奖。目前正在进行官厅水库泥沙治理措施的研究,重点研究疏浚的可行性。(2)研究了丹江口水库淤积和坝下汉江中下游冲刷,得出了规律性的认识,先后发表论文近十篇,并带动了其它单位的研究。在“七五”国家重点科技项目攻关期间,又对水库淤积和坝下游冲刷(大坝至武汉长600多公里的河段)进行了20年左右的冲淤验证,结果符合实际。其中水库淤积验证被鉴定为国际先进水平。(3)对三门峡水库淤积进行了验证,先验证了19607月至19896月,共30年水库冲淤过程;后又对异重流进行了验证,验证结果颇为满意。在此基础上还对小浪底水库各种方案下水库淤积进行了预报。(4)利用实体模型和数学模型对刘家峡水库洮河口的泥沙淤积及加高排沙洞进行异重流排沙的可行性进行研究和论证。此外对云南漫湾水库、岷江紫坪铺水库、潘家口水库、辽宁的白石水库、丹江口水库、三门峡水库、大藤水库、东风水库、向家坝水库等的水库淤积进行了实体和数学模型预报,取得了较好的效果。(5)水利部重大科技项目洞庭湖减淤措施及江湖关系研究。进行了数年研究,摸清了分流河道冲淤、洞庭湖淤积的规律,全面揭示了江湖关系内在联系。特别是其对防洪影响的成果有独到之处。关于1998年洪水位超高原因解释及长江中游防洪的新形势出现有颇深刻的看法。

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6泥沙数学模型研究水利论文#R!Q8_lR*}%Dx

  通过多年研究和开发,在水库淤积、河道演变、河口演变等方面已有整套成熟的数学模型,一维非均匀不平衡输沙数学模型经过多年的补充、发展和完善,做到了泥沙计算详尽,功能全面,参数颇为固定,通用性好,理论基础踏实,先后经过20多个河道、水库资料检验,表明符合实际,并在十多个大型水利水电工程中应用。先后发表有关论文二十余篇,模型处于国际先进水平,1986年获国务院电子振兴领导小组一等奖,水电部科技进步二等奖,1998年获国家科技进步三等奖。美国正在编写的“国际水库泥沙手册”,已分两章专门介绍此模型,并列有研究实例一篇。水利论文/Q!H.i.|"C:RY$O

  在平面二维数学模型方面,首先建立了一个同时适用于海湾和河道不平衡输沙模型,经过实际资料检验,先后用于连云港码头航道冲淤分析、泉州湾核电站海内引水渠冲淤分析以及南水北调江口引江济汉工程引起的长江河床演变。我所建立的多沙河口的模型为平面二维冲淤数学模型,考虑了波浪潮流等因素,并在一些重要河口广泛应用。在河口湿地模型上也取得了新的进展:一是原有的黄河河口模型,在考虑了河流动力和海洋动力,如径流、潮流、风吹流、波浪、泥沙絮凝、动床阻力后,已形成一套比较成熟的适用于多沙河口的较为完善的冲淤模型;二是在根据波浪掀沙机理,湍流猝发理论,海域波浪向海岸传播过程,河口演变对尾闾河段的影响,引入灰色理论和拓扑技术等,开发了适合黄河河口海岸应用的湿地形态模型。该模型为平面二维、动边界、非稳定、不平衡、非均匀沙水流泥沙数学模型,能反映黄河河口含沙量变幅大,海岸变化剧烈的特点,反映径流、潮流和波浪等动力作用下不同粒径泥沙的输沙特性,以黄河口实测资料验证,与实测资料符合良好。水利论文)p`AZ-v2c8P

  采用曲线坐标,利用全隐式差分法求解建立的二维不平衡输沙河道泥沙数学模型,对丹江口水库不平衡输沙观测河段、长江三峡坝区、荆江陡湖堤河段等资料进行验证和预报,无论流场和冲淤分布、计算结果都颇为满意,模型达到了先进水平。水利论文~/yzE} \!@

7火电站、核电站泥沙问题研究

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  90年代是我国电力建设飞速发展的年代,在大力进行水电建设的同时,火电建设工程突飞猛进,大机组成为火电厂的主体机组,一批新建火电厂,如湖南湘潭、望城、益阳,江西井岗山、丰城、南昌、新昌,四川广安,内蒙达拉特、托克托、垡海,湖北襄樊,山西阳城,河北黄骅,江苏连云港核电厂等,其建设规模由上百万到几百万千瓦装机,取水及工程泥沙问题的论证成为可行性研究和初步设计阶段的重要内容。内蒙达拉特电厂,装机500万千瓦,其上游的包头钢铁厂出现了多次改建取水口工程的经验教训,要求该工程取水口位置及型式和防沙措施必须建立在取水可靠的基础上。托克托电厂厂址河段97%的枯水流量为17m3/s,而取水工程要求取水流量高达16m3/s,采取一定的工程措施及工程布置成为该工程的关键。与此同时,还有一些扩建的火电厂工程,如宁夏石咀山、贵州盘县、天津盘山和湖南石门等,同样存在这一问题,石咀山电厂一期为小机组,采取直流供水,电厂投入运行以来,取水工程运行良好。扩建工程取水口位置必须在该河段另建。能否选到合适的位置及直流供水成与否是扩建工程中首先回答的问题。还有一些电厂在运行中出现取水困难和供水工程等问题,如重庆电厂、云南宣威电厂等。研究工作中,通过包括河床演变分析、数学模型和实体模型等研究手段,特别是泥沙动床模型试验,论证取水河段的水流特性和河床冲淤变化规律,确定取水口位置、取水建筑物型式、工程措施等,以确保电厂长期、安全、经济运行。到目前为止,有达拉特、湘潭、丰城、井冈山、广安、阳城等一批新建电厂陆续投入运行,为我国经济作出了巨大的贡献。水利论文1IE? } B&_~4{(\

8泥沙灾害研究

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  我国典型泥石流沟有8500余条,大小崩塌不计其数,因崩塌、滑坡、泥石流、高含沙洪水而带来的灾害相当严重。我所山地灾害研究室一方面从事山体崩塌、泥石流、高含沙水流等方面的理论研究,另一方面也进行与生产工程实践相结合的工程项目。近五年来进行了边坡崩塌的试验研究,探讨边坡崩塌的时机和规模,为山地灾害的预测及制定防止对策提供理论依据。由于崩塌土在崩塌过程中容易形成天然坝,进行了天然坝溃决机理及其泥石流洪水流量预测的研究。针对泥石流的形成与流动对主河的影响问题,进行了泥石流入汇与主河水流掺混机理及其对主河河床演变的影响进行了研究。不论是天然坝溃决形成泥石流,还是支沟泥石流入汇,都对主河河床演变带来很大的影响;同时泥石流入汇与主河水流掺混又会转化成高含沙水流,为此,开展了汇流分流对高含沙水流稳定性的影响;断面扩大缩小对高含沙水流稳定性的影响;以及比降增大减小对高含沙水流稳定性的影响。对暴雨形成的崩塌-泥石流-高含沙水流等多种灾害进行了研究。崩塌土的成灾范围以及崩塌土流动化机理、泥石流的汇流形式及其与主河河床演变的关系、高含沙洪水的稳定输送等方面仍在继续研究。

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9渠系泥沙研究

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  关于渠道泥沙问题的研究,“八五”攻关中,我所主持了“引黄渠系泥沙利用系统”专题,及对平原排水影响研究总结了引黄泥沙利用研究与实践的经验,研究了簸箕李灌区水流泥沙运动规律,引黄泥沙长距离输送,引黄灌溉发展趋势及对策,建立了引黄灌区渠网数学模型,该专题获水利部科技进步三等奖。水利论文 A/{Z.o0xjR

  此外,还进行了小开河泥沙长距离输送的研究、山西浪店水源工程泥沙问题研究及胜利油田引黄取水新模型等研究。水利论文-Q0a ]l2c

10河道整治

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  先后完成了黄河下游河道、永定河官厅以下河道、松花江哈尔滨河段的防洪及河道整治、塔里木河整治、嫩江引嫩渠首江道整治等实体模型试验。其中引嫩试验使引水渠流量从18.5m3/s提高到35m3/s,并研究了达到50m3/s的可能性。

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  中国水科院泥沙所与兄弟单位一样,当前正面临着激烈的市场经济冲击和新一轮的科技体制改革,我们将励精图治,奋发图强、有信心迎接新世纪的挑战,为我国的水利水电事业作出更大的贡献。

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