河流泥沙研究进展
班级 20101501
学号 2010150131
作者 刘力
摘要:泥沙研究主要是认识水流中的泥沙运动规律、河床演变规律, 进而解决水利工程中的泥沙问题。泥沙学科体系始建于20世纪, 侧重河流泥沙研究。河流泥沙运动力学基本理论包括:泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等。在长期的治河实践中, 我国的泥沙科学发展迅速, 主要进展包括:泥沙运动力学基本理论, 高含沙水流的运动机理与理论, 河流模拟的理论与技术, 水库泥沙的对策与管理, 河道演变规律的认识及治河工程技术等。本文对河流泥沙研究的主要进展进行简要综述。
关键词:河流泥沙；研究进展
前言：河流泥沙学科是一门综合性的基础技术科学, 研究泥沙在流体中的冲刷、悬浮、输移和沉积规律, 是水利学科的理论基础之一。河流泥沙研究则将挟沙水流自然现象和生产应用中的各种泥沙运动作为研究对象, 包括了泥沙运动力学、河床演变与整治、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容, 涉及水文学、水力学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多个学科。在细观尺度上, 研究泥沙颗粒在流体作用下起动、翻滚、跳跃、悬浮、输移和沉降等过程; 在宏观尺度上, 则研究泥沙运动所导致的地貌发育和环境演变; 在更大的时空尺度上, 还研究泥沙运动导致的固体物质从山区搬向平原和海洋、形成冲积平原和三角洲、以及在海洋环境中沉积等过程(钱宁,1983) 。作为河流泥沙学科研究的应用方面, 目前主要面向水利工程中的泥沙问题, 今后对生态、环境等方面的影响将不断加大。
1、河流泥沙的研究历程
河流泥沙研究的历史可以追溯到公元前256年的战国末期, 当时李冰父子在修建都江堰工程时巧妙地利用了水流泥沙运动规律, 工程布局完全符合现代泥沙运动力学原理, 使都江堰工程至今已经成功运行2261年。尽管国内外河道治理不乏成功的例子, 但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。早在19世纪末期, 法国的DuBoys (1879) 第一次提出推移质运动的拖曳力理论。Gilbert (1914) 在20世纪初通过水槽试验研究推移质泥沙的运动规律, 最早建立了推移质运动的模式和计算公式。Rouse (1938)等在20世纪30年代初类比分子扩散理论, 导出了著名的悬移质泥沙浓度分布公式, 至今还在广泛应用。
一门学科通常都是在长期实践基础上, 由科学家不断提炼和升华而建立的, 泥沙学科也不例外。在欧美,Einstein 、Bagnold 、Engelund 等奠定了泥沙学科的基石。泥沙运动既是确定的也是随机的, Einstein(1950)首创用统计方法研究悬移质输沙率和推移质输沙率, 导出泥沙挟沙力的计算公式。特别突出的是能进行非均匀输沙的计算。此外,Einstein 还定义了冲泻质和床沙质的概念, 提出了冲积河流阻力划分与计算方法。Bagnold 注重泥沙运动的物理本质, 用基本物理概念和物理过程描述方法来研究泥沙运动规律, 所建立的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式, 物理概念明确、理论分析合理, 具有较好的计算精度。特别是关于颗粒作用的同心圆筒试验研究, 揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性(碰撞) 作用的机理, 深刻地揭示了颗粒作用的实质。这一试验成果不仅对泥沙研究起到了重要的推进作用, 而且也是80 年代兴起的快速颗粒流研究的基础。Bagnold 提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被称之为拜格诺数(Bagnold Number) 。Engelund (1966 ,1974 ,1982)基本上遵循Einstein 和Bagnold 的概念和体系, 结合经验总结进行了深入研究。
在我国, 张瑞瑾(1961) 、沙玉清(1965) 、钱宁(1983) 等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础。随着50 年代以来大江大河治理的推动, 逐步发展与完善了泥沙学科体系; 在理论研究上取得了国际领先水平的成果; 在应用上成功地解决了许多重大工程泥沙问题, 如长江葛洲坝工程、三峡工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。
2、我国河流泥沙研究的成就
我国河流众多, 流域面积100km2 以上的河流达5万多条, 流域面积1000km2以上的有1500多条。这些河流具有两个突出特点:一是水资源时空分布极不均匀; 二是挟带大量泥沙, 特别是北方河流, 由于水土流失严重, 大量的泥沙被挟带到河流中, 形成多沙河流, 其中尤以黄河闻名于世界。泥沙造成河道和水库的累积淤积, 不仅给水利水电工程建设带来了许多问题, 也给河道防洪、沿岸工农业发展和人民生活带来了严重的影响; 因此泥沙问题的研究具有重要意义(胡春宏,2001) 。随着大江大河治理的推动, 泥沙学科在我国蓬勃发展, 取得了巨大成就, 既建立了泥沙学科的理论体系, 还应用泥沙运动基本理论解决我国重大水利水电工程和河道、海岸治理工程的关键技术问题。主要进展包括:泥沙运动力学基本理论, 高含
沙水流的运动机理与理论, 河流模拟的理论与技术, 水库泥沙的对策与管理, 河道演变规律的认识及治河工程技术等。
2.1、河流泥沙运动力学基本理论
2.1.1、泥沙的沉降特性
泥沙在水体中的沉降速度是研究挟沙水流运动特性的基础。基于Stokes 关于圆球颗粒在无限水体中运动的水流阻力公式, 张瑞瑾、窦国仁、冈恰洛夫、沙玉清等学者对泥沙沉降规律都进行过深入的研究。张瑞瑾(1961) 、窦国仁(1963)采用阻力叠加原则, 导出单颗粒泥沙在滞流区、过渡区、紊流区的统一沉速公式。特别是窦国仁关于圆球绕流在过渡区阻力的理论分析, 拓宽了Stokes 的理论。相对而言, 单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确, 而群体颗粒的沉降规律相当复杂, 对其沉降规律还认识不透。
在高含沙浑水中, 由于絮凝作用和网状结构的存在, 泥沙颗粒的沉降特性发生了很大的变化, 远比清水及低含沙浑水中情况复杂。此时, 颗粒下沉时不是彼此互不干扰以单颗粒形式下沉, 而是互有干扰, 部分颗粒或全部颗粒成群下沉。天然高含沙水流中一般含有较多细颗粒的非均匀沙, 由于在沉降过程中, 会发生絮凝现象, 粗细颗粒沉降过程和特性相差很大, 机理极为复杂。上世纪70年代末期, 钱意颖(1980) 、张浩(1980) 等人曾对这一问题进行过试验研究, 得出非均匀沙群体沉速与含沙量的关系。王兆印(1984) 等提出泥沙浓度对沉降速度影响的公式, 杨美卿(1986) 研究了高含沙紊动对絮凝结构的影响。钱宁、万兆惠(1985) 在综合分析各家研究结果的基础上, 将上述沉降过程依据含沙量和物质组成不同, 划分为3 个区:离散颗粒与离散絮团制约沉降区, 离散颗粒在絮网结构体中沉降区, 絮网结构体作整体缓慢下沉区。各区的群体沉速计算复杂, 现有的研究成果有限(夏震寰,1982 ;费祥俊,1992) 。
2.1.2、泥沙的起动特性
泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一, 也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。早在19世纪就提出了泥沙起动的概念,20世纪初开始了系统的研究, 至今仍在继续(窦国仁,1960 ,1999) 。从力学角度分析, 所谓泥沙起动就是床面上的泥沙在一定的水流条件作用下, 静平衡状态被破坏, 由原来的静止变为运动状态的力学过程。一般而言, 泥沙颗粒在起动时主要受到水下重力、水流的正面推
力与上举力、以及颗粒间摩擦力和粘结力(或吸力) 的作用。通常用起动流速或起动切应力表示泥沙的起动条件。
目前就天然均匀沙起动公式来说, 起动流速公式在形式上差别不大, 一般与粒径的1P3指数方、水深的1P6指数方呈正比, 但其它系数取值离散度较大(沙莫
夫,1959 ;唐存本,1963 ;张瑞瑾,1961 ;窦国仁,1960 ,1999) 。张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力是由颗粒间的吸着水与薄膜水不传递静水压力引起的, 从而推导出了均匀散粒泥沙与粘性细泥沙在内的统一的起动流速公式。窦国仁(1999) 对颗粒间的粘结力、水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。通过瞬时作用流速分析, 明确了三种起动状态间的关系, 消除了起动切应力和起动流速间的不协调。对得出的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证, 该公式较好地反映了粗、细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律。对散体泥沙, 希尔兹(Shields)提出了临界相对切应力与沙粒雷诺数关系曲线。为避免试算,van Rijn (1986) 对此作了改进, 建立了临界相对切应力与泥沙粒径参数之间的显式函数关系。关于Shields 曲线的其它显式表达公式还有Brownlie (1981)和Vajda (1991) 。以往关于起动特性的试验研究, 水深(或水压) 相对较小, 在水深较大的天然河道中偏差较大。对于高水压条件下的起动条件, 万兆惠(1990) 和Shvidchenko and Pender(2000a , b) 等进行了试验研究。饶庆元(1987年) 根据长江下荆江中洲子和上车湾人工裁弯新河原状固结粘性土的水槽试验成果和天然实测资料导出了相应的起动流速经验公式, 实用性较强。
由于沙粒在床面位置、排列情况、相对暴露度等因素的影响, 使得非均匀沙的起动规律更加复杂。尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证, 但公式在形式及计算结果上相差较大。秦荣昱(1980) 认为较细颗粒承受的附加阻力与非均匀沙的平均抗剪力成比例, 由此得出了非均匀沙各粒径组的起动流速公式。Shvidchenko (2001) 试验表明非均匀沙的起动与非均匀沙的组成特性及底坡等众多因素有关。
韩其为在泥沙起动规律及起动流速方面进行了长期的研究, 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。这些研究成果经过大
量试验和实测资料的检验, 成果总结出版了《泥沙起动规律及起动流速》专著。
2.1.3、挟沙水流运动特性
挟沙水流运动特性研究包括泥沙浓度分布、流速分布、紊动特性等方面的内容, 是河流泥沙研究的基础课题, 中外学者从不同角度开展了大量研究, 已经取得了丰富的成果。
泥沙浓度分布公式是最基本的理论研究,Rouse 首先引入扩散理论导出浓度分布公式, 开创了理论研究的先河, 至今已经提出了多种不同的理论模型。除了泥沙浓度分布的扩散理论外,Velikanov 提出的重力理论独具特色, 揭示出泥沙运动的能量耗散图景。关于泥沙浓度分布的主要进展在一般的教科书中都有详细的论述。倪晋仁(1991) 从理论上揭示无论采用扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论, 在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式, 而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥沙浓度分布公式的统一模式, 使得著名的Rouse (1937 ,1938) 、Velikanov (1958) 、Laursen(1958 ,1980) 、Hunt (1954) 、Tanaka (1958) 、Lane2Kalinske (1941) 等公式都成为特例。倪晋仁、王光谦(1991)提出浓度分布存在两种典型类型, 即传统的浓度上小下大的Ⅱ型与最大浓度不出现在底部的Ⅰ型。过去关于浓度分布的研究都是针对Ⅱ型的; 一些试验成果曾揭示出Ⅰ型分布, 但是没有从机理和理论上分析。针对Ⅰ型浓度分布存在的事实, 首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理; 进一步类比气体分子运动论, 从Boltzmann 方程出发导出能够描述Ⅰ型分布的浓度公式, 并预测最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。最近他们又把研究推广到较高浓度的条件下(2002) 。
鉴于Rouse 等提出的含沙量沿垂线分布公式, 均为S P Sa 的相对表达形式, 近底参考点含沙量Sa 又往往难于确定, 而许多生产设计问题需要确知的是绝对含沙量的沿垂线分布。因而必须探求直接求绝对含沙量沿垂线分布的办法。张瑞瑾(1961) 通过对实测含沙量沿垂线分布规律的分析, 提出了独具特色、简单实用的计算绝对含沙量分布的“经验公式”。谢鉴衡把参考点不选在河底, 而选在含沙量等于水流挟沙力(即取Sa = S 3 ) 处, 根据Rouse 含沙量沿垂线分布公式, 推求得到相应的绝对含沙量沿垂线分布公式。丁君松把参考点选到含沙量等于垂线平均含沙量(平衡情况下, 垂线平均含沙量等于水流挟沙力S 3 ) 处, 按容积法和流量法
两种模式, 把常见的几家相对含沙量S / Sa 的表达形式, 转换S P Spj 、S P SpjQ 的表达形式。
研究挟沙水流的速度分布本质上涉及湍流模式问题。通常, 有“浑水模式”和“两相流模式”两种方法(倪晋仁,1991) 。“浑水模式”对于水沙两相速度接近的流动是合适的; 对于颗粒较粗、存在较大相间速度滑移的流动, 需要应用“两相流模式”。曹志先等(Cao et al . 2003) 对国外“浑水模式”和“两相流模式”研究作了概括性论述, 并以泥沙颗粒相对于湍流的长度尺度、空间尺度和速度尺度为主要参数提出了一个水沙混合流流速分布模式。
变κ模式的对数律是挟沙水流时均流速分布的主流观点, 但是也存在在以尾流律否定对数律的观点。王兴奎(1989 ,1992 ,2001) 通过对大量实测资料分析, 从理论分析的基本物理图形、资料的分析整理方法、回归参数的选取和确定、预报精度等不同角度对两种观点进行了深入研究和分析论证, 表明尾流律的观点在理论和应用上都没有依据否定对数律的观点。
挟沙水流紊动结构研究方面,20世纪60初期, 张瑞瑾曾在水槽中对清水和一般挟沙水流的紊动特性进行了观测分析, 发现近底范围挟沙水流紊动强度较清水弱。此后, 国内学者采用激光流速仪、超声多普勒流速仪研究了水流携带泥沙以后紊动结构的变化, 不同泥沙颗粒粒径、水流强度和浓度条件下紊动强度大小和分布(陈立,1997 ,2003 ;刘清泉,1996) 。王兴奎通过对挟沙水流水槽试验资料分析, 深入研究了悬沙紊动流场的内部结构和泥沙运动的各种脉动特性。发表的试验资料与Einstein 、Vanoni 和Coleman 等经典试验资料一起, 被广泛应用于理论模型或数学模型验证。
2.1.4、推移质运动规律
推移质运动理论从研究方法上划分, 存在着不同流派, 如以试验资料为基础的Meyer - Peter (1934 ,1948) 公式、以物理学概念和力学分析为基础的Bagnold
(1966) 公式、以概率论和力学分析相结合的Einstein(1950)公式以及结合Einstein 或Bagnold 的某些概念并辅以量纲分析、实测资料适线等的Engelund(1967) 、Yalin (1972) 、Ackers and White (1973) 等公式。钱宁对几家著名的推移质计算公式进行了归纳、分析、比较。近期的试验研究则详细揭示了推移质颗粒运动轨迹的过程信息, 获得了推移质运动的力学和统计特性(胡春宏,1995) 。这些工作
为均匀推移质运动规律的研究奠定了理论基础。在非均匀推移质输沙率研究方面, 一是采用代表粒径计算总的输沙率; 二是分不同的粒径级分别计算出各级粒径的输沙率。韩其为(1984)开展泥沙运动统计理论研究, 得出非均匀沙运动统计规律; 近期对推移质运动的七个理论问题进行深入探索(2004) 。窦国仁(1960)用平均流速为主要指标导出均匀沙的推移质输沙率公式应用也较广泛, 随后又作了部分修正, 使公式更完善。
四川大学(刘兴年,1999 ,2000) 从试验与原型观测出发, 对宽级配非均匀推移质运动规律进行了系统的研究。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; 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进展。
2.1.5、水流挟沙力
挟沙力反映了水流挟带悬移质和推移质的能力, 一般仅考虑水流挟带悬移质中床沙质的能力。近期的研究在细颗粒高含沙水流挟沙能力、床沙质与冲泻质的相互转化、非均匀沙的挟沙能力及其级配、不平衡状态下的挟沙能力等方面取得了较大进展。
关于水流挟沙力已从不同理论和假设进行了大量研究, 取得了丰富的研究成果。张瑞瑾(1961) 整理了大量的长江、黄河、渠道及水槽实验资料后, 在“制紊假说”的指导下, 得到了广泛应用的悬移质挟沙力公式。钱宁(1983) 在专著中总结了Einstein 、Bagnold 、Engelund and Hansen 、Ackers and White 、张瑞瑾、沙玉清等公式。其中张瑞瑾公式既有一定的理论基础, 又考虑经验修正, 体现了对泥沙运动基本问题的研究特色。郭俊克(Guo 2002) 应用对数匹配法将这一挟沙力公式表达为显式形式, 使得其应用比较方便。除了钱宁总结的代表性成果外, 后来的进展主要表现在对前人工作的改进和用实测资料的修正。70 年代, 窦国仁从能量观点出发, 导出了悬移质全沙的水流挟沙力公式, 利用长江和黄河各水文站测验资料及水槽资料验证, 并应用于葛洲坝工程坝区泥沙模型设计。杨志达
(1973) 从单位水流功率的理论模式入手, 建立了包括沙质推移质在内的水流挟沙力公式。王士强(1992) 从推移质输沙率分析入手, 结合悬沙沿垂线分布公式, 由此得到悬移质水流挟沙力公式。
目前对均匀沙的挟沙力研究成果丰富, 因而人们常用均匀沙的方法来处理非均匀沙问题。影响非均匀沙挟沙力的因素一般为水流条件、床沙条件和来沙条件。前两者对挟沙力的影响机理已经比较明确, 而来沙条件是如何影响水流挟沙力的问题尚不清楚。对非均匀沙分组挟沙力级配的计算, 大致有以下几种方法:如仅考虑床沙级配的Hec - 6 模型方( Feldman ,1981) ; 考虑悬移质来沙级配的韩其为(1980) 方法; 考虑水流条件和床沙级配的李义天(1987) 方法等。最近, 韩其为(2005) 对挟沙力级配进行了系统论述。由于平面二维泥沙数学模型的逐步开发应用, 使得二维水流挟沙力的研究日益紧迫, 如何正确地选取二维水流挟沙力公式, 对河床变形的计算结果影响很大。但是由于对平面二维挟沙水流的运动规律还缺乏深入研究, 使得该问题的研究成果甚少。多数二维数学模型的挟沙力直接用一维挟沙力公式或经过改进后的公式进行计算。一般认为, 国内常用的以断面平均水流参数U3PgH ω确定的挟沙力公式推广到多维计算具有一定困难, 采用临底剪切力或临底流速的公式(van Rijn ,1984a) 在二维或三维计算中更具有发展前景。当前对平面二维水流挟沙力的研究, 李义天(1987) 和杨国录(1995) 作了开拓性的工作。
2.1.6、非平衡输沙
窦国仁(1963) 分析了非平衡输沙机理, 在苏联早期研究成果的基础上提出了初步的理论体系。长江水利水电科学研究院(1973 ,韩其为等) 、韩其为(1979) 深入研究了非平衡输沙问题, 给出了恒定流条件下一维非均匀流含沙量沿程变化的解析解, 以及明显淤积与明显冲刷条件下悬移质级配与床沙级配的变化方程。关于非平衡泥沙扩散过程的理论研究, 侯晖昌(1982) 、Hjelmfelt and Lenau (1970) , 张启舜(1980) 等作了深入细致的研究, 对冲刷过程中含沙量沿程恢复问题和淤积过程中含沙量沿程递减问题进行了理论分析, 得出的结果至今还有指导意义。目前国外关于泥沙数学模型, 大部分还是采用平衡输沙的概念。这对于卵石推移质为主的少沙和粗沙河流, 由于悬移质含量少, 河床调整速度快, 还可近似采用。而对于多沙河流, 河床调整速度慢, 影响距离长, 平衡输沙理论将产生较大误差, 必须用
非平衡输沙理论描述。
现阶段非平衡输沙计算中的恢复饱和系数的确定和床面泥沙与运动泥沙的交换机理及其定量化为该方面研究的焦点问题。韩其为(1972) 最早是采用实际资料反算得到经验的恢复饱和系数, 冲刷时取1 ,淤积时取0125。这一系数在国内数学模型中广泛引用, 包括在三峡工程泥沙计算中也采用。后来, 韩其为根据统计理论推导得到平衡时的恢复饱和系数介于0102 - 1178 ,近似证明当时的经验系数具有一定的依据(韩其为,1997) 。周建军针对非平衡输沙计算中存在的问题进行理论研究, 探讨了恢复饱和系数的计算方法, 从理论上给出了从三维床面边界条件到天然河道一维泥沙数学模型恢复饱和系数统一的理论和公式。王士强、刘金梅在分析前人关于不平衡输沙研究成果的基础上, 针对非均匀沙河床, 提出了床沙交换速率的新的物理概念, 计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程。一般而言, 床面泥沙上扬的定量化是确定河底附近泥沙交换净通量的关键。Van Rijn (1984b) ,Garcia and Parker (1991) 和
Zyserman and Fredsoe (1994) 等提出了各自的经验公式。曹志先(1997 ,1999) 提出了基于明渠湍流猝发特征的床面泥沙上扬定量化方法。钟德钰等(Zhong , 2001)发展了基于概率密度函数的泥沙上扬通量模式, 该模式适用于距床面不同高度, 相对于经验方法具有显著的优越性。此外, 钟德钰等(2004) 建立了冲积河流混合活动层床沙级配的动力学基本方程。
2.1.7、泥沙运动统计理论
韩其为系统建立了泥沙运动的统计理论(随机理论) ,深入研究了单颗粒泥沙运动力学及统计规律, 多颗粒同时运动的统计规律, 床面泥沙交换和输沙率的随机模型及统计规律, 推移质扩散的随机模型及统计规律, 非均匀沙统计规律等。并据此引申和研究了低输沙率理论模式, 挟沙能力级配及有效床沙级配、非均匀沙挟沙能力、非均匀沙扩散方程边界条件及恢复饱和系数等。先后在中国科学等杂志发表系列文章, 由科学出版社出版专著《泥沙运动统计理论》, 美国流体力学百科全书曾专章予以介绍。研究成果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, 有显著的开创性, 达到了国际领先水平”, 获得国家自然科学三等奖。
胡春宏在大量试验的基础上, 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,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》。
2.1.8、异重流运动理论
范家骅对异重流运动理论与试验进行了系统的研究。在第一次河流泥沙国际学术讨论会上, 范家骅、吴德一等人提交了浑水异重流实验研究及其应用的成果, 介绍了浑水异重流试验研究结果, 以及应用于水库异重流排沙估算, 沉沙池和引航道淤积计算等问题。利用异重流运动方程, 推导出异重流阻力系数, 利用室内水槽进行异重流阻力系数试验。在水槽试验中观察浑水自明渠流过渡到异重流的情况, 得出潜入点处的密度弗氏数为0178。通过试验研究了异重流通过孔口的情况, 给出了浑水异重流二元(三元) 孔口出流的试验结果和计算公式。
在水库异重流方面, 范家骅等人(1957) 在上世纪50 年代根据官厅水库的实测资料与室内试验, 得出了水库异重流的潜入条件与异重流排沙的计算方法, 还给出了异重流泥沙淤积的分析(1980) 。韩其为(1981) 研究了异重流的挟沙能力与不平衡输沙规律。我国学者已经初步揭示了异重流运动规律, 基本遵循一般明渠水流运动规律, 只是在形成机理与水库异重流排沙表现出特殊的一面。钱宁(1983) 在专著中对异重流运动特性进行了全面总结, 特别是对选择性引水的孔口布置及临界条件做了对比分析。关于异重流的应用方面主要体现在利用异重流的运动特性进行浑水排沙, 减少水库的泥沙淤积, 在官厅水库、三门峡水库及小浪底水库的运用中都得到较好实践。近几年, 在黄河4 次调水调沙试验中, 发生了多次含沙量较高的洪水, 均在小浪底库区形成异重流。对异重流的潜入条件、传播过程、流速及含沙量分布、清浑水交界面变化过程、综合阻力、悬沙粒径变化及分组排沙比等参数都进行了系统的观测, 并基于这些观测资料进行了规律性的研究。特别是黄河第三次调水调沙试验, 利用中游水库汛限水位以上的蓄水及非汛期淤积在水库中的泥沙, 通过多座水库联合调度, 塑造出异重流并排沙出库。这些成果反映出异重流研究当前的水平(黄委会,2003) 。
潘庆、姚于丽等人(1999) 为研究三峡工程五级船闸上下游引航道防淤、减淤措施, 进行了理论推导和水槽试验, 重新确定运动参数, 并对如何防止和减少引航道异重流淤积, 提出了可行的措施。
2.1.9、波流作用下的泥沙运动理论
刘家驹(1980 ,1994) 、窦国仁(1995) 、曹文洪(2000) 考虑波浪和潮流对水流挟沙的影响, 研究了潮流和波浪共同作用下的水流挟沙力, 并在航道及河口冲淤计算中得到了应用。在潮流和波浪的作用下, 河口海岸水流具有显著的振荡特性, 水流的垂向结构不容忽视。如表底水流的异向运动对河口海岸泥沙输运至关重要, 周济福等(1999) 运用波流分解方法, 获得了精确描述河口水流垂向结构的理论模式。Myrhaug et al . (1995) 通过观测海底泥沙运动与波流特征量之间的关系, 得出:最大含沙量出现在低流速时, 最大流速则对应较低的含沙量, 高含沙量往往发生在流动转向的时刻附近。Li Zhihong(1996) 用湍流模型研究波流场中的泥沙输运, 结果表明泥沙浓度廓线与速度廓线存在相位差。研究说明河口海岸、波流边界层内的泥沙起动不同于单向流中的情形, 泥沙运动不完全依赖于水流运动状态, 而是与水流、泥沙运动的历史有关, 其非恒定过程突出。窦国仁(1963) 应用湍流脉动的观点研究平衡输沙时的近底泥沙通量。最近研究证明泥沙的间歇性起动与湍流猝发的喷发事件紧密相关(Nino , Y. et al . 1996) ,曹志先(Cao Z. 1997) 根据湍流猝发的平均时间、空间尺度, 构造了具有较好力学基础的泥沙上扬通量与湍流猝发之间的定量关系, 可适用于描述非恒定显著的河口泥沙起动过程。河口泥沙沉降与盐度及湍流变化的动力学过程密切相关, 钱宁, 万兆惠(1986) 给出了絮团平均沉速随水体盐度和含沙量的变化曲线。赵龙保(1992) 的实验研究表明静止盐水沉速> 流动盐水沉速> 静止淡水沉速> 流动淡水沉速。河口混合和最大浑浊带是河口泥沙输运研究的一个关键科学问题。周济福等(1999 ,2000) 研究了河口盐度的垂直和水平分布随径流和潮流相对强弱变化的规律; 黄胜等(1993) 研究认为最大浑浊带是河口形成拦门沙的重要原因之一。
2.2、高含沙水流的运动机理与理论
高含沙水流是指含沙量高达200～300kgPm3 以上的挟沙水流。我国黄河干支流经常发生, 最高含沙量达1 600kgPm3 。由于含沙量高, 水流的运动呈现出与低含沙水流明显不同的特性。
我国早在60年代就对高含沙水流开始系统研究, 国内几家重要的科研单位:黄河水利委员会、中国水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武汉水利电力学院、清华大学等, 相继开展野外观测、试验研究及理论分析, 从上述几个方面对高含沙
水流运动规律进行深入研究, 取得了丰富的成果, 并逐步建立起高含沙水流运动的理论体系。最近, 王光谦(Wang ,2002) 总结了高含沙水流研究的进展。
在第一次河流泥沙国际学术讨论会(1980) 上集中反映出我国关于高含沙水流的早期研究成果, 例如钱意颖等关于高含沙水流的基本特性, 张浩等关于高含沙水流沉降规律和阻力特性, 杨廷瑞、万兆惠等关于高含沙浑水利用问题的研究, 曹如轩等关于水库高含沙水流冲淤计算问题, 康志成、章书成关于泥石流流体特性的初步分析。在这次国际会议上还没看到国外学者关于高含沙水流的研究成果。国外高含沙水流的系统研究始于20世纪80年代,1980年美国圣海伦火山爆发, 大量的火山灰形成高含沙水流淤高下游河道十几米, 引起美国有关专家的关注。国外目前关于高含沙水流的研究遵循与借鉴了我国的方法和理论。
我国关于高含沙水流研究主要特色在于:在机理研究方面, 通过大量室内实验和野外观测, 认清了一般挟沙水流、高含沙水流及泥石流的不同物理图景及内在联系, 揭示出高含沙水流可能出现的伪一相流、两相流及层移质三种运动模式, 在高含沙水流的形成机理、不同运动模式、流动不稳定性、减阻效应、湍流特性等方面取得了创新成果。在深刻认识运动机理的基础上, 结合河流动力学、流变学及固液两相流动力学的基本原理, 将高含沙水流的形成和汇流过程、物理和湍流特性、运动模式和机理等进行系统总结, 建立了高含沙水流运动的理论。把河流动力学研究拓展到高含沙水流范畴, 形成了高含沙水流动力学新领域, 代表中国倡导的高含沙水流研究的原创成果, 并广泛应用于多沙河流的治理及其相关的工程问题。
关于高含沙水流研究的主要方面包括:
(1) 高含沙水流产汇流特性的研究。王兴奎(1982) 在80年代研究了黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程, 分析在黄土丘陵沟壑区雨滴击溅、水流冲刷及重力侵蚀对产生高含沙水流的重要作用, 在各级沟道汇流过程中高含沙水流的一些主要特性, 得出高含沙水流产沙的极限浓度。许炯心(Xu ,2004 ,1998 ;许炯心,2004 ,1998) 对黄土高原区高含沙水流的形成特性持续开展研究, 取得了较为系统的研究成果。
(2) 高含沙水流流变特性的研究。以爱因斯坦(1905) 提出的挟沙水流粘滞系数公式为基础, 考虑到高含沙水流内部絮团和絮网结构的形成与发展, 结合黄河高
含沙水流的特点, 国内专家相继提出了高含沙水流流变参数的经验计算公式(褚君达,1980 ;费祥俊1982 ;陈立,1992) ,也有专家建立了半经验半理论公式(詹义正) 。经大量试验资料验证, 费祥俊建立的高浓度浆体粘滞系数与宾汉屈服应力计算公式具有较高的精度。以高浓度浆体的粘性计算公式为基础, 费祥俊修正公式可用于泥石流浆体的粘性计算。对紊流条件下的宾汉极限应力的试验研究, 则揭示了宾汉极限应力随紊动强度的变化规律(杨美卿, 王虹, 陈立,1993) 。夏震寰(1982) 在80年代初从胶体化学关于悬浮体的稳定理论出发, 分析了粘性颗粒泥沙的絮凝现象与机理。
(3) 高含沙水流的流动特性研究。含有细颗粒泥沙的高含沙水流, 其流态具有与一般挟沙水流和清水水流不同的特点, 张瑞瑾将其划分为紊流和复杂结构流, 其中复杂结构流内存在流核, 流核范围内流速分布梯度为0 ,流速均匀分布。王明甫于1985年建立了复杂结构流流速分布公式, 公式可以反映有流核和无流核两种情形的流速分布。高含沙水流中大量泥沙颗粒的存在, 常规的测量仪器难以应用, 国内开发研制的应变式紊动流速仪和压阻式紊动流速仪被用来测量水槽或者管道中高含沙水流的紊动特性, 取得了紊动强度分布、紊动强度随泥沙条件变化的初步认识。
王兆印根据维持颗粒运动作用力的来源不同, 将颗粒运动形式分为三大类, 即借颗粒碰撞和接触产生的离散力(碰撞力) 和接触力抵消颗粒有效重力而维持运动的推移质, 依靠湍流扩散力而保持不沉积的悬移质, 及由液相屈服应力和浮力所支持的中性悬浮质。试验研究发现粗沙颗粒悬移质含沙水流的流速分布在主流区遵从对数规律, 卡门常数则为利查逊数及浓度的函数。由于悬沙对紊动结构的影响, 特别是悬沙不均匀分布产生的密度梯度减弱了紊动, 卡门常数较清水湍流小。在底床附近, 流速分布受到升力效应的影响, 流速梯度减小。高含沙水流的悬沙浓度分布与低含沙水流不同, 但都服从扩散规律。从扩散理论求出了管道两相流湍流浓度分布的方程, 推导出与一般挟沙水流同样形式的浓度分布公式, 只不过要对悬浮参数进行修正。
层移质运动是钱宁提出的推移质运动的一种形式, 在高强度水流条件下可以出现, 试验室内研究证明了存在这种运动形式(钱宁,1983) 。80年代王兆印和王立新(1986) 开展层移质运动机理研究, 取得理论与试验方面的成果。
(4) 高含沙水流挟沙力研究。张红武(1993) 通过对二维水流单位水体的能量平衡方程式沿垂线积分, 经分析整理得出包括全部悬移质泥沙在内的高含沙水流挟沙力公式。该公式以及之前的曹如轩公式, 之后的舒安平公式、陈立公式、刘兴年公式等都反映出高含沙水流挟沙力与水流携带泥沙数量和组成之间的正比关系。张红武公式得到了黄河、长江、渭河、辽河及Muddy River 等国内外河流千余组资料的验证, 表明对于一般挟沙水流和高含沙湍流都可适用。如已应用于2003 年黄河首次调水调沙试验的数学模型计算; 用于“九五”国家重点科技攻关项目“黄河下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究”的数学模型设计及验证。惠遇甲等人(2000) 比较后认为张红武公式的精度较高。
(5) 高含沙水流河床演变规律研究。王明甫(2000) 、万兆惠(1991) 等研究发现, 在一定水沙组成和河床断面形态条件下, 高含沙水流可以保持很高的挟沙能力, 进行远距离输送而不淤积; 淤滩刷槽, 大冲大淤; 高含沙洪水过程中往往出现水位异常高的现象; 黄河高含沙水流的输移规律及造床作用呈现了“多来多排多淤”的特点。对于高含沙水流河床演变中的特殊现象, 如“揭河底”、“不稳定流”以及“浆河”等剧烈变化, 也结合实际观察, 通过室内试验进行了分析。
(6) 高含沙水流研究的系统成果。高含沙水流运动特性包括了高含沙水流的类型、粘性、流速分布、阻力特性、输沙能力等方面, 是高含沙水流研究的主要内容, 代表性成果是《高含沙水流运动》专著(1989) 。该书是由钱宁总结国内各家单位的研究成果撰写而成的, 总结了高含沙水流的运动规律, 提出了理论框架。此外, 受国际水利研究会( IAHR) 的邀请, 万兆惠和王兆印(1994) 完成了英文专著《Hyperconcentrated Flow 》, 是高含沙水流运动理论的发展和完善, 由IAHR 出版, 把我国的研究成果介绍到国外。张红武等(1994) 完成的专著《黄河高含沙洪水模型的相似律》总结了河流高含沙水流的运动特性和输沙特性, 提出了高含沙洪水模拟实验的相似律, 成为高含沙洪水模型设计的理论基础。
2.3、河流模拟
河流模拟包括实体模型与数值模型两大类。
实体模型试验是研究河流在自然情况下及修建水工建筑物后预测水沙运动和河床演变的重要手段之一。特别对一些三维性较强的问题, 理论计算困难甚大, 通过模型试验的方法进行观测更为有效。我国自20世纪50年代从苏联引入方程分
析法和爱因斯坦模型相似律, 先后针对我国模型试验发展要求开展了大量的泥沙实体模型模拟理论与技术研究。早在20世纪50年代李保如等人就开展了挟沙水流模型律的研究。其后, 屈孟浩提出了黄河动床泥沙模型相似律。李昌华、张瑞瑾等都提出了具有各自特点的动床泥沙实体模型相似律。窦国仁(1977年) 提出全沙模型相似律并用于葛洲坝水利枢纽坝区泥沙模型设计。随后, 唐日长、潘庆、王桂仙(2003年) ,对该相似律作了一些修正, 并用于三峡工程坝区泥沙模型设计。在按照几何比尺缩小的模型上, 为了满足泥沙运动相似, 常常采用轻质模型沙(陈稚聪,1996) ,因此模型沙的选择对模型设计比较重要。由于黄河泥沙运动的基本规律与一般河流相比有其特殊性, 张红武(1994) 提出了黄河高含沙洪水模型的相似律, 在悬移质运动相似条件、含沙量比尺确定和模型沙选择等关键技术问题上取得了进展。对异重流及河型变化河段模拟理论与方法也进行了研究(张俊华,2001 ,姚文艺,2002) 。另外, 将动床河工模型和泥沙数学模型联合起来运用的合交模型, 也是值得研究发展的一种新趋势(谈广鸣,2001) 。几十年来, 为了利用和发展河工模型试验的这一优势, 长江的葛洲坝与三峡水利工程、黄河的三门峡工程与小浪底水利工程以及其它大江大河的河道整治工程中做了大量的动床河工模型试验, 形成了较为完善的河工模型试验方法。
河流数学模型的发展始于20世纪60年代,70年代以后逐步成熟。在1989年第四次河流泥沙国际学术研讨会上, 当时的国际水力学会主席Kennedy 在书面发言中指出泥沙研究的10个重要进展之一就是河流数学模型, 是70年代以后唯一重要进展。国内长江科学研究院(韩其为、黄煜龄) (1974) 、韩其为(1979)早在70年代已开发出一维河流泥沙数学模型, 在80年代末李义天(1988) 、周建军(1993) 等建立起二维泥沙数学模型。90年代以来, 二维、三维泥沙数学模型得到了大量的发展与工程应用。目前, 一、二维泥沙数学模型已比较成熟, 三维模型也能应用来解决一些具体问题( Fang and Wang ,2000 ;Wuand Rodi ,2000 ;陆永军) 。特别是近些年来, 数学模型在理论研究和生产实践中发挥了越来越重要的作用。
泥沙数学模型的研究内容包括了水沙运动基本规律、数值计算方法、以及模型验证与应用等多个方面。泥沙运动的基本规律是泥沙数学模型的理论基础。围绕数学模型的开发, 数学模型还作为一种工具用于对泥沙运动基本理论问题的深入研究。例如, 冲积河流阻力计算是数学模型研制的关键问题之一, 王士强(1996)
对这一问题进行了多年研究, 结合黄河的特点提出了冲积河流阻力的计算方法, 该方法能把低能态区、过渡区及高能态区的阻力公式统一起来。数值计算方法包括离散格式、数值边界条件及网格剖分等方面。目前数学模型不仅在数值格式上朝着精度高、稳定性和守恒性好、收敛速度快的方向发展; 在功能上还逐渐将产流产沙的坡面流模型、河口海岸的泥沙输移模型与传统的河道冲淤、河宽调整模型一体化; 在适用性方面, 发展了基于完整的(而不是简化的) 控制方程的全耦合数学模型, 以适用于输沙率高、河床变形很快的强冲积河流过程(Cao ,2002 ,2004) ;在模拟技术上, 将精细的三维模型与快速的一、二维模型结合起来, 形成所谓的耦合、嵌套模型来处理复杂的模拟区域, 最近, 基于数字平台的GIS 技术也逐渐与数学模型相结合, 实现计算结果的高度可视化。另外, 目前人们还着力开展了基于GIS 的分布式侵蚀与产沙预测及评价模型的研究。
相对于实体模型试验, 数学模型的最大优点在于可以模拟大范围的问题, 这是今后系统研究和解决工程问题重要的途径和手段。近年黄河水利委员会提出了“模型黄河”的概念, 并开展了“模型黄河”工程规划与建设, 这必将会大大促进实体模拟理论与技术的发展。
2.4、水库泥沙
中国水库泥沙淤积严重, 全国水库因淤积总库容损失达40 %。因此在多沙河流上修建大型水利枢纽工程, 水库泥沙淤积问题是面临的关键技术问题, 甚至决定着工程的成败。这方面的经验教训是非常深刻的。黄河干流的三门峡水库, 设计时以防洪发电为主, 没有认识到泥沙淤积的重要影响。水库运行两年后, 泥沙在库区大量淤积, 潼关高程急剧抬升, 使得汇入库区的支流渭河尾闾水位不断抬高、泄水不畅, 八百里秦川遭受洪水和盐碱化的严重影响, 不得不对工程进行大规模改建, 增加排沙洞排沙。在水库运用方式上, 放弃了“蓄水拦沙”, 采用“蓄清排浑”的运用方式。改建和调整运行方式保证了水库部分效益的发挥。三门峡工程的经验表明在多沙河流上修建水利枢纽工程首要任务是解决好泥沙问题。泥沙问题是三峡工程关键技术问题之一, 自上世纪50年代以来, 国内主要科研单位进行了长期研究(陈济生等,1997) 。长江水利委员会在分析总结国内外水库建设的经验教训基础上, 结合长江上游河段的河床和水沙条件, 提出了水库长期使用的观点, 确定合理的水库调度运用方式和枢纽建筑物布置, 以达到水库大部分有效库容长期使用
的目标(林一山,1978) 。
20世纪50 - 60年代, 我国水库淤积计算方法采用三角洲淤积平衡坡降法(张威,1964) 。70年代以后取得了长足的进步, 例如长江科学院的研究成果(陈济
生,1997) 。韩其为(2003) 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出色成果。修建水库一般会引起坝下游河床发生较大变形。初期的蓄水拦沙会引起坝下游较长河段发生自上而下的普遍冲刷、含沙量显著降低、河床粗化明显、断面形态与河床纵比降的重新调整, 甚至引起下游部分河段河型的转化。三门峡水库、官厅水库修建后下游河道发生的一般冲刷现象都较为显著(李保如,1980 ;尹学
良,1958) 。目前我国围绕大型水利工程开展的水库泥沙研究代表该领域的领先水平。
2.5、河流演变
我国把河道分为顺直、弯曲、分汊、游荡四种类型(钱宁,1987) 。这种分类不仅是对每一种类型河道平面形态的直观理解, 更重要的是包括了对不同类型河道演变规律的深刻描述。这种分类较之西方国家的顺直、弯曲、辫状三种河型的Leopold 分类法具有明显的先进性。因为,Leopold 的分类法尽管简单, 但是偏重于平面形态的描述, 没有明确区分不同类型河道的演变特性。例如, 按Leopold 的分类, 长江中下游河道和黄河下游河道都为辫状河流。但是, 长江的江心洲相对来说比较稳定; 而黄河下游除了支汊很多外, 还表现出主流摆动不定。按我国的分类, 长江中下游河道属于分汊型, 而黄河下游属于游荡性, 表现出不同的演变规律。河口分类与河道不同, 黄胜根据我国具体情况, 依据海域来水来沙及流域来水来沙强弱的不同组合, 将河口分为强潮海相、弱潮海相、湖源海相及海陆双向四类。
谢鉴衡把弯曲型河流称作蜿蜒型, 结合下荆江河段对蜿蜒型河道的形成原因及发展前景进行了系统分析(2004 ,1989) 。从历史背景上考察荆江的成长过程,
可以分为漫流阶段、两侧分流阶段、一侧分流阶段及无分流阶段。在成因分析上, 揭示出在16 - 18世纪内, 下荆江逐渐由微弯河型变成弯曲的蜿蜒河型, 主要原因是由于荆江从两侧分流转为一侧分流所造成的下荆江流量的增大。原来下荆江流量较小, 河床过水断面较小, 比降较大, 随着流量的增大, 水流挟沙力相应增加, 而来水含沙量基本不变, 河流必须通过冲刷使比降减小, 而发展蜿蜒河型使河长增加正是达到这一目的的有效手段。此外, 还分析了人工裁弯及修建三峡水库对河床演变的影响。对于河型成因, 在20 世纪60 年代对弯曲河流成因研究(唐日长,1964 ;尹学良,1965) 的基础上,80 - 90 年代, 对长江中下游分汊河道形成条件又进行了研究(罗海超、尤联元,1980 ;余文畴,1994) 。
除了河型分类外, 河道演变的主要进展包括:不同河型的演变规律、河相关系、河流的自动调整作用、河流的稳定性指标、各种类型河道的形成、水库上游泥沙淤积与下游河道的冲刷规律、河床变形计算、河口演变规律。钱宁(1987) 把河道演变的规律加以分析总结, 上升到理论高度, 完成专著“河床演变学”, 反映出该研究领域的系统成果。同时期, 张海燕(1988) 完成了“河流演变工程学”专著, 在河型、河流的自动调整机理等重要理论或方法的处理和弯道变形、河宽调整和河床冲淤的数学模拟等方面很有特色, 对过去仅能定性描述的一些河流问题提出了定量的处理办法, 配合各类问题列举了大量工程实例。近期, 曹叔尤(1996) 完成专著“河流水力几何形态学”。主要进展在于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。王光谦、张红武、夏军强(2005) 对游荡型河道的演变规律与模拟方法进行了总结, 完成“游荡型河流演变及模拟”学术专著。
平原河道的断面形态, 有主槽和滩地之分。水流漫滩后, 滩槽同时过流。热烈兹那可夫(1947) 从模型试验中发现, 水流漫滩后主槽泄流能力比用曼宁公式计算
的要小, 而滩地则要大, 但他未能从理论上予以探讨。史丙青(1962) 专门进行模型试验, 研究滩槽横向水量交换, 建立了计算全断面(包括滩槽) 平均流速和流量的经验公式。谢汉祥(1980) 根据动量传递的物理机制, 建立了计算滩槽流速的理论模式和滩槽流量计算方法。但这些成果都是基于清水的情况。丁君松、王树东(1984) 在前人工作基础上, 提出了滩槽点流速沿垂线分布的二维计算方法, 同时进行了专门的浑水漫滩水流试验, 研究滩槽悬移质泥沙运动, 取得了长足的进展。丁君松还对分汊河道演变特性进行了理论分析与试验研究。特别是从理论上探讨了汊道水力要素间的关系, 汊道水、沙分配模式, 以及汊道与弯道的不同特性。
在复式断面河流水力学研究方面, 英国工程与自然科学研究委员会资助多年的Flood Channel Facility 实验研究计划产生了一系列研究成果(Knight and
Shiono 1990 ; Shiono and Knight 1991 ; Lynessetal . 1998 ; Myers et al . 1999 ; Knight et al . 1999 ; Lambert and Sellin.2000 ; Cassellsetal.2001 ; Knight and Brown 2001) 。关于野外实际复式明渠水力学的代表性研究见Carlingetal.(2002) , Sellin and Beesten.(2004) 。
河道演变的研究方法主要依靠对天然河流的调查、观测及模拟。20 世纪70 年代, 长江水利委员会对长江源头水系、地质地貌条件和河道形态组织了两次调查, 确定了长江的正源为沱沱河, 并通过新华社向世界公布了长江的长度为6300 余公里(史立人,1979) 。在全国河流水系, 设立2910 个固定野外测量站, 其中包括1230 个水文站, 取得了大量、详细、长系列的水文观测资料。长江水利委员会在上世纪50 年代开始设立专门的河道实验站, 对长江等大河进行长期、系统的河道演变观测研究, 取得了大量观测资料和研究成果。针对七大江河进行野外观测、模型试验等全面研究, 基本上认清了河道特性及变化规律。长江中下游是弯曲、分汊河段为主的河道, 通过对长江治理的研究和实践, 使得我国关于弯曲河道(唐日长等,1981) 与分汊河道(长江水利水电科学研究院等,1985) 的水流、泥沙特性及演变规律的认识达到先进水平(杨怀仁、唐日长,1999) 。通过对黄河下游游荡型河道的长期研究, 掌握了黄河下游泥沙的来源、数量及时空分布规律, 弄清了不同粒径泥沙在黄河下游河道内的淤积分布、以及黄河水沙在下游河道中的演进规律, 为黄河治理提供了科学依据。
目前在该方面的研究中面临新的挑战。一方面洪水灾害频繁发生, 呈现“小
水大灾”的新特点。这种洪水灾害的形成机理, 充分说明“水沙共同致灾”的关系, 泥沙淤积降低河道的行洪与调洪能力, 抬高河床高程, 加剧洪水灾害。同时, 由于河流上较多建坝, 造成水沙变异, 降低河道适应能力(李义天,2004) 。另一方面, 黄河频频断流, 使得下游水沙条件发生重大变化, 这种间歇性高含沙河流的河道演变规律及其治理对策是亟待解决的新课题, 已经引起人们的高度关注, 开展研究并取得了初步成果。例如, 最近4 次的黄河调水调沙原型试验表明, 通过单库或多库水沙调控, 将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系, 是有利于输沙入海、减轻黄河下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一(李国英,2002 ,2004) 。
3、结束语
河流泥沙学科是个古老而年轻的学科, 它与水文学、水力学、地貌学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多种学科相互交叉, 相互渗透, 呈现出蓬勃的生机。在21世纪里, 伴随着计算机信息技术的飞速发展、人类对自身生存环境的关注以及其它相关领域的不断进步, 泥沙学科将在传统理论的研究、工程泥沙上取得巨大进展的同时, 与其他学科交叉所生成的边缘学科也将进入全新的发展阶段。可以相信, 泥沙学科在解决人类发展所面临的环境、资源、人口问题及可持续发展方面将发挥重要作用。
参考文献：
[1] 左明利, 张洪龙. 河流泥沙的研究进展. 吉林水利,2212,(12):72-74.
[2] 王光谦. 河流泥沙研究进展. 泥沙研究,2007,(4).64-81.
[3] 曾庆华. 泥沙研究进展综述. 泥沙研究,1999,(2).74-80.