大学泥沙进展研究论文

1前言

河海大学的河流泥沙运动力学属于江苏省重点学科，拥有一大批具有中高级技术职称的专门人才，建有大型试验厅4座，玻璃水槽20余条，可以观测记录水位、流速流向、含沙量、颗粒级配、淤积地形以及具有先进的多边界潮汐非恒定流数据采集、控制、监视系统和ADV三维流速测量系统。多年来，研究领域不断扩大，对水库、河道、流域、水利枢纽、工矿企业、河口海岸等方面的泥沙问题进行了较为深入的研究，形成了自己的特色，先后承担了“七五”、“八五”国家攻关及自然科学基金等项目，取得了一批成果，获得各类科技进步奖十余项，培养硕士、博士研究生30多名。

随着河海大学首批进入“211工程”，给本学科的发展带来了新的机遇和挑战。自1996年以来，学校逐步投入200多万元进行学科和实验室建设，至2000年，将建成一批较先进的实验设备，为本学科的进一步发展创造条件。

2.1降雨特性及雨蚀模拟

通过分析雨滴降落过程中的力学规律，从理论上导出了雨滴降落在任一高度时的速度计算公式，进而导出了雨滴的终速公式。该公式由陈国祥、姚文艺研究完成，提出了雨滴变形的概念，用于描述直径大于0.3mm的雨滴在降落过程中形状因子对落速的影响。得到的终速公式与国内外同类公式比较，具有较强的理论基础，形式简单，与实测资料吻合好，计算精度高。可用于计算雨滴终速，确定雨滴动能和设计人工模拟降雨装置。

汤立群在分析雨滴溅蚀规律的基础上，运用牛顿第二运动定律推导出雨滴对土粒的撞击力表达式和雨滴溅蚀量计算公式。该研究与以往成果相比，具有力学概念清楚，理论性强，又能反映影响雨蚀主要影响因素等特点，可用来计算天然降雨的溅蚀量。

因“211工程”建设，目前正在改造大型人工降雨水槽试验装置，使其成为能够模拟降雨溅蚀、坡面径流侵蚀和重力侵蚀的室内人工降雨装置，并开展这方面的研究。

2.2坡面流水力学

陈国祥等通过理论分析和室内人工降雨水槽试验，研究了坡面浅层均匀流和降雨产生的沿程变量流的流态和阻力规律，研究表明，坡面浅层流与通常的明渠流不同，降雨、坡度及床面糙度对水流阻力都有一定影响。降雨条件下的沿程变量流不存在通常意义的层流，而是“伪层流”。坡面浅层水流无论是均匀流还是沿程变量流的“层流”，其临界雷诺数均比天然河道水流的大。

在室内人工降雨水槽试验基础上，得到了降雨作用下坡面流的Darcy-Weisbach阻力系数关系式，成果具有坡度大，糙度高和雨强大等特点，公式的适用范围更广；李杰友等采用一维浅水波方程描述坡面流运动，并用运动波近似，通过四点隐式差分求其数值解，较好地解决了坡面流的模拟问题。

2.3流域侵蚀产沙模型

汤立群、陈国祥运用泥沙运动力学基本理论与方法，结合地理学、地貌学、土力学及水文学等学科知识，建立了具有物理过程基础的小流域产流产沙数学模型。该模型可模拟流域上任意时空分布的水流泥沙过程，为小流域开展综合治理规划提供科学的决策依据；针对黄河中游复杂的地形地貌条件和径流泥沙过程，通过力学分析和数学推导，建立了适用于大中流域长系列径流泥沙模拟的物理概念模型，突破了物理概念模型难以在大中流域上应用的难点。该模型在“八五”攻关研究中被用来模拟大理河流域长系列的产流产沙过程，在水保效益计算的基础上，进行了水沙变化原因分析。

另外，包为民提出了简单的概念性坡面汇沙、沟道汇沙模式，与坡面、沟道产沙公式一起构成了流域产汇流、产输沙的耦合模拟物理概念模型。该模型已在黄河中游地区十多个流域上得到应用。

2.4水土保持减水减沙计算方法研究

传统的水保效益计算方法有水文法和水保法两种，在指导我国水土保持规划与效益评价中发挥了重要的作用，但也存在不足。在“八五”攻关项目的研究中，我校汤立群等建立并提出了用模型法计算水土保持减水减沙效益，分析水沙变化之原因，取得了良好的效果。

但模型法属于总量评价，不能区分各项水保措施的减水减沙效益。今后的研究是如何应用模型法对水保效益进行分离评估，以便切实有效地指导小流域综合治理的规划设计。

3泥沙基本理论研究

3.1推移质对流速分布和阻力的影响研究

陈国祥在国家教委博士点基金的资助下，开展了推移质对流速分布和阻力的影响试验研究。研究表明：动床输送推移质水流的流速分布受床面粗糙程度、床沙中孔隙流、推移质运动及推移质运动后床面边界条件变化的综合影响。推移质的存在使水流流速分布在整个水深范围内卡门常数减小，水流底部流速偏小于对数规律；而床沙中孔隙流及推移质运动后床面边界条件的变化则使底部流速偏大于对数规律。通过试验和一定理论推导，提出了可反映推移质运动影响的定床输沙水流、动床输沙水流的流速分布和阻力公式。

3.2明渠紊流结构及其对泥沙输运的作用研究

卞华等在水利水电基金的资助下，分别采用不同单元断面如方形、半圆柱形和三角形的人工加糙，对明渠二维加糙水流的阻力特性进行了系统的试验研究，得到随着加糙间距的增大阻力增大，至λ/Ks=8时，阻力达最大值，其后，随λ/Ks的增大而减小，并总结出水流阻力因子的表达式。

毛野等在国家自然科学基金的资助下，开展了明渠紊流拟序结构对泥沙输运的作用研究，该课题尚属泥沙研究的前沿，以试验研究为主，将定床和动床相结合，采用图象显示技术与计算机图象处理技术相结合的全流场测试系统，研究床面形态不同时紊流拟序结构的特点和对泥沙输运的作用，成果具有重要意义。

4泥沙数学模拟

我校泥沙数学模型包括一维、二维和三维，研究对象主要有河流、航道、水库、港口、码头、河口海岸等，求解方法主要有有限差分法、有限元法、有限分析法等，其中有限差分解法有ADI法、控制体积法、破开算子法等几种。

一维泥沙数学模型用来解决长河段长时段的泥沙运动和河床演变问题，应用比较广泛，也比较成熟，可以取代实体模型试验，大大节省人力物力。汤立群、陈界仁运用一维模型对白沙水库泥沙淤积和取水方案进行了计算，在长河段的赣江航道整治工程一维计算中，也发挥了较好的作用。

二维泥沙数学模型发展迅速，在生产上得到了广泛应用，能较好地模拟水流结构和泥沙运动在平面上的分布规律，经常与实体模型耦合运用，相互印证，相互提供边界，在某些场合下，部分地取代了实体模型，取得了极大的经济效益，也促进了泥沙基本理论的研究。比如，汤立群、金忠青等用拟合坐标生成了正交曲线网格，运用“露滩冻结”技术解决动边界问题，考虑了床沙级配的分层记忆和床沙质与冲泻质的划分，通过分组解决非均匀沙的挟沙能力表达式，在水流输运及分组含沙量输运方程的离散过程中，采用守衡性较好的控制体积法和SIMPLEC计算程式，建立了k-ε双方程紊流泥沙数学模型，较好地模拟了内河恒定流和潮汐河口非恒定流过程以及河床的冲淤变化，特别在航道整治工程方案优化计算中取得良好效果。张长宽、张东生等基于长期波浪序列的沙质海岸，建立了河床演变数学模型，对海区波浪、潮流和海岸演变进行了模拟计算。

三维泥沙数模中，要以水流数值模拟研究为多，成果也相对成熟些，同时，三维泥沙数值模拟也取得了初步成果。比如，刘子龙、王船海等利用破开算子法对长江口三维水流过程进行了有效的模拟。严恺、周华君对长江口浑浊带特性进行了研究，在此基础上，建立了三维拟合坐标下的水流泥沙数学模型。陈国祥、陈界仁对国内外三维泥沙数模研究进行了分析比较和综述，提出三维泥沙数模研究的必要性和迫切性。

5河工模型试验研究

5.1水利枢纽泥沙

我校70年代以来，一直坚持本课题的理论分析和试验研究，近十年的研究主要包括：库区淤积对防洪、发电和航运的影响；坝前淤积与枢纽布置的关系；引航道和取水口淤积及防淤措施；坝下游河道冲刷演变及对航道的影响；水工枢纽如引水枢纽、地涵泥沙问题等，代表性的课题有“新疆乌鲁瓦提水库泥沙模型试验研究”、“废黄河地涵整体泥沙模型试验”等近十项。

5.2河道泥沙

主要针对河道治理、河床演变、港口航道、河口泥沙、码头抗冲防淤措施等方面的工作进行研究。在航道整治中，多年来结合生产需要对丁、顺坝等整治建筑物作用下的水力学问题进行了系统试验研究，包括实体丁坝及网坝的不同坝长、坝高、坝间距、坝与水流交角等情况下的水面形态和平面流场的研究，取得的成果为我国东南各省的水利工程及航道整治作出了贡献，受到工程单位的好评，代表性的课题有“珠江莲沙容水道八塘尾航道整治模型试检研究”，“赣江南昌河段航道整治动床模型试验研究”，“闽江围垦航道整治”等十余项。

5.3工业取排水口泥沙防治

近10年来，我校与华东、西北等多家电力设计院合作，通过现场调查与模型试验相结合等方法，提出了一种新的曲线河床式取水口，充分利用山区河流上常见的卡口、矶头附近的深潭河段，准确地确定取水口位置。与此同时，对下游河口段也进行了较全面的研究，提出掌握主流变化规律，根据河势避开暗沙运动范围，利用深水区，配合合理的进出水口平面布置等措施取得成功。由于在河口、海湾等取水口的选址和防沙问题上积累了比较丰富的经验，从而能在大亚湾核电站取水口研究中作出重大贡献，获国家科技进步一等奖。如“上海石洞口电厂排水口动床物模研究”，“漳平电厂扩建工程取水口局部动床模型试验研究”和“黄埔电厂浪沙回淤试验研究”等。

6量测技术及测控系统研究

近10年来，我校不仅在泥沙基础理论及生产问题的研究中取得了一定成绩，同时通过多年泥沙研究工作的实践，还开发研制成功诸多用于泥沙研究的仪器设备，如：NSY-1型光电颗分仪；NSY-2型宽域粒度分析仪；光电反射式地形仪；自动往复推移质加沙机；大型实体模型试验计算机全流场图象测速分析系统；多边界潮汐非恒定流数据自动采集、控制、监视系统。这些仪器及系统的研制为研究课题成果质量提供了保证，部分仪器设备处于国内领先水平。

6.1光电反射式地形仪

针对已有地形仪(光电对射式、电阻式、超声波式、测针或钢尺)会破坏测点地形，产生的误差大等问题，唐洪武、李瑾等研制出光电反射式地形仪，该仪器在测量过程中探头不必插入泥沙界面，也能对1mm厚度以下的淤积层进行测量，光电反射式传感器自身理论控制精度可达0.01mm，不受外界光的干扰，还可进一步推广应用于测压管水位的测量，尤其在微压变化情况下使用，更显其优越性。

6.2大型实体模型计算机全流场图象测速分析系统

近10年来，先后开发出CCD氢泡低流速测量系统、粒子图象测量系统和用于大型实体模型研究的图象测速分析系统。CCD氢泡低流速测量系统是在传统的氢泡测量的基础上，引入CCD面阵摄象技术，通过计算机进行氢泡图象自动采集、处理与分析，做到准实时，减少了人工工作量；粒子图象测量系统的特点是操作方便，设备成本低，约为国外进口设备的1/10，工作环境要求不高，独创之处是将微光象增强技术和声光调制技术引用至该系统，使该系统实现在低功率连续激光照明条件下，满足高清晰度、测速变化范围大的要求，已用于多项国家基金、纵向、横向科研课题中，取得明显的社会经济效益；工程实体模型图象测速分析系统，则是针对工程模型的特点，特别是浑水泥沙模型中流速场的测量困难而提出的，其特点是可实现记录整个模型现场，不需要录象机参与就可以实现多幅画面的拼接，流速测量精度高(5‰级)，系统的分析软件功能强。代表性成果有唐洪武等完成的“数字图象技术在双射流混合流场中的应用”和“数字图象测速技术及在进水口漩涡流场中的应用研究”等。

6.3多边界潮汐非恒定流数据自动采集、控制、监视系统

多年来通过河工模型工作实践，在学校“211工程”建设资助下，徐夕荣，周汝盛等完成了多边界潮汐非恒定流数据自动采集、控制、监视系统。该系统运用PID原理自动调节尾门，能准确模拟各边界的水位和流量过程，同时检测64个测量流速，32个测站水位和32路模拟量输入(如含沙量等)。各测量数据可随时从计算机显示器上观看，并打印输出。为配合自动控制系统的运行，还在该系统上配上监视系统，工作人员可在与模型现场隔离的控制室内对模型的运行过程进行监视、录象，遇有紧急情况还可随时通过话筒通知模型现场工作人员，因此该系统的成功应用，不仅提高模型试验成果的质量，还节省了大量人力和物力。

6.4河流泥沙颗分仪

卢永生等自1977年开始研究河流泥沙颗分仪，先后研制出(1)GDY-1型光电颗分仪；(2)NSY-1型光电颗分仪；(3)NSY-2型宽域粒度分析仪。三种仪器共推广约150台。NSY-2型宽域粒度分析仪于1990年通过水利部鉴定，创新之处在于：(1)使用长管浑匀沉降原理进行颗粒分选，使仪器和传统的水沉法具有可比性；(3)用IBM计算机完成采样、绘图任务，实现量测自动化。

7水流泥沙运动的多媒体动态演示

水流泥沙运动和河床演变过程贯穿于一个动字，特别适合于用多媒体进行动态和过程的描述。但如何把水流泥沙模拟过程中大量枯燥的数据、图表以生动、活泼、直观、友好的方式表现出来，并不是一件易事，这是泥沙研究工作者为之努力的方向之一。

7.1水流泥沙运动过程动态演示系统

该系统就是把水流泥沙运动状况或河床边界的变化过程，在计算机屏幕上逼真地表现出来。近年来，我校在这方面进行了尝试。纪元、张东生研制完成了南中国海潮波传播的动态变化，污染物质扩散过程的动态变化，热污染温度场的动态变化；金忠青、王玲玲等研制出三峡库区三维地形俯视动态系统，汤立群、王加虎等完成了潮汐河口潮位动态变化和潮流仿真动态演示系统等。

7.2模拟结果的多媒体演示系统

该系统就是利用多媒体技术把数模结果以文字、图片、图象、音效、动画及视频等形式表现出来，通过观看多媒体电影，可以直观地了解研究区域的概况，水文气象特性，水流泥沙特性和河床演变特性，可以了解数模的建立方法和基本问题的处理，直观地表现模型的验证结果及方案计算结果。自1998年以来，汤立群、杨涛等用Authorware等一批比较专业的多媒体编辑软件开发了赣江(樟树～南昌)河段航道整治数模结果多媒体演示系统。