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1、河流泥沙研究進(jìn)展班級20101501學(xué)號2010150131作者劉力摘要:泥沙研究主要是認(rèn)識水流中的泥沙運(yùn)動規(guī)律、河床演變規(guī)律,進(jìn)而解決水利工程中的泥沙問題。泥沙學(xué)科體系始建于20世紀(jì),側(cè)重河流泥沙研究。河流泥沙運(yùn)動力學(xué)基本理論包括:泥沙的沉降特性、泥沙的起動特性、懸移質(zhì)運(yùn)動規(guī)律、推移質(zhì)運(yùn)動規(guī)律、水流挾沙力、非平衡輸沙、泥沙運(yùn)動統(tǒng)計理論、異重流運(yùn)動理論、波流作用下的泥沙運(yùn)動理論等。在長期的治河實(shí)踐中,我國的泥沙科學(xué)發(fā)展迅速,主要進(jìn)展包括:泥沙運(yùn)動力學(xué)基本理論,高含沙水流的運(yùn)動機(jī)理與理論,河流模擬的理論與
2、技術(shù),水庫泥沙的對策與管理,河道演變規(guī)律的認(rèn)識及治河工程技術(shù)等。本文對河流泥沙研究的主要進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述。關(guān)鍵詞:河流泥沙;研究進(jìn)展前言:河流泥沙學(xué)科是一門綜合性的基礎(chǔ)技術(shù)科學(xué),研究泥沙在流體中的沖刷、懸浮、輸移和沉積規(guī)律,是水利學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。河流泥沙研究則將挾沙水流自然現(xiàn)象和生產(chǎn)應(yīng)用中的各種泥沙運(yùn)動作為研究對象,包括了泥沙運(yùn)動力學(xué)、河床演變與整治、工程泥沙、航道與港口治理、水土流失與治理等多方面的內(nèi)容,涉及水文學(xué)、水力學(xué)、地理學(xué)、以及環(huán)境與生態(tài)學(xué)、沉積學(xué)等多個學(xué)科。在細(xì)觀尺度上,研究泥沙顆粒在流
3、體作用下起動、翻滾、跳躍、懸浮、輸移和沉降等過程;在宏觀尺度上,則研究泥沙運(yùn)動所導(dǎo)致的地貌發(fā)育和環(huán)境演變;在更大的時空尺度上,還研究泥沙運(yùn)動導(dǎo)致的固體物質(zhì)從山區(qū)搬向平原和海洋、形成沖積平原和三角洲、以及在海洋環(huán)境中沉積等過程(錢寧,1983)。作為河流泥沙學(xué)科研究的應(yīng)用方面,目前主要面向水利工程中的泥沙問題,今后對生態(tài)、環(huán)境等方面的影響將不斷加大。1、河流泥沙的研究歷程河流泥沙研究的歷史可以追溯到公元前256年的戰(zhàn)國末期,當(dāng)時李冰父子在修建都江堰工程時巧妙地利用了水流泥沙運(yùn)動規(guī)律,工程布局完全符合現(xiàn)代泥
4、沙運(yùn)動力學(xué)原理,使都江堰工程至今已經(jīng)成功運(yùn)行2261年。盡管國內(nèi)外河道治理不乏成功的例子,但是泥沙學(xué)科體系的建立還是20世紀(jì)的事情。早在19世紀(jì)末期,法國的DuBoys(1879)第一次提出推移質(zhì)運(yùn)動的拖曳力理論。Gilbert(1914)在20世紀(jì)初通過水槽試驗(yàn)研究推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動規(guī)律,最早建立了推移質(zhì)運(yùn)動的模式和計算公式。Rouse(1938)等在20世紀(jì)30年代初類比分子擴(kuò)散理論,導(dǎo)出了著名的懸移質(zhì)泥沙濃度分布公式,至今還在廣泛應(yīng)用。20一門學(xué)科通常都是在長期實(shí)踐基礎(chǔ)上,由科學(xué)家不斷提煉和升華而建
5、立的,泥沙學(xué)科也不例外。在歐美,Einstein、Bagnold、Engelund等奠定了泥沙學(xué)科的基石。泥沙運(yùn)動既是確定的也是隨機(jī)的,Einstein(1950)首創(chuàng)用統(tǒng)計方法研究懸移質(zhì)輸沙率和推移質(zhì)輸沙率,導(dǎo)出泥沙挾沙力的計算公式。特別突出的是能進(jìn)行非均勻輸沙的計算。此外,Einstein還定義了沖瀉質(zhì)和床沙質(zhì)的概念,提出了沖積河流阻力劃分與計算方法。Bagnold注重泥沙運(yùn)動的物理本質(zhì),用基本物理概念和物理過程描述方法來研究泥沙運(yùn)動規(guī)律,所建立的推移質(zhì)輸沙率、懸移質(zhì)輸沙率計算公式,物理概念明確、理
6、論分析合理,具有較好的計算精度。特別是關(guān)于顆粒作用的同心圓筒試驗(yàn)研究,揭示了隨著顆粒濃度的增加逐步從粘性作用轉(zhuǎn)向慣性(碰撞)作用的機(jī)理,深刻地揭示了顆粒作用的實(shí)質(zhì)。這一試驗(yàn)成果不僅對泥沙研究起到了重要的推進(jìn)作用,而且也是80年代興起的快速顆粒流研究的基礎(chǔ)。Bagnold提出的顆粒的慣性力與粘性力之比被稱之為拜格諾數(shù)(BagnoldNumber)。Engelund(1966,1974,1982)基本上遵循Einstein和Bagnold的概念和體系,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行了深入研究。在我國,張瑞瑾(1961)、
7、沙玉清(1965)、錢寧(1983)等老一代科學(xué)家為泥沙學(xué)科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著50年代以來大江大河治理的推動,逐步發(fā)展與完善了泥沙學(xué)科體系;在理論研究上取得了國際領(lǐng)先水平的成果;在應(yīng)用上成功地解決了許多重大工程泥沙問題,如長江葛洲壩工程、三峽工程和黃河小浪底工程中的泥沙問題。2、我國河流泥沙研究的成就我國河流眾多,流域面積100km2以上的河流達(dá)5萬多條,流域面積1000km2以上的有1500多條。這些河流具有兩個突出特點(diǎn):一是水資源時空分布極不均勻;二是挾帶大量泥沙,特別是北方河流,由于水土流失嚴(yán)
8、重,大量的泥沙被挾帶到河流中,形成多沙河流,其中尤以黃河聞名于世界。泥沙造成河道和水庫的累積淤積,不僅給水利水電工程建設(shè)帶來了許多問題,也給河道防洪、沿岸工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活帶來了嚴(yán)重的影響;因此泥沙問題的研究具有重要意義(胡春宏,2001)。隨著大江大河治理的推動,泥沙學(xué)科在我國蓬勃發(fā)展,取得了巨大成就,既建立了泥沙學(xué)科的理論體系,還應(yīng)用泥沙運(yùn)動基本理論解決我國重大水利水電工程和河道、海岸治理工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要進(jìn)展包括:泥沙運(yùn)動力學(xué)