我國(guó)泥沙研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)泥沙研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

河流沉積物學(xué)科是一門(mén)綜合的基礎(chǔ)技術(shù)科學(xué)。研究液體輸送的泥沙顆粒的流動(dòng)規(guī)律。這是水保護(hù)學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一，包括粘土運(yùn)動(dòng)力、河床發(fā)育、工程沉積物、河道和港口管理、水土流失管理、高砂流和泥石流、水文學(xué)、水力學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、地形科學(xué)、地理、環(huán)境和生態(tài)、沉積物科學(xué)等。在微觀尺度上,研究泥沙顆粒在流體作用下起動(dòng)、跳躍、懸浮和沉降等過(guò)程;在宏觀尺度上,則研究泥沙運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的水土流失、河道演變、水庫(kù)淤積、河口海岸變遷等;在更大的時(shí)空尺度上,研究泥沙運(yùn)動(dòng)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)境沉積等過(guò)程。一、最近的沉積物研究仍需注意一些進(jìn)展1.粘土運(yùn)動(dòng)與河床發(fā)育(1)統(tǒng)一抱沙能力的理論基礎(chǔ)近年對(duì)泥沙統(tǒng)計(jì)理論、挾沙能力等前沿科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了完善和深化。利用懸沙與床沙交換強(qiáng)度理論直接建立沖淤方程,從理論上頗為嚴(yán)格地給出了擴(kuò)散方程的一般邊界條件,得到恢復(fù)飽和系數(shù)的理論表達(dá)式,提出了各種輸沙條件下挾沙能力級(jí)配的表達(dá)式,論證了床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)具有相同的挾沙能力規(guī)律,為采用全沙挾沙能力提供了理論基礎(chǔ)。水流挾沙能力是受上游來(lái)流輸沙狀態(tài)和床沙組成共同影響的,說(shuō)明在淤積、平衡與沖刷等不同輸沙狀態(tài)下,水流的挾沙能力是不同的,建立了高低含沙水流的統(tǒng)一挾沙能力公式。該公式中的指數(shù)取值是固定的,系數(shù)也較為穩(wěn)定,小的變化可以通過(guò)理論分析來(lái)估算,避免了泥沙數(shù)學(xué)模型中水流挾沙能力系數(shù)和指數(shù)選取的不確定性。(2)降低動(dòng)態(tài)沙化的隨機(jī)過(guò)程模型系統(tǒng)開(kāi)展了泥沙起動(dòng)規(guī)律及起動(dòng)流速研究,首次利用范得華力解釋了由于(細(xì)顆粒)薄膜水接觸而產(chǎn)生的黏著力,并給出了表達(dá)式;建立了瞬時(shí)起動(dòng)流速的理論公式,除包含反映密實(shí)程度的干容重外,還首次包括了泥沙在床面的位置(暴露度),以及卵石的形態(tài)參數(shù);論證了非均勻沙起動(dòng)是一種隨機(jī)現(xiàn)象,它涉及三個(gè)隨機(jī)變量;建立了泥沙起動(dòng)的隨機(jī)模型,給出了起動(dòng)強(qiáng)度公式;提出了推移質(zhì)低輸沙率隨機(jī)模型,它的分布及時(shí)均輸沙率公式;指出了時(shí)均起動(dòng)流速只具有約定的意義,進(jìn)而定義了起動(dòng)流速的三種約定標(biāo)準(zhǔn),按這三種標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)了起動(dòng)流速;給出了非均勻沙各組粒徑的分組起動(dòng)流速及混合沙的起動(dòng)流速,給出了細(xì)顆粒成團(tuán)起動(dòng)流速。采用高速攝影技術(shù)對(duì)推移質(zhì)躍移運(yùn)動(dòng)做了大量實(shí)驗(yàn)研究,利用修正后的阻力系數(shù),得到泥沙躍移方程的數(shù)值解在實(shí)測(cè)范圍內(nèi),給出了躍移長(zhǎng)度、高度及速度的表達(dá)式;用適線法在給出相對(duì)躍移高度和相對(duì)躍移長(zhǎng)度等的分布參數(shù)后,對(duì)相對(duì)躍移速度、起躍及降落速度按正態(tài)分布適線確定了參數(shù);建立了泥沙起動(dòng)概率、起躍概率和起懸概率的計(jì)算公式,給出了底部濃度的計(jì)算方法;修正了Bagnold推移質(zhì)輸沙率公式中的參數(shù),得到了修正輸沙率公式;得到了推移質(zhì)輸沙率的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。(3)泥沙濃度分布的力學(xué)機(jī)理從理論上揭示無(wú)論采用擴(kuò)散理論、能量理論、混合理論、相似理論及隨機(jī)理論,在求解懸移質(zhì)濃度分布公式時(shí)都能歸化為擴(kuò)散方程的簡(jiǎn)單形式,而且通過(guò)對(duì)摻混長(zhǎng)度及紊流特性的研究提出泥沙濃度分布公式的統(tǒng)一模式。提出濃度分布存在兩種典型類(lèi)型,即傳統(tǒng)的濃度上小下大的Ⅱ型與最大濃度不出現(xiàn)在底部的I型。針對(duì)I型濃度分布存在的事實(shí),首先從水流脈動(dòng)特性分析該種類(lèi)型分布的力學(xué)機(jī)理;然后進(jìn)一步類(lèi)比氣體分子運(yùn)動(dòng),從Boltzmann方程出發(fā)導(dǎo)出能夠描述I型分布的濃度公式,并預(yù)測(cè)最大濃度位置出現(xiàn)在泥沙顆粒重力與升力相等之處。(4)研究方法的相對(duì)單一、應(yīng)用受限、對(duì)模型試驗(yàn)的有限重視國(guó)內(nèi)主要針對(duì)大型水利樞紐工程下游河型變化開(kāi)展研究,主要包括三峽、小浪底和丹江口水庫(kù)等下游河道的河型變化分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)。目前,河型問(wèn)題的研究在三個(gè)方向上發(fā)展,傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析、試驗(yàn)研究及處于探索階段的數(shù)學(xué)模型研究。統(tǒng)計(jì)分析方法,由于天然河流影響因素過(guò)多,難以獲得普遍符合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)公式。同樣,理論研究要獲得較本質(zhì)的數(shù)學(xué)模式和理論公式也存在困難。模型試驗(yàn)方法由于試驗(yàn)組次和研究范圍的限制,雖在單個(gè)河型或個(gè)別影響因素上取得成功,但缺乏對(duì)演變方式和過(guò)程的廣泛模擬,難以形成完整的體系、得出系統(tǒng)的結(jié)論。河型的數(shù)學(xué)模擬研究尚處在探索階段,受到對(duì)河型問(wèn)題理論認(rèn)識(shí)不充分的限制。(5)城市河道收縮河道萎縮是指由于水沙條件發(fā)生變異,河床演變脫離了在長(zhǎng)期水文學(xué)意義下水沙過(guò)程中所建立的“相對(duì)平衡”狀態(tài),出現(xiàn)過(guò)流斷面縮小、泄洪輸沙能力降低等河道基本功能衰減的演變現(xiàn)象。河道萎縮主要表現(xiàn)為“灘槽并淤”和“集中淤槽”兩種模式,其主要特征是河槽過(guò)流能力降低、同流量下水位不斷抬升。若長(zhǎng)期缺乏大流量洪水過(guò)程,其泄洪輸沙能力會(huì)發(fā)生累積性降低,河道萎縮將進(jìn)一步加劇,當(dāng)河道萎縮至一定程度后,即使發(fā)生小流量洪水過(guò)程,也會(huì)形成漫灘成災(zāi)現(xiàn)象,從而產(chǎn)生“小水大災(zāi)”的不利局面。在一定的條件下,萎縮性河道是可以逆轉(zhuǎn)的。如小浪底水庫(kù)的運(yùn)用將大量泥沙攔截在水庫(kù)里,下泄水流含沙量很低,挾沙能力有較大富余,沖刷河床,展寬河槽,有利于萎縮性河道的重新塑造。2.工程沉積物(1)水庫(kù)泥沙治理的規(guī)劃據(jù)統(tǒng)計(jì),在世界范圍內(nèi)水庫(kù)的平均使用壽命約22年左右,這與從技術(shù)上來(lái)講一個(gè)水庫(kù)的使用壽命至少100年以上相差甚遠(yuǎn)。在20世紀(jì)前半葉,泥沙運(yùn)動(dòng)和水庫(kù)泥沙淤積理論就已基本建立,在一些特定的水庫(kù)中也曾采用沖刷和疏浚的辦法清除泥沙,1970年以后水庫(kù)清淤技術(shù)的研究和應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展,1980年以后水庫(kù)泥沙綜合管理理念變得更加清晰。1999年ICOLD清楚地闡述了水庫(kù)泥沙淤積及防治對(duì)策。近年我國(guó)在水庫(kù)淤積規(guī)律研究方面取得了系統(tǒng)研究成果,對(duì)水庫(kù)淤積的理論進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)象描述到機(jī)理揭示和定量表達(dá)的過(guò)渡。主要包括:水庫(kù)淤積形態(tài)的理論基礎(chǔ)、水庫(kù)異重流、淤積過(guò)程與部位、變動(dòng)回水區(qū)的沖淤、淤積與回水的相互作用、淤積平衡、淤積物干容重、庫(kù)容淤積控制、洪水位抬高控制、壩前泥沙和水流控制及水庫(kù)下游河床沖淤與演變等等。(2)泥沙沉速治理模型基于湍流猝發(fā)的時(shí)空尺度得到波浪和潮流作用下床面泥沙上揚(yáng)通量,然后根據(jù)連續(xù)律,建立了平衡近底含沙量的理論表達(dá)式。進(jìn)而根據(jù)波浪掀沙和潮流輸沙的模式,推導(dǎo)得出了物理概念清晰和充分考慮床面附近泥沙交換力學(xué)機(jī)理的潮流和波浪共同作用下的挾沙能力公式?；诓ɡ讼粕澈统绷鬏斏车奈锢韴D形,根據(jù)能量平衡方法和擴(kuò)散理論分別推導(dǎo)得出了破波區(qū)內(nèi)外含沙量的橫向分布表達(dá)式,彌補(bǔ)了Fick擴(kuò)散模型不考慮泥沙沉速的不合理性。在黃河口綜合治理的研究方面,提出了通過(guò)河口尾閭河道整治、河口攔門(mén)沙疏浚、充分利用海洋動(dòng)力、現(xiàn)有清水溝流路幾個(gè)分汊的交替使用等措施,保證清水溝流路使用100年的三個(gè)組合方案。在長(zhǎng)江口深水航道治理工程方案優(yōu)化研究方面,解決了長(zhǎng)江口深水航道治理一、二期工程建設(shè)中方案優(yōu)化、泥沙回淤、波浪設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)難題。(3)水庫(kù)駁岸泥沙作為一種資源與水資源一起進(jìn)行優(yōu)化配置,可達(dá)到興利除害和合理利用水沙資源的目的。如巴西的挖泥造地,美國(guó)圣地亞哥河口恢復(fù)治理,美國(guó)密西西比河的渾水灌溉,埃及尼羅河上的引洪改沙,日本利用水庫(kù)淤沙作為筑壩材料,我國(guó)淤改、泥沙造地、淤臨淤背等。隨著對(duì)泥沙資源化認(rèn)識(shí)的深入,開(kāi)發(fā)了流域泥沙處理和利用技術(shù),優(yōu)化配置理論也在逐漸形成,探討了流域泥沙資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和水資源系統(tǒng)的相互關(guān)系,泥沙資源優(yōu)化配置的原則和任務(wù)、原理與模型、潛力與能力、模式與技術(shù)、方案與評(píng)價(jià),提出了區(qū)域承沙能力的概念,建立了流域水沙資源聯(lián)合多目標(biāo)優(yōu)化配置理論框架。(4)發(fā)展能力與系統(tǒng)功能河流健康作為一個(gè)概念于1985年被正式提出。在國(guó)際上,雖然對(duì)河流健康定義還存疑義,但比較認(rèn)可的定義為:河流系統(tǒng)的健康是一種特定的系統(tǒng)狀態(tài),在該狀態(tài)下,河流系統(tǒng)在變化著的自然與人文環(huán)境中,能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和系統(tǒng)各組分間的相對(duì)平衡,實(shí)現(xiàn)正常的、有活力的系統(tǒng)功能,并具有可持續(xù)發(fā)展和通過(guò)自我調(diào)整而趨于完善的能力。在國(guó)內(nèi),不同研究者對(duì)河流健康概念和內(nèi)涵有不同認(rèn)識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為河流健康不是嚴(yán)格意義上的科學(xué)概念,其作用是建立相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和評(píng)估準(zhǔn)則體系,是一種河流管理的評(píng)估工具。有的觀點(diǎn)認(rèn)為不同時(shí)期河流健康的內(nèi)涵是有差別的,它應(yīng)隨著河流生命的階段、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步、人類(lèi)對(duì)其功能的要求而變化。也有觀點(diǎn)認(rèn)為河流健康的內(nèi)涵包括三方面內(nèi)容,即河道的健康,流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類(lèi)活動(dòng)的健康。河流健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多,國(guó)際上比較成熟的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)有藻類(lèi)指標(biāo),河流底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指標(biāo),生物完整性指標(biāo)(IBI)和河流狀況指標(biāo)(ISC)。國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo),長(zhǎng)江健康指標(biāo)包括12個(gè)定量指標(biāo)和2個(gè)定性指標(biāo),而黃河的健康指標(biāo)主要體現(xiàn)在“堤防不決口,河道不斷流,污染不超標(biāo),河床不抬高”4項(xiàng)標(biāo)志上。3.沙量模擬技術(shù)(1)關(guān)于目標(biāo)導(dǎo)向和模型相似理論的研究實(shí)體模型試驗(yàn)是研究河流在自然情況下及修建水工建筑物后預(yù)測(cè)水沙運(yùn)動(dòng)和河床演變的重要手段之一,特別對(duì)一些三維性較強(qiáng)的問(wèn)題,理論計(jì)算困難較大,通過(guò)模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行求解則更為有效。在實(shí)體模型相似律方面,提出了全沙河工模型試驗(yàn)理論,研究長(zhǎng)江葛洲壩樞紐工程、長(zhǎng)江三峽工程和黃河小浪底工程等泥沙問(wèn)題,從而使模型試驗(yàn)理論和試驗(yàn)技術(shù)得到了進(jìn)一步完善。近年基于在潮流、波浪作用下底沙和懸沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律方面所取得的研究成果,較為全面系統(tǒng)地研究了河口海岸全沙模型的相似理論,特別是變態(tài)模型的相似理論,為研究河口海岸工程泥沙問(wèn)題提供了可靠的技術(shù)手段。提出了黃河動(dòng)床泥沙模型相似律,解決黃河變態(tài)模型泥沙懸移相似、挾沙相似及游蕩性河段河型如何模擬等難題,而且解決了多沙河流模型沙材料的選取問(wèn)題。(2)非均勻泥沙模型河流數(shù)學(xué)模型的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代,70年代以后逐步成熟。在1989年第四次河流泥沙國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上,當(dāng)時(shí)的國(guó)際水力學(xué)會(huì)主席Kennedy指出泥沙研究的10個(gè)重要進(jìn)展之一就是河流數(shù)學(xué)模型,也是20世紀(jì)70年代以后唯一的重要進(jìn)展。國(guó)內(nèi)較有代表性的一維模型是基于非均勻不平衡輸沙理論發(fā)展起來(lái)的,能夠較好地模擬水流中非均勻泥沙的含沙量沿程變化、懸移質(zhì)級(jí)配沿程調(diào)整、強(qiáng)烈沖淤與微沖微淤、床沙級(jí)配細(xì)化與粗化、推移質(zhì)沖淤、變動(dòng)回水區(qū)沖淤、水庫(kù)翹尾巴、高含沙運(yùn)動(dòng)等。20世紀(jì)80年代末開(kāi)始建立起二維泥沙數(shù)學(xué)模型,發(fā)展迅速并得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和泥沙研究領(lǐng)域的擴(kuò)展和研究水平的不斷深入,三維泥沙數(shù)學(xué)模型在河流局部河段、湖泊,尤其在河口海岸泥沙問(wèn)題研究方面得到了發(fā)展與工程應(yīng)用。目前數(shù)學(xué)模型不僅在數(shù)值格式上朝著精度高、穩(wěn)定性和守恒性好、收斂速度快的方向發(fā)展;在功能上還逐漸將產(chǎn)流產(chǎn)沙的坡面流模型、河口海岸的泥沙輸移模型與傳統(tǒng)的河道沖淤、河寬調(diào)整模型一體化;在適用性方面,發(fā)展了基于完整的(而不是簡(jiǎn)化的)控制方程的全耦合數(shù)學(xué)模型,以適用于輸沙率高、河床變形很快的強(qiáng)沖積河流過(guò)程;在模擬技術(shù)上,將精細(xì)的三維模型與快速的一、二維模型結(jié)合起來(lái),形成所謂的耦合、嵌套模型來(lái)處理復(fù)雜的模擬區(qū)域。最近,提出的流域泥沙數(shù)字模型,將全流域(包括坡面、溝道及河道)作為一個(gè)系統(tǒng),從坡面侵蝕開(kāi)始,經(jīng)溝道、水庫(kù)、河道,直至河口的泥沙輸運(yùn)、沖刷和沉積的全過(guò)程。二、泥沙與其它方面的融合,研究水平相對(duì)落后縱觀泥沙學(xué)科的發(fā)展過(guò)程,泥沙基本理論大多在20世紀(jì)80年代以前建立起來(lái),比如泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、河床演變學(xué)、懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)、水流挾沙能力、水庫(kù)泥沙等。20世紀(jì)80年代以后,泥沙數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速,泥沙學(xué)科與其他學(xué)科的交叉和融合突出,解決了江河治理和水利水電工程建設(shè)中大量泥沙問(wèn)題。我國(guó)泥沙研究水平總體處于國(guó)際領(lǐng)先,在非均勻不平衡輸沙理論、水流挾沙能力、高含沙水流運(yùn)動(dòng)、泥沙異重流、泥沙運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)理論、水庫(kù)淤積與調(diào)度運(yùn)用方式、河流模擬理論與技術(shù)、河床演變與河道整治等多個(gè)研究方向居于國(guó)際領(lǐng)先水平。但是也應(yīng)該看到,將流域和河流作為一個(gè)完整系統(tǒng)加以研究和管理的理念晚于發(fā)達(dá)國(guó)家,這使得我們?cè)谏鷳B(tài)友好型的水利工程建設(shè)、流域綜合管理與環(huán)境泥沙結(jié)合等方面的研究和實(shí)踐相對(duì)落后。此外,在泥沙測(cè)量技術(shù)、商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)方面也相對(duì)滯后。這些都是我們需要追趕的領(lǐng)域。三、價(jià)格補(bǔ)充(1)研究對(duì)象近年,國(guó)內(nèi)對(duì)解決江河治理和水利水電工程建設(shè)中的泥沙問(wèn)題做了大量工作,泥沙基本理論研究稍顯薄弱,需要繼續(xù)加強(qiáng)這方面研究。最近,韓其為院士對(duì)河流泥沙基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究方向、主攻前沿及創(chuàng)新點(diǎn)提出了一些看法,包括泥沙起動(dòng)、非均勻沙床面泥沙交換、非均勻沙推移質(zhì)輸沙能力、非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙、河床演變、河口、海岸泥沙研究、水庫(kù)淤積、河流泥沙變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響、大規(guī)模深入開(kāi)展河流泥沙資料分析和大力發(fā)展邊緣學(xué)科與交叉學(xué)科等10個(gè)方向。(2)研究生物的生境從發(fā)展趨勢(shì)上看,泥沙學(xué)科與河流生態(tài)學(xué)科融合是必然的。在這方面需要關(guān)注的問(wèn)題包括:(1)利用環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)的知識(shí),掌握水生生物的生活習(xí)性和對(duì)棲息環(huán)境的要求;(2)利用水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變的基本原理,研究人類(lèi)活動(dòng)給水生生物棲息環(huán)境造成的影響,提出維持生態(tài)友好的措施;(3)將泥沙模型與現(xiàn)代生態(tài)模型融合,完善生態(tài)模型的功能。(3)流域泥沙的利用流域泥沙具有資源與災(zāi)害的雙重特性,作為災(zāi)害的一面已被廣泛認(rèn)識(shí),但作為資源的一面近年才逐漸被接受。流域泥沙可以被用來(lái)改良土地、固堤淤背、建筑材料、淤漲陸地等。目前泥沙利用的規(guī)模仍然較小,還沒(méi)有達(dá)到泥沙資源優(yōu)化配置,這方面的研究成果也不多,尚未形成一套完整的理論體系。今后應(yīng)該在流域泥沙資源優(yōu)化配置的原理、配置措施、配置模型方面繼續(xù)開(kāi)展深化研究,為泥沙資源的利用和合理配置提供更好的