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武汉水利电力大学泥沙研究进展

[日期:2004-03-17] 来源:中国水资讯网:泥沙研究  作者: [字体: ]
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武汉水利电力大学泥沙研究进展

李义天,谢鉴衡,王明甫
(武汉水利电力大学)


1 工程泥沙实验室概况

  武汉水利电力大学工程泥沙(原名河流泥沙)实验室成立于1958年,实验室占地4500m2,水槽大厅内有大、中、小三个玻璃水槽,三相流管道输送系统自成体系,可单独运行,河工模型试验大厅有完备的清浑水系统及较为先进的测控网络系统。研究方向覆盖了泥沙运动基本理论、防洪及治河工程、河流模拟理论和技术等与工程泥沙有关的领域,理论联系实际是我校泥沙研究的宗旨和特色,紧密结合我国大型水利水电工程建设一直是我校泥沙研究的主攻方向。实验室积极参加国家重大工程建设,1985年以来,承担了大量的国家自然科学基金、国家科技攻关项目和各类生产任务,为长江三峡,黄河小浪底、李家峡、公伯峡、万家寨、小峡,金沙江向家坝及溪洛渡,澜沧江小湾、景洪,洪水河白龙滩,白龙江紫兰坝,赣江万安等20多个水电工程的建设做出了贡献。为长江、黄河治理、城市防洪、航道港口整治、南水北调及大型火电厂取水工程等泥沙问题的解决,做了大量的工作。

  在参加国家工程建设的同时,实验室努力探索工程中涉及的泥沙运动及河床演变基本理论问题,为推动学科发展做出了贡献。在非均匀沙起动与输移、分组水流挟沙力、高含沙水流紊动结构等泥沙运动基本理论问题,修建工程后的河床演变及河型转化、江湖关系等河床演变基本规律方面取得了大量的研究成果。河流模拟理论与技术在我室飞速发展,所研究的多套泥沙数学模型已广泛应用于生产实践,其理论与技术水平已跻身于国际先进行列,一整套实体模型设计理论与方法已达到国际先进水平,实验室开发的河工模型试验测控网络系统已投入运用,自制的水位计、地形仪、微型流速记数器等已销往国内外。

  90年代以来,实验室出版专著10余部,平均每年公开发表论文30余篇,获国家级奖1项,省部级奖10余项。目前,实验室正在“211”工程项目的资助下进行大规模的建设,为将我室建设成面向21世纪的现代化实验室而努力奋斗。

2 泥沙运动及河床演变基本理论的研究进展

  在泥沙运动基本理论方面 对非均匀沙的沉速、起动、推移质输沙率、悬移质挟沙力、含沙量沿垂线分布、异重流运动规律、高含沙水流的基本特性及紊动结构、三相管流节能输送等方面的课题进行了长期大量的研究工作,并取得了一大批重要的研究成果。近年来先后提出了非均匀沙的动水沉降公式、起动流速及推移质输沙率公式,河床粗化计算公式,平面二维阻力计算公式及水流挟沙力计算公式,非均匀沙挟沙力公式,高、中、低浓度统一的水流挟沙力公式,考虑颗粒无规则运动与水流紊动影响的高含沙水流流变参数的计算公式,异重流头部运动速度计算公式,破除异重流的临界速度计算公式,盲肠河段水位波动计算公式及回流区泥沙淤积计算公式等。这些研究成果均是在研究和解决我国长江葛洲坝、三峡水利枢纽工程、黄河中游水土流失及下游河床淤积以及大量的水利、航运、交通、取水等工程中的泥沙问题过程中,不断探索和总结得到的,并在推动泥沙学科发展过程中不断发展和完善的。

  在河床演变与整治方面 自50年代以来,从我国河流特点出发,将平原河流划分为顺直、蜿蜒、分汊及游荡四类河型。以此为出发点,进行了大量的野外观测资料分析及室内试验研究,探讨了它们的成因、河床形态、水流结构、泥沙运动及河床演变特性,结合长江中下游蜿蜒及分汊河段和黄河下游游荡型河段的整治及这些河流上游大型水利水电枢纽的建设,深入探讨了河道的再造床过程及各类河型整治原则、措施及可能产生河型转化的必要条件。在河相关系方面,研究了冲积河流纵剖面、横断面、平面形态与水力泥沙要素之间的关系,对控制河床形态的各种物理机制进行了多方面的探讨。多年来的研究成果还为解决我国大江大河开发治理中面临的许多实际问题发挥了重要的作用,例如长江荆江河段裁弯取直、葛洲坝枢纽河势规划及引航道泥沙淤积、三峡工程变动回水区泥沙淤积对航运的影响、坝区引航道泥沙淤积、下游河床冲刷对防洪、航运及江湖关系变化等的影响,黄河下游河道与河口淤积及治理途径、小浪底及三门峡水库泥沙淤积,大型水电站、火电厂、核电站、工矿企业及灌溉取水防沙工程等问题。这些研究成果为工程的规划、可行性研究、设计及管理运行提供了科学依据。

3 河流模拟理论及技术的研究进展

  河流模拟的研究内容包括数学模型和实体模型两部分。在数学模型方面,已建立了多套分别适应于少沙及多沙河流的一维恒定流、不恒定流、河网不恒定流、平面二维及一二维嵌套水沙数学模型,在计算模式、参数选择、数值计算方法及计算结果的后处理等方面均取得了重要的研究进展,并在研究和解决大量生产实践问题中得到了广泛的应用。我室开发的用于计算河道、水库冲淤的一维数学模型,已在国内大、中、小河流中的水利水电工程的研究、设计中得到普遍应用,模型推广和使用的单位包括中南勘测设计研究院、成都勘测设计研究院、昆明勘测设计研究院、西北勘测设计研究院、北京勘测设计研究院、华东勘测设计研究院、天津勘测设计研究院、黄河水利委员会勘测设计研究院、云南省、辽宁省、湖南省水利水电设计研究院,广西玉林地区水科所等。模型涉及的水利水电工程包括:金沙江向家坝电站、溪洛渡水电站、南盘江天生桥二级水电站、澜沧江小湾水电站、黄河上游公伯峡水电站、万家寨水电站、汉江崔家营航电枢纽工程、张河湾抽水蓄能电站等。一维河网水动力学模型自1995年以来已在荆江及洞庭湖区的防洪调度中得到应用,并产生了巨大的社会及经济效益,目前正在永定河流域推广应用。平面二维泥沙数学模型在研究和解决三峡工程变动回水区、坝区及坝下游河道的泥沙问题、江西万安水电站、云南景洪水电站、辽宁蒲石河抽水蓄能电站、武汉阳逻电厂取水工程、南水北调中线工程、京沪高速铁路南京越江工程、长江中下游河道及航道整治工程、黄河中下游河道整治等工程中得到了广泛的应用。

  在实体模型方面,建立了一整套河工模型设计理论与方法,在模型几何变态、比降二次变态、模型沙的选择、宽级配非均匀沙模拟等方面提出了新的理论和模拟方法,并在研究和解决大量的工程泥沙问题中积累了丰富的经验。近年来完成了三峡工程变动回水区青岩子河段模型试验、坝区局部概化模型试验、坝下游芦家河河段模型试验、黄河小浪底水库电站冲刷漏斗概化模型试验、内蒙托克托电厂取水口模型试验、南水北调穿沙河段模型试验、红水河百龙滩枢纽泥沙模型试验、白龙江紫兰坝枢纽泥沙模型试验、螺丝湾枢纽泥沙模型试验、景洪水电站泥沙模型试验、尼泊尔波迪·科西电站水工泥沙整体模型试验、云南糯租水电站水工泥沙整体模型试验、阳逻电厂三期工程取水口模型试验等国家和地方的重大工程泥沙问题研究任务。

  在模型试验测量仪器及技术方面 根据泥沙运动基本理论问题及生产科研试验的需要,先后研制了DH-1型自动跟踪水位仪、DH-2型自动跟踪水位仪、MLV-1便携式微型低值流速仪、MLC-1微型流速计数器、RDV4-2型四线双向流速仪、OV8-2型八线光电流速仪、SH-1微型沙面判别仪、HQC-1型PID调节器、MQC-1型堰式流量控制器、MCS-1型测量控制系统、AGF2-1地形测量系统等多种仪器和设备,发展了细颗粒模型沙电化学作用的控制方法及用染色沙研究泥沙运动基本规律的研究方法等。这些仪器和测量技术为提高试验成果的精度、加快试验进度、节省研究工作的开支等发挥了重要作用。

4 未来研究工作的展望

  随着我国水利水电建设事业的发展,工程规划、设计水平的提高及人们对泥沙问题认识的加深,我们虽然取得了一定的研究成果,但由于泥沙问题本身的复杂性,大量的泥沙问题仍有待研究和解决。

  在泥沙运动基本理论方面 以往的研究工作大多是建立在恒定均匀流概念基础之上的,而河流中的水沙运动是非恒定、非均匀的,在实际应用中往往是通过调整某些经验参数来适应河流中的实际水沙变化情况。正因为存在这些问题,往往对河道发生的实际冲淤情况不能准确预测。

  在河床演变规律方面 由于长时期的泥沙淤积,大江大河的河床不断淤高,过水能力不断降低,同流量下的水位大幅度升高,洪灾损失逐年加剧。然而,我们对水沙灾害的认识非常有限,长江部分测站洪水位不断破历史最高记录,黄河下游同流量洪水位不断抬高并连续多年断流,已在某种程度上转化为间歇性河流,这些问题的影响因素非常复杂,需要研究的关键性环节很多,不仅涉及到水、沙运动及河床演变,人类活动的影响也非常之大。采用传统的研究方法来研究这些问题存在不少困难,只有通过水利、地学及社会经济等多学科的紧密结合研究,才能使问题得到解决。此外,目前对水沙条件发生较大变化后,冲积河流调整的机制在定性上还认识不清,如以深蚀为主,还是以侧蚀为主等问题。因此,必须发展新的研究手段和途径才能适应研究这些问题的需要。

  在河流模拟理论与技术方面 河工模型试验理论及技术、一维及平面二维泥沙数学模型虽然已比较成熟,并在研究和解决大量的工程泥沙问题中发挥了重要的作用,但由于泥沙问题本身的复杂性,泥沙运动的许多基本问题还认识不清,因此河工模型的设计理论和方法及数学模型的计算模式和数值方法等还需进一步研究和完善。此外,还需引进现代研究工具,如引进目前发展比较成熟的GPS及GIS系统,实时监测野外及实验中的水沙变化情况等;引进现代图象处理系统,使数学模型的计算结果更直观;改进和完善模型测量仪器和自动测控系统,以提高试验成果的精度和可靠性等。数学模型和实体模型的有机结合及三维数学模型是我们的重点开发对象。随着我国沿海城市的对外开放和发展,大量河口海岸的滩涂开发及港口码头建设中泥沙问题也有待研究。

  在深入研究泥沙问题本身的同时,泥沙研究的领域还需要扩展。许多问题都与泥沙问题类似,其控制方程与泥沙运动的基本方程也基本相同,如泥沙挟带的污染问题、热污染及大量的环境问题及冰期输水问题等。这些问题的物理机制与泥沙问题有许多类似之处,只要将泥沙问题的研究成果加以扩展,就可在一定程度上适应研究这些问题的需要,或从中受到启发。我室新近进行的南水北调中线调水方案冰期输水研究揭示了这一方面可能存在的问题及应采取的对策。此外,开展有关泥沙治理中的经济问题也是很有必要的。

5 结语

  我国泥沙问题十分严重,水沙灾害严重地制约着国民经济的持续快速发展,大量的水资源尚待开发利用,泥沙研究工作者任重道远。武汉水利电力大学的泥沙研究工作是在国内外有关单位和同仁的关怀和帮助下发展起来的,今后的发展和进步仍离不开各界同行的关心和支持。

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