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1、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
2、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
3、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
4、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。20一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
5、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
6、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(BagnoldNumber)。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)、
7、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
8、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
