導(dǎo)語：大學(xué)泥沙進(jìn)展研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

河海大學(xué)的河流泥沙運(yùn)動力學(xué)屬于江蘇省重點(diǎn)學(xué)科，擁有一大批具有中高級技術(shù)職稱的專門人才，建有大型試驗(yàn)廳4座，玻璃水槽20余條，可以觀測記錄水位、流速流向、含沙量、顆粒級配、淤積地形以及具有先進(jìn)的多邊界潮汐非恒定流數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)和ADV三維流速測量系統(tǒng)。多年來，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對水庫、河道、流域、水利樞紐、工礦企業(yè)、河口海岸等方面的泥沙問題進(jìn)行了較為深入的研究，形成了自己的特色，先后承擔(dān)了“七五”、“八五”國家攻關(guān)及自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，取得了一批成果，獲得各類科技進(jìn)步獎十余項(xiàng)，培養(yǎng)碩士、博士研究生30多名。

隨著河海大學(xué)首批進(jìn)入“211工程”，給本學(xué)科的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自1996年以來，學(xué)校逐步投入200多萬元進(jìn)行學(xué)科和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，至2000年，將建成一批較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為本學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造條件。

2.1降雨特性及雨蝕模擬

通過分析雨滴降落過程中的力學(xué)規(guī)律，從理論上導(dǎo)出了雨滴降落在任一高度時的速度計(jì)算公式，進(jìn)而導(dǎo)出了雨滴的終速公式。該公式由陳國祥、姚文藝研究完成，提出了雨滴變形的概念，用于描述直徑大于0.3mm的雨滴在降落過程中形狀因子對落速的影響。得到的終速公式與國內(nèi)外同類公式比較，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，形式簡單，與實(shí)測資料吻合好，計(jì)算精度高?？捎糜谟?jì)算雨滴終速，確定雨滴動能和設(shè)計(jì)人工模擬降雨裝置。

湯立群在分析雨滴濺蝕規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用牛頓第二運(yùn)動定律推導(dǎo)出雨滴對土粒的撞擊力表達(dá)式和雨滴濺蝕量計(jì)算公式。該研究與以往成果相比，具有力學(xué)概念清楚，理論性強(qiáng)，又能反映影響雨蝕主要影響因素等特點(diǎn)，可用來計(jì)算天然降雨的濺蝕量。

因“211工程”建設(shè)，目前正在改造大型人工降雨水槽試驗(yàn)裝置，使其成為能夠模擬降雨濺蝕、坡面徑流侵蝕和重力侵蝕的室內(nèi)人工降雨裝置，并開展這方面的研究。

2.2坡面流水力學(xué)

陳國祥等通過理論分析和室內(nèi)人工降雨水槽試驗(yàn)，研究了坡面淺層均勻流和降雨產(chǎn)生的沿程變量流的流態(tài)和阻力規(guī)律，研究表明，坡面淺層流與通常的明渠流不同，降雨、坡度及床面糙度對水流阻力都有一定影響。降雨條件下的沿程變量流不存在通常意義的層流，而是“偽層流”。坡面淺層水流無論是均勻流還是沿程變量流的“層流”，其臨界雷諾數(shù)均比天然河道水流的大。

在室內(nèi)人工降雨水槽試驗(yàn)基礎(chǔ)上，得到了降雨作用下坡面流的Darcy-Weisbach阻力系數(shù)關(guān)系式，成果具有坡度大，糙度高和雨強(qiáng)大等特點(diǎn)，公式的適用范圍更廣；李杰友等采用一維淺水波方程描述坡面流運(yùn)動，并用運(yùn)動波近似，通過四點(diǎn)隱式差分求其數(shù)值解，較好地解決了坡面流的模擬問題。

2.3流域侵蝕產(chǎn)沙模型

湯立群、陳國祥運(yùn)用泥沙運(yùn)動力學(xué)基本理論與方法，結(jié)合地理學(xué)、地貌學(xué)、土力學(xué)及水文學(xué)等學(xué)科知識，建立了具有物理過程基礎(chǔ)的小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型。該模型可模擬流域上任意時空分布的水流泥沙過程，為小流域開展綜合治理規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù)；針對黃河中游復(fù)雜的地形地貌條件和徑流泥沙過程，通過力學(xué)分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了適用于大中流域長系列徑流泥沙模擬的物理概念模型，突破了物理概念模型難以在大中流域上應(yīng)用的難點(diǎn)。該模型在“八五”攻關(guān)研究中被用來模擬大理河流域長系列的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，在水保效益計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了水沙變化原因分析。

另外，包為民提出了簡單的概念性坡面匯沙、溝道匯沙模式，與坡面、溝道產(chǎn)沙公式一起構(gòu)成了流域產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙的耦合模擬物理概念模型。該模型已在黃河中游地區(qū)十多個流域上得到應(yīng)用。

2.4水土保持減水減沙計(jì)算方法研究

傳統(tǒng)的水保效益計(jì)算方法有水文法和水保法兩種，在指導(dǎo)我國水土保持規(guī)劃與效益評價中發(fā)揮了重要的作用，但也存在不足。在“八五”攻關(guān)項(xiàng)目的研究中，我校湯立群等建立并提出了用模型法計(jì)算水土保持減水減沙效益，分析水沙變化之原因，取得了良好的效果。

但模型法屬于總量評價，不能區(qū)分各項(xiàng)水保措施的減水減沙效益。今后的研究是如何應(yīng)用模型法對水保效益進(jìn)行分離評估，以便切實(shí)有效地指導(dǎo)小流域綜合治理的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3泥沙基本理論研究

3.1推移質(zhì)對流速分布和阻力的影響研究

陳國祥在國家教委博士點(diǎn)基金的資助下，開展了推移質(zhì)對流速分布和阻力的影響試驗(yàn)研究。研究表明：動床輸送推移質(zhì)水流的流速分布受床面粗糙程度、床沙中孔隙流、推移質(zhì)運(yùn)動及推移質(zhì)運(yùn)動后床面邊界條件變化的綜合影響。推移質(zhì)的存在使水流流速分布在整個水深范圍內(nèi)卡門常數(shù)減小，水流底部流速偏小于對數(shù)規(guī)律；而床沙中孔隙流及推移質(zhì)運(yùn)動后床面邊界條件的變化則使底部流速偏大于對數(shù)規(guī)律。通過試驗(yàn)和一定理論推導(dǎo)，提出了可反映推移質(zhì)運(yùn)動影響的定床輸沙水流、動床輸沙水流的流速分布和阻力公式。

3.2明渠紊流結(jié)構(gòu)及其對泥沙輸運(yùn)的作用研究

卞華等在水利水電基金的資助下，分別采用不同單元斷面如方形、半圓柱形和三角形的人工加糙，對明渠二維加糙水流的阻力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到隨著加糙間距的增大阻力增大，至λ/Ks=8時，阻力達(dá)最大值，其后，隨λ/Ks的增大而減小，并總結(jié)出水流阻力因子的表達(dá)式。

毛野等在國家自然科學(xué)基金的資助下，開展了明渠紊流擬序結(jié)構(gòu)對泥沙輸運(yùn)的作用研究，該課題尚屬泥沙研究的前沿，以試驗(yàn)研究為主，將定床和動床相結(jié)合，采用圖象顯示技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)相結(jié)合的全流場測試系統(tǒng)，研究床面形態(tài)不同時紊流擬序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和對泥沙輸運(yùn)的作用，成果具有重要意義。

4泥沙數(shù)學(xué)模擬

我校泥沙數(shù)學(xué)模型包括一維、二維和三維，研究對象主要有河流、航道、水庫、港口、碼頭、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、控制體積法、破開算子法等幾種。

一維泥沙數(shù)學(xué)模型用來解決長河段長時段的泥沙運(yùn)動和河床演變問題，應(yīng)用比較廣泛，也比較成熟，可以取代實(shí)體模型試驗(yàn)，大大節(jié)省人力物力。湯立群、陳界仁運(yùn)用一維模型對白沙水庫泥沙淤積和取水方案進(jìn)行了計(jì)算，在長河段的贛江航道整治工程一維計(jì)算中，也發(fā)揮了較好的作用。

二維泥沙數(shù)學(xué)模型發(fā)展迅速，在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用，能較好地模擬水流結(jié)構(gòu)和泥沙運(yùn)動在平面上的分布規(guī)律，經(jīng)常與實(shí)體模型耦合運(yùn)用，相互印證，相互提供邊界，在某些場合下，部分地取代了實(shí)體模型，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，也促進(jìn)了泥沙基本理論的研究。比如，湯立群、金忠青等用擬合坐標(biāo)生成了正交曲線網(wǎng)格，運(yùn)用“露灘凍結(jié)”技術(shù)解決動邊界問題，考慮了床沙級配的分層記憶和床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的劃分，通過分組解決非均勻沙的挾沙能力表達(dá)式，在水流輸運(yùn)及分組含沙量輸運(yùn)方程的離散過程中，采用守衡性較好的控制體積法和SIMPLEC計(jì)算程式，建立了k-ε雙方程紊流泥沙數(shù)學(xué)模型，較好地模擬了內(nèi)河恒定流和潮汐河口非恒定流過程以及河床的沖淤變化，特別在航道整治工程方案優(yōu)化計(jì)算中取得良好效果。張長寬、張東生等基于長期波浪序列的沙質(zhì)海岸，建立了河床演變數(shù)學(xué)模型，對海區(qū)波浪、潮流和海岸演變進(jìn)行了模擬計(jì)算。

三維泥沙數(shù)模中，要以水流數(shù)值模擬研究為多，成果也相對成熟些，同時，三維泥沙數(shù)值模擬也取得了初步成果。比如，劉子龍、王船海等利用破開算子法對長江口三維水流過程進(jìn)行了有效的模擬。嚴(yán)愷、周華君對長江口渾濁帶特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，建立了三維擬合坐標(biāo)下的水流泥沙數(shù)學(xué)模型。陳國祥、陳界仁對國內(nèi)外三維泥沙數(shù)模研究進(jìn)行了分析比較和綜述，提出三維泥沙數(shù)模研究的必要性和迫切性。

5河工模型試驗(yàn)研究

5.1水利樞紐泥沙

我校70年代以來，一直堅(jiān)持本課題的理論分析和試驗(yàn)研究，近十年的研究主要包括：庫區(qū)淤積對防洪、發(fā)電和航運(yùn)的影響；壩前淤積與樞紐布置的關(guān)系；引航道和取水口淤積及防淤措施；壩下游河道沖刷演變及對航道的影響；水工樞紐如引水樞紐、地涵泥沙問題等，代表性的課題有“新疆烏魯瓦提水庫泥沙模型試驗(yàn)研究”、“廢黃河地涵整體泥沙模型試驗(yàn)”等近十項(xiàng)。

5.2河道泥沙

主要針對河道治理、河床演變、港口航道、河口泥沙、碼頭抗沖防淤措施等方面的工作進(jìn)行研究。在航道整治中，多年來結(jié)合生產(chǎn)需要對丁、順壩等整治建筑物作用下的水力學(xué)問題進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，包括實(shí)體丁壩及網(wǎng)壩的不同壩長、壩高、壩間距、壩與水流交角等情況下的水面形態(tài)和平面流場的研究，取得的成果為我國東南各省的水利工程及航道整治作出了貢獻(xiàn)，受到工程單位的好評，代表性的課題有“珠江蓮沙容水道八塘尾航道整治模型試檢研究”，“贛江南昌河段航道整治動床模型試驗(yàn)研究”，“閩江圍墾航道整治”等十余項(xiàng)。

5.3工業(yè)取排水口泥沙防治

近10年來，我校與華東、西北等多家電力設(shè)計(jì)院合作，通過現(xiàn)場調(diào)查與模型試驗(yàn)相結(jié)合等方法，提出了一種新的曲線河床式取水口，充分利用山區(qū)河流上常見的卡口、磯頭附近的深潭河段，準(zhǔn)確地確定取水口位置。與此同時，對下游河口段也進(jìn)行了較全面的研究，提出掌握主流變化規(guī)律，根據(jù)河勢避開暗沙運(yùn)動范圍，利用深水區(qū)，配合合理的進(jìn)出水口平面布置等措施取得成功。由于在河口、海灣等取水口的選址和防沙問題上積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，從而能在大亞灣核電站取水口研究中作出重大貢獻(xiàn)，獲國家科技進(jìn)步一等獎。如“上海石洞口電廠排水口動床物模研究”，“漳平電廠擴(kuò)建工程取水口局部動床模型試驗(yàn)研究”和“黃埔電廠浪沙回淤試驗(yàn)研究”等。

6量測技術(shù)及測控系統(tǒng)研究

近10年來，我校不僅在泥沙基礎(chǔ)理論及生產(chǎn)問題的研究中取得了一定成績，同時通過多年泥沙研究工作的實(shí)踐，還開發(fā)研制成功諸多用于泥沙研究的儀器設(shè)備，如：NSY-1型光電顆分儀；NSY-2型寬域粒度分析儀；光電反射式地形儀；自動往復(fù)推移質(zhì)加沙機(jī)；大型實(shí)體模型試驗(yàn)計(jì)算機(jī)全流場圖象測速分析系統(tǒng)；多邊界潮汐非恒定流數(shù)據(jù)自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)。這些儀器及系統(tǒng)的研制為研究課題成果質(zhì)量提供了保證，部分儀器設(shè)備處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

6.1光電反射式地形儀

針對已有地形儀(光電對射式、電阻式、超聲波式、測針或鋼尺)會破壞測點(diǎn)地形，產(chǎn)生的誤差大等問題，唐洪武、李瑾等研制出光電反射式地形儀，該儀器在測量過程中探頭不必插入泥沙界面，也能對1mm厚度以下的淤積層進(jìn)行測量，光電反射式傳感器自身理論控制精度可達(dá)0.01mm，不受外界光的干擾，還可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于測壓管水位的測量，尤其在微壓變化情況下使用，更顯其優(yōu)越性。

6.2大型實(shí)體模型計(jì)算機(jī)全流場圖象測速分析系統(tǒng)

近10年來，先后開發(fā)出CCD氫泡低流速測量系統(tǒng)、粒子圖象測量系統(tǒng)和用于大型實(shí)體模型研究的圖象測速分析系統(tǒng)。CCD氫泡低流速測量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的氫泡測量的基礎(chǔ)上，引入CCD面陣攝象技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行氫泡圖象自動采集、處理與分析，做到準(zhǔn)實(shí)時，減少了人工工作量；粒子圖象測量系統(tǒng)的特點(diǎn)是操作方便，設(shè)備成本低，約為國外進(jìn)口設(shè)備的1/10，工作環(huán)境要求不高，獨(dú)創(chuàng)之處是將微光象增強(qiáng)技術(shù)和聲光調(diào)制技術(shù)引用至該系統(tǒng)，使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在低功率連續(xù)激光照明條件下，滿足高清晰度、測速變化范圍大的要求，已用于多項(xiàng)國家基金、縱向、橫向科研課題中，取得明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益；工程實(shí)體模型圖象測速分析系統(tǒng)，則是針對工程模型的特點(diǎn)，特別是渾水泥沙模型中流速場的測量困難而提出的，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)記錄整個模型現(xiàn)場，不需要錄象機(jī)參與就可以實(shí)現(xiàn)多幅畫面的拼接，流速測量精度高(5‰級)，系統(tǒng)的分析軟件功能強(qiáng)。代表性成果有唐洪武等完成的“數(shù)字圖象技術(shù)在雙射流混合流場中的應(yīng)用”和“數(shù)字圖象測速技術(shù)及在進(jìn)水口漩渦流場中的應(yīng)用研究”等。

6.3多邊界潮汐非恒定流數(shù)據(jù)自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)

多年來通過河工模型工作實(shí)踐，在學(xué)校“211工程”建設(shè)資助下，徐夕榮，周汝盛等完成了多邊界潮汐非恒定流數(shù)據(jù)自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用PID原理自動調(diào)節(jié)尾門，能準(zhǔn)確模擬各邊界的水位和流量過程，同時檢測64個測量流速，32個測站水位和32路模擬量輸入(如含沙量等)。各測量數(shù)據(jù)可隨時從計(jì)算機(jī)顯示器上觀看，并打印輸出。為配合自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行，還在該系統(tǒng)上配上監(jiān)視系統(tǒng)，工作人員可在與模型現(xiàn)場隔離的控制室內(nèi)對模型的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視、錄象，遇有緊急情況還可隨時通過話筒通知模型現(xiàn)場工作人員，因此該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅提高模型試驗(yàn)成果的質(zhì)量，還節(jié)省了大量人力和物力。

6.4河流泥沙顆分儀

盧永生等自1977年開始研究河流泥沙顆分儀，先后研制出(1)GDY-1型光電顆分儀；(2)NSY-1型光電顆分儀；(3)NSY-2型寬域粒度分析儀。三種儀器共推廣約150臺。NSY-2型寬域粒度分析儀于1990年通過水利部鑒定，創(chuàng)新之處在于：(1)使用長管渾勻沉降原理進(jìn)行顆粒分選，使儀器和傳統(tǒng)的水沉法具有可比性；(3)用IBM計(jì)算機(jī)完成采樣、繪圖任務(wù)，實(shí)現(xiàn)量測自動化。

7水流泥沙運(yùn)動的多媒體動態(tài)演示

水流泥沙運(yùn)動和河床演變過程貫穿于一個動字，特別適合于用多媒體進(jìn)行動態(tài)和過程的描述。但如何把水流泥沙模擬過程中大量枯燥的數(shù)據(jù)、圖表以生動、活潑、直觀、友好的方式表現(xiàn)出來，并不是一件易事，這是泥沙研究工作者為之努力的方向之一。

7.1水流泥沙運(yùn)動過程動態(tài)演示系統(tǒng)

該系統(tǒng)就是把水流泥沙運(yùn)動狀況或河床邊界的變化過程，在計(jì)算機(jī)屏幕上逼真地表現(xiàn)出來。近年來，我校在這方面進(jìn)行了嘗試。紀(jì)元、張東生研制完成了南中國海潮波傳播的動態(tài)變化，污染物質(zhì)擴(kuò)散過程的動態(tài)變化，熱污染溫度場的動態(tài)變化；金忠青、王玲玲等研制出三峽庫區(qū)三維地形俯視動態(tài)系統(tǒng)，湯立群、王加虎等完成了潮汐河口潮位動態(tài)變化和潮流仿真動態(tài)演示系統(tǒng)等。

7.2模擬結(jié)果的多媒體演示系統(tǒng)

該系統(tǒng)就是利用多媒體技術(shù)把數(shù)模結(jié)果以文字、圖片、圖象、音效、動畫及視頻等形式表現(xiàn)出來，通過觀看多媒體電影，可以直觀地了解研究區(qū)域的概況，水文氣象特性，水流泥沙特性和河床演變特性，可以了解數(shù)模的建立方法和基本問題的處理，直觀地表現(xiàn)模型的驗(yàn)證結(jié)果及方案計(jì)算結(jié)果。自1998年以來，湯立群、楊濤等用Authorware等一批比較專業(yè)的多媒體編輯軟件開發(fā)了贛江(樟樹～南昌)河段航道整治數(shù)模結(jié)果多媒體演示系統(tǒng)。