水利工程論文-河海大學(xué)泥沙研究進(jìn)展及成果綜述.doc

水利工程論文-河海大學(xué)泥沙研究進(jìn)展及成果綜述摘要：在模擬物理概念模型、泥沙基本理論研究、泥沙數(shù)學(xué)模擬、河工模型試驗(yàn)研究、量測(cè)技術(shù)及測(cè)控系統(tǒng)研究、水流泥沙運(yùn)動(dòng)的多媒體動(dòng)態(tài)演示等研究進(jìn)展及成果綜述。關(guān)鍵詞：河海大學(xué)泥沙研究1前言河海大學(xué)的河流泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)屬于江蘇省重點(diǎn)學(xué)科，擁有一大批具有中高級(jí)技術(shù)職稱的專(zhuān)門(mén)人才，建有大型試驗(yàn)廳4座，玻璃水槽20余條，可以觀測(cè)記錄水位、流速流向、含沙量、顆粒級(jí)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(cè)量系統(tǒng)。多年來(lái)，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)水庫(kù)、河道、流域、水利樞紐、工礦企業(yè)、河口海岸等方面的泥沙問(wèn)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(guó)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(lèi)科技進(jìn)步獎(jiǎng)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(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自1996年以來(lái)，學(xué)校逐步投入200多萬(wàn)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(guò)分析雨滴降落過(guò)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(shí)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(guó)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(guò)程中形狀因子對(duì)落速的影響。得到的終速公式與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)公式比較，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，形式簡(jiǎn)單，與實(shí)測(cè)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(dòng)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(dòng)定律推導(dǎo)出雨滴對(duì)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(lái)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(kāi)展這方面的研究。2.2坡面流水力學(xué)陳國(guó)祥等通過(guò)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(duì)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(wú)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(dòng)，并用運(yùn)動(dòng)波近似，通過(guò)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(wèn)題。2.3流域侵蝕產(chǎn)沙模型湯立群、陳國(guó)祥運(yùn)用泥沙運(yùn)動(dòng)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(shí)，建立了具有物理過(guò)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(shí)空分布的水流泥沙過(guò)程，為小流域開(kāi)展綜合治理規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù)；針對(duì)黃河中游復(fù)雜的地形地貌條件和徑流泥沙過(guò)程，通過(guò)力學(xué)分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了適用于大中流域長(zhǎng)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(lái)模擬大理河流域長(zhǎng)系列的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)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(jiǎn)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(gè)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(guó)水土保持規(guī)劃與效益評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，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(duì)水保效益進(jìn)行分離評(píng)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(duì)流速分布和阻力的影響研究陳國(guó)祥在國(guó)家教委博士點(diǎn)基金的資助下，開(kāi)展了推移質(zhì)對(duì)流速分布和阻力的影響試驗(yàn)研究。研究表明：動(dòng)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(dòng)及推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(gè)水深范圍內(nèi)卡門(mén)常數(shù)減小，水流底部流速偏小于對(duì)數(shù)規(guī)律；而床沙中孔隙流及推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)后床面邊界條件的變化則使底部流速偏大于對(duì)數(shù)規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)和一定理論推導(dǎo)，提出了可反映推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響的定床輸沙水流、動(dòng)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(duì)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(duì)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/Ks=8時(shí)，阻力達(dá)最大值，其后，隨/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(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，開(kāi)展了明渠紊流擬序結(jié)構(gòu)對(duì)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(dòng)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(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，研究床面形態(tài)不同時(shí)紊流擬序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和對(duì)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(duì)象主要有河流、航道、水庫(kù)、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(kāi)算子法等幾種。一維泥沙數(shù)學(xué)模型用來(lái)解決長(zhǎng)河段長(zhǎng)時(shí)段的泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變問(wèn)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(duì)白沙水庫(kù)泥沙淤積和取水方案進(jìn)行了計(jì)算，在長(zhǎng)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)邊界問(wèn)題，考慮了床沙級(jí)配的分層記