水利工程論文-河海大學泥沙研究進展及成果綜述.doc

水利工程論文-河海大學泥沙研究進展及成果綜述摘要：在模擬物理概念模型、泥沙基本理論研究、泥沙數(shù)學模擬、河工模型試驗研究、量測技術及測控系統(tǒng)研究、水流泥沙運動的多媒體動態(tài)演示等研究進展及成果綜述。關鍵詞：河海大學泥沙研究1前言河海大學的河流泥沙運動力學屬于江蘇省重點學科，擁有一大批具有中高級技術職稱的專門人才，建有大型試驗廳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，研究領域不斷擴大，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行了較為深入的研究，形成了自己的特色，先后承擔了“七五”、“八五”國家攻關及自然科學基金等項目，取得了一批成果，獲得各類科技進步獎十余項，培養(yǎng)碩士、博士研究生30多名。隨著河海大學首批進入“211工程”，給本學科的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。自1996年以來，學校逐步投入200多萬元進行學科和實驗室建設，至2000年，將建成一批較先進的實驗設備，為本學科的進一步發(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規(guī)律，從理論上導出了雨滴降落在任一高度時的速度計算公式，進而導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，具有較強的理論基礎，形式簡單，與實測資料吻合好，計算精度高。可用于計算雨滴終速，確定雨滴動能和設計人工模擬降雨裝置。湯立群在分析雨滴濺蝕規(guī)律的基礎上，運用牛頓第二運動定律推導出雨滴對土粒的撞擊力表達式和雨滴濺蝕量計算公式。該研究與以往成果相比，具有力學概念清楚，理論性強，又能反映影響雨蝕主要影響因素等特點，可用來計算天然降雨的濺蝕量。因“211工程”建設，目前正在改造大型人工降雨水槽試驗裝置，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坡面流水力學陳國祥等通過理論分析和室內(nèi)人工降雨水槽試驗，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)人工降雨水槽試驗基礎上，得到了降雨作用下坡面流的Darcy-Weisbach阻力系數(shù)關系式，成果具有坡度大，糙度高和雨強大等特點，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動，并用運動波近似，通過四點隱式差分求其數(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、陳國祥運用泥沙運動力學基本理論與方法，結合地理學、地貌學、土力學及水文學等學科知識，建立了具有物理過程基礎的小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學模型。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)劃提供科學的決策依據(jù)；針對黃河中游復雜的地形地貌條件和徑流泥沙過程，通過力學分析和數(shù)學推導，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用的難點。該模型在“八五”攻關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，在水保效益計算的基礎上，進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用。2.4水土保持減水減沙計算方法研究傳統(tǒng)的水保效益計算方法有水文法和水保法兩種，在指導我國水土保持規(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”攻關項目的研究中，我校湯立群等建立并提出了用模型法計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)分各項水保措施的減水減沙效益。今后的研究是如何應用模型法對水保效益進行分離評估，以便切實有效地指導小流域綜合治理的規(guī)劃設計。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)運動及推移質(zhì)運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。通過試驗和一定理論推導，提出了可反映推移質(zhì)運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明渠紊流結構及其對泥沙輸運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行了系統(tǒng)的試驗研究，得到隨著加糙間距的增大阻力增大，至/Ks=8時，阻力達最大值，其后，隨/Ks的增大而減小，并總結出水流阻力因子的表達式。毛野等在國家自然科學基金的資助下，開展了明渠紊流擬序結構對泥沙輸運的作用研究，該課題尚屬泥沙研究的前沿，以試驗研究為主，將定床和動床相結合，采用圖象顯示技術與計算機圖象處理技術相結合的全流場測試系統(tǒng)，研究床面形態(tài)不同時紊流擬序結構的特點和對泥沙輸運的作用，成果具有重要意義。4泥沙數(shù)學模擬我校泥沙數(shù)學模型包括一維、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)學模型用來解決長河段長時段的泥沙運動和河床演變問題，應用比較廣泛，也比較成熟，可以取代實體模型試驗，大大節(jié)省人力物力。湯立群、陳界仁運用一維模型對白沙水庫泥沙淤積和取水方案進行了計算，在長河段的贛江航道整治工程一維計算中，也發(fā)揮了較好的作用。二維泥沙數(shù)學模型發(fā)展迅速，在生產(chǎn)上得到了廣泛應用，能較好地模擬水流結構和泥沙運動在平面上的分布規(guī)律，經(jīng)常與實體模型耦合運用，相互印證，相互提供邊界，在某些場合下，部分地取代了實體模型，取得了極大的經(jīng)濟效益，也促進了泥沙基本理論的研究。比如，湯立群、金忠青等用擬合坐標生成了正交曲線網(wǎng)格，運用“露灘凍結”技術解決動邊界問題，考慮了床沙級配的分層記