中国泥沙研究述评

文章编号:1001-6791(1999)03-0337-08

中国泥沙研究述评

王光谦

(清华大学水利水电工程系,北京100084)摘要:我国的泥沙研究取得了巨大成就,是少数几个保持国际领先水平的学科之一。对泥沙学科的

特点进行简要说明;介绍了我国泥沙研究取得的代表性重要成果;讨论了泥沙学科未来的发展

趋势。

关　键　词:中国;泥沙研究;评述

中图分类号:T V 152 文献标识码:A

1　泥沙学科的研究领域

泥沙学科主要包括泥沙运动力学、河道演变学、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理、高含沙水流与泥石流等方面的内容,研究水流中泥沙运动规律、河道演变规律,解决水利工程中的泥沙问题[1～15,36]。

泥沙研究是水利工程师和地理学家共同关心的问题。我国古代李冰父子在修筑都江堰引水工程时,已经充分掌握了水流泥沙的运动规律,体现在: 修筑鱼嘴分流分沙,小水时流路走弯,较多的水量分入内江,大水时流路走直,较多的洪水通过主河道——外江泄洪,保证了位于内江的宝瓶口始终分得较为稳定的流量和较少的沙量。 利用弯道环流作用,底部粗颗粒泥沙从凹岸向凸岸运动,把引水口布置在弯道的凹岸,减少了进入引水口宝瓶口的泥沙。 在宝瓶口的上游修筑飞砂堰,连通内外江,小水时二次分流,大水时分流分沙,使得大洪水时泥沙起动通过飞砂堰排入外江。此外,由于宝瓶口的壅水作用,大部分泥沙沉积在宝瓶口前,便于在枯水期清理。!鱼嘴、飞砂堰、宝瓶口三者结合一体,使灌区只引进挟沙较少的清水,而岷江挟带的大量沙卵石则由排洪河道的外江宣泄,每年冬末岁修淘淤,这是都江堰工程一直顺利运行2000多年,历久不废的根本原因和基本经验。研究表明,都江堰工程设计与布置巧妙地利用了水流泥沙运动特性,完全符合现代泥沙运动力学原理。尽管国内外河道治理不乏成功的例子,但是泥沙学科的建立还是本世纪的事情。早在19世纪末期,法国的DuBoy s 第一次提出推移质运动的拖曳力理论。Gilbert 在本世纪初通过水槽实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。Ro use 在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,至今还在广泛地应用。一门学科通常是由大师建立的,泥沙学科也不例外。Einstein [31～33]、Bag no ld [27～30]、Eng lund [34,35]等泥沙研究大师奠定了传统泥沙学科的基石。泥

　第10卷第3期

　1999年9月 水科学进展ADVA NCES IN WAT ER SCIENCE V ol.10,N o.3 Sep.,1999 收稿日期:1999-07-15;修订日期:1999-08-15作者简介:王光谦(1962-),男,河南南阳人,清华大学教授,博士生导师,博士。主要从事泥沙运动

力学研究,发表学术论文80余篇。

338水科学进展第10卷

沙运动既是确定的也是随机的,Einstein首创用统计的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。特别突出的是该计算公式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。Bag no ld更注重泥沙运动的物理本质,用基本物理概念和物理过程的描述方法来研究泥沙运动规律,擅长物理过程观察、理论分析和实验研究。Bagnold基于对泥沙运动物理过程的深刻理解得出的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式,物理概念明确,理论分析合理,具有较高的计算精度。特别是关于颗粒作用的同心圆筒实验研究,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。这一实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。Bag no ld提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被后人称之为拜格诺数(Bag nold Num ber)。Englund基本上遵循Einstein和Bagnold的概念和体系,进行了深入研究。

在我国,沙玉清[4]和张瑞谨[6]等老一代泥沙专家对泥沙学科发展奠定了基础。随着解放后大江大河治理的推动,我国的泥沙专家逐步完善了泥沙学科体系。在学科体系上体现中西贯通的特色。本学科的许多著名专家都是在国外学成回国,例如,钱宁、林秉南、夏震寰、谢鉴衡、窦国仁等先生,掌握国外进展并结合中国大江大河开发与治理的具体实际,把我国的泥沙研究推向黄金时代。在理论研究上取得了国际领先水平的成果。例如,非平衡输沙理论、高含沙水流运动理论等等。在应用上成功的解决了重大工程泥沙问题,例如,葛洲坝工程和三峡工程泥沙问题。特别是泥沙学科人才辈出,使得泥沙学科成为水利诸学科中最活跃的学科之一。

2　我国泥沙研究取得的主要成就

我国泥沙研究取得的主要成就概括讲,包括建立了泥沙学科的理论体系,应用泥沙运动基本理论解决我国重大水利工程和河道治理工程关键技术问题并取得显著成绩。几个突出的方面为: 非平衡输沙理论; 高含沙水流运动机理与理论;工程泥沙研究;!河道演变规律及治河工程。

(1)非平衡输沙研究　窦国仁先生较早提出非平衡输沙理论[17]。他在60年代发表关于非平衡输沙理论的论文,详细分析了非平衡输沙机理,并提出了初步的理论体系。韩其为后来进一步系统研究了非平衡输沙问题[19],完善了概念和理论,并作为基础开发出泥沙数学模型。目前国外关于泥沙数学模型,大部分还是采用平衡输沙的概念。这对于卵石推移质为主的少沙河流,由于悬移质含量少,河床调整速度快,还可近似采用。而对于多沙河流,河床调整速度慢,影响距离长,平衡输沙理论将产生较大误差,必须用非平衡输沙理论描述。关于非平衡泥沙扩散过程的理论研究,在60年代侯晖昌 、张启舜等[18]作了深入细致的分析工作,对冲刷过程中含沙量沿程恢复问题和淤积过程中含沙量沿程递减问题进行了很好的理论分析与解释,得出的结果至今还有指导意义。现阶段非平衡输沙计算中的恢复饱和系数的确定和床面泥沙与运动泥沙的交换机理为该方面研究的焦点问题,周建军[25]、王士强等[26]人最近分别进行过研究。

(2)高含沙水流研究　高含沙水流是指含沙量高达400kg/m3的挟沙水流。我国黄河干支流经常发生,最高含沙量为1600kg/m3,世界上所有河流无出其右。由于含沙量高,水流的运

侯晖昌,陈明,张启舜.含沙量沿程恢复的理论分析[C].水利水电科学研究院报告,1964.