清华大学泥沙研究回顾_王光谦

DOI:10.16239/ ki.0468-155x.1999.06.005
泥沙研究
　1999年12月Journal of Sediment Research第6期
清华大学泥沙研究回顾
王光谦,张　仁,惠遇甲,王桂仙,王兴奎
(清华大学,北京100084)
中图分类号:N1　文献标识码:B　文章编号:0468-155X(1999)06-0021-05
1　基本情况简介
清华大学泥沙研究室是国内外著名的泥沙研究基地之一,它的前身起始于1971年的清华大学水利系三门峡基地。

泥沙研究室成立于1978年,是由已故中国科学院院士钱宁教授创建的。

现有在职人员17名,其中教授7名,副教授5名。

林秉南院士、谢鉴衡院士、窦国仁院士、梁应辰院士为兼职教授。

共培养出博士研究生12名,硕士研究生60余名,在读研究生近20人。

还设有博士后流动站,在站博士后3名。

泥沙研究室所属的泥沙实验室为清华大学一级实验室。

实验室面积4750平方米。

模型大厅长120米,宽24米。

有大型可调坡活动水槽1座(长64米,宽1.2米),中型活动水槽4座,及直径2-8英寸、长133米的四条循环管道和水沙分离系统。

实验室还有先进的测量仪器,如开发研制的图象显示流场测量系统获得国家发明专利,流量自动控制系统及红外测沙仪等获得清华大学实验设备奖。

泥沙研究室自创立以来,先后承担国家“六五”至“九五”攻关课题,完成黄河洪水和泥沙问题综合治理研究、长江葛洲坝泥沙模型试验、长江三峡水库回水变动区泥沙模型试验、长江三峡工程坝区泥沙模型试验研究及平面二维数学模型计算、秦山核电站取水口及循环系统泥沙问题、高含沙水流运动、固体物料管道水力输送等重大课题。

先后获得国家自然科学二等奖、国家科技进步特等奖和一等奖、国家教委科技进步一等奖等20多项奖励。

完成学术论文及科研报告600余篇,出版专著及教材10部,曾获得全国优秀图书一等奖和高教出版社优秀图书特等奖。

研究方向包括泥沙运动力学、河床演变学、河工模型试验、河流海岸动力学、泥沙数学模型、高含沙水流、固体物料管道输送、两相流基础、泥石流、治河工程、水土保持等方面。

由于中国河流众多,水土流失严重,泥沙问题的研究具有特别重要意义。

泥沙研究室自成立至今,科研上走出了一条成功之路。

既进行高水平的学术研究,也紧密结合重大工程解决生产问题,已成为泥沙研究领域在国内外有广泛影响的科研机构。

2　主要研究成果
2.1　泥沙运动基本理论
清华大学始终重视泥沙运动基础理论研究。

钱宁、夏震寰、黄万里等老一代导师早年都在美国学习,分别师从本学科的著名专家爱因斯坦、卡林斯基等。

归国后,把泥沙运动基本理论用来解决我国水利工程建设中的关键技术问题。

结合我国泥沙问题的特点,围绕工程实际开展科学研究,培养出一大批泥沙专业人才,形成了理论与实践并重的清华学风,取得一大批理论研究成果。

80年代初,钱宁先生与黄河水利委员会合作在分析总结黄河泥沙运动与沉积规律时,基于大量野外河道泥沙沉积物粒径组成的实测资料,首次把黄河下游泥沙运动、沉积与中游泥沙来源区建立联系,揭示了粗颗粒泥沙
作者简介:王光谦(1962-),男,清华大学教授。

对下游河道冲淤规律的重要影响,对黄河中游的治理具有重要的指导意义,获得了国家自然科学二等奖。

钱宁先生指导研究生对泥沙运动基本理论多个方面开展研究,例如,指导王兴奎博士进行明槽紊流特性研究,自行研制出能测量高浓度紊流特性的脉动流速仪,做了系统的试验研究,对挟沙水流特性及颗粒存在对紊流结构的影响研究取得了创新成果,发表在美国土木工程师会刊(ASCE)的论文被SCI引文索引10余次;指导王兆印博士对高含沙水流运动规律进行了深入的研究,取得了该方面研究的系统成果。

夏震寰先生在退休前指导的博士研究生数量居清华大学之首位。

第一位博士戴纪岚进行管道紊动两相流的理论分析与实验研究,是国内该研究领域的先驱者之一。

最后一位博士张红武结合黄河实际研究高含沙洪水运动规律,成果运用在小浪底水利枢纽泥沙实体模型设计及工程研究中,被评为全国首批百名优秀博士论文之一,是水利类专业唯一的获奖者。

钱宁、夏震寰、张仁、惠遇甲、费祥俊等教授指导的其他几位博士研究生倪晋仁、胡春宏、王光谦、邵学军等都选择基本理论方面的题目开展研究。

倪晋仁关于泥沙浓度分布统一公式的研究,从理论上揭示无论采用何种理论:扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论,在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式,而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥沙浓度分布公式的统一模式,使得著名的Rouse、Ve-likanov、Laursen、Hunt、Tanaka、Lane-Kalinske等公式都成为特例。

成果发表在ASCE杂志,被论文评阅人给予了”Exceptional”的评价。

关于悬移质浓度分布,倪晋仁、王光谦提出浓度分布存在两种不同类型,即传统的浓度上小下大的I I型与最大浓度不出现在底部的I型。

过去关于浓度分布的研究都是针对I I型的,一些试验成果曾揭示出I型分布,但是没有从机理和理论上分析。

针对I型浓度分布存在的客观事实,首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理,进一步类比气体分子运动论,从Boltzmann方程出发推导得出浓度分布公式,该公式能够描述I型分布特性,最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。

该项创新成果发表在ASCE杂志。

胡春宏应用高速摄影技术研究推移质运动规律。

高速摄影能够获取推移质颗粒运动轨迹的过程信息,通过大量颗粒运动特性的统计分析,统计出了单颗粒跃移的特征参数,并建立了推移质输沙率计算公式,成果发表在ASCE杂志。

泥沙运动的基础理论是固液两相流理论,王光谦提出了固液两相流的双流体模型,对流体相采用宏观连续介质模型(continuum model)描述,而对颗粒相采用微观动理模型(kinetic model),应用该模型计算了颗粒的速度概率密度分布函数和平均速度分布,并在管道中进行固液两相流试验研究,用激光流速仪测量固液各相的参数,验证了理论计算结果。

成果发表在国际多相流杂志,被华盛顿大学Crowe教授评论为提出了”more advanced model”。

邵学军应用随机理论研究悬浮颗粒在随机力作用下的运动规律,并通过均匀紊动试验研究了不同粒径和密度颗粒的紊动扩散,加深了对紊流中颗粒运动机理的认识。

清华大学关于泥沙运动的理论研究成果许多是由导师指导博士研究生完成的。

除上述较早期的博士论文研究成果外,近期在费祥俊教授指导下舒安平博士关于水流挟沙力的理论与试验研究、熊刚博士关于粘性泥石流运动机理和邵颂东博士关于流体流团模型的研究,林秉南、韩其为、府仁寿教授指导的秦文凯博士关于三峡建坝前后洞庭湖关系研究,府仁寿和陈稚聪教授指导的齐梅兰博士关于紊动射流对水流挟沙特性影响的研究,都在理论上取得一定的突破或进展。

因篇幅所限,不在这里介绍了。

对泥沙运动理论的研究不仅是取得创新性成果,也包括对已有成果的分析、总结、提高。

钱宁在80年代初关于推移质输沙率公式的比较,为该方面研究的典范,通过输沙强度参数和水流强度参数把Einstein、Bag nold、Mey er-Peter、Yalin、Eng lund、Ackers-White等著名的推移质公式化为统一的形式,比较了各家公式的适用性。

各家公式的理论或实验基础各不相同,但是非常巧妙的是能够用一组参数统一起来,为后人的应用或理论研究指明了思路。

2.2　工程泥沙研究
清华大学工程泥沙研究具有较长的历史。

早期在清华大学水利系三门峡基地,针对长江上第一坝———葛洲坝水利枢纽的修建,与国内兄弟单位平行开展了葛洲坝水库回水变动区泥沙冲淤问题的攻关研究,把工程泥沙研究推向新的阶段。

建立了当时国内最大尺度的实体模型,提出了系统的模型相似理论体系并首次大规模采用了比重1.05的轻质沙模拟悬移质泥沙冲淤同时相似获得成功。

经过葛洲坝水利枢纽工程运行后的原型观测结果验证了葛洲坝工程泥沙模型试验成果。

清华大学的张光斗、钱
宁、惠遇甲、王桂仙等主要参加人员与其它兄弟单位一起获得了国家科技进步特等奖的表彰。

葛洲坝工程泥沙问题的解决是我国泥沙实体模型技术发展成熟的标志,为后来三峡工程泥沙问题的论证提供了重要的技术手段。

三峡工程泥沙问题是争论最大,也是我国工程泥沙研究投入力量最大的课题。

先后修建了十几座大尺度实体模型进行泥沙问题研究,其中重要的坝区泥沙淤积和通航建筑物泥沙问题,由多家单位进行坝区泥沙模型的平行试验研究。

长江科学研究院、南京水利科学研究院和清华大学分别建有1:150、1: 200(垂向1:100)、1:180三座大尺度模型。

为了对比和充分论证,三家单位同时从三峡总公司签领科研任务,又同时提交科研成果。

对比不同泥沙模型试验结果表明,尽管三家模型采用不同的比尺、模型沙和试验技术,还是取得了比较一致的成果,受到泥沙专家组的肯定,成果被三峡工程设计所采用。

清华大学坝区泥沙模型实验始于1992年。

该模型的关键技术之一是极细颗粒泥沙的模拟。

陈稚聪教授研制了细颗粒的轻质模型沙,并用试验证实了其分粒径级的起动和沉降均与原型沙相似,成功地解决了特大型水库坝区模型泥沙冲淤同时相似的问题。

该成果被评为国际先进水平。

该模型紧紧围绕三峡工程建设,进行了引航道无隔流堤方案50+4年长系列试验和有隔流堤方案70+6年长系列试验。

通过模型试验预测了坝区泥沙的淤积过程和永久通航建筑物通航水流条件,通过多个方案比较论证永久通航建筑物的优化布置方案和防淤减淤的措施。

目前正在对永久通航建筑物布置推荐方案(即大包方案)进行70+6年长系列试验。

周建军教授开发的坝区数学模型紧密配合实体模型,结合引航道冲沙方案和波动等关键问题展开,提出了小流量和低水位冲沙方案,系统研究了引航道的波动规律,提出了减小波动的具体措施。

清华大学的泥沙数学模型是唯一被三峡坝区研究所采用的数学模型。

在80年代初三峡工程论证阶段,钱宁、陈稚聪、张仁教授从泥沙运动规律和满足通航要求并发挥三峡工程综合效益出发,在水库运用方案上率先改变了常规水库采用的“正常蓄水位>防洪限制水位>死水位”的运行方式,提出了适合长江特点的“正常蓄水位>通航限制水位>防洪限制水位”的新的运行方式,并进行了反复充分的论证,该成果解决了三峡工程泥沙淤积与通航之间的主要矛盾,为三峡水库从原定的150米水位运行方案提高到最终的175米起了关键的作用。

清华大学的工程泥沙研究,特别是围绕大型水利枢纽工程开展的泥沙实体模型试验,是在钱宁、张仁、惠遇甲、王桂仙、府仁寿、陈稚聪、王兴奎等教授的共同领导下进行的,在模型技术方面达到了国际领先水平,曾获得国家教委科技进步一、二等奖。

模型技术方面具有显著特点:采用磨细的轻质塑料沙作为模型沙,不产生板结,能保证泥沙冲淤相似。

该方面研究,陈稚聪教授通过大量水槽起动试验得出了轻质沙起动与沉降相似的规律,是保证模型相似的关键。

大范围流速场测量系统居国内领先水平。

针对国内其它主要水利枢纽工程,如黄河万家寨枢纽、岷江紫坪铺水库等,以及电站取水工程泥沙问题,特别是核电站取水工程泥沙问题等均进行过大量系统的研究,并取得了国内领先水平的成果,多次获得部委级奖励。

为解决我国第一座核电站秦山核电站冷却水取水口严重淤堵问题,陈稚聪、府仁寿、张仁教授研究了潮汐水流泥沙的冲淤规律,提出了改明渠进水口为涵洞进水,并用大流速定期冲沙及弃水还海的改建方案,保证了核电站顺利发电至今。

在此基础上进一步提出了核电站冷却水系统的设计原则和用射流冲沙解决局部淤积问题的方案,并提出了射流模拟的动量相似准则,该设计方案已被秦山二期核电站全部采用。

最近,清华大学又成功地应用数学模型解决了核电厂取水系统的水流和泥沙问题。

2.3　高含沙水流研究
高含沙水流研究始于60年代,其学科体系成熟的标志是《高含沙水流运动》专著的出版。

该专著是钱宁先生在总结清华大学泥沙研究室及国内有关单位关于高含沙水流研究的成果基础上撰写而成的。

清华大学关于高含沙水流的研究集中体现在以下几个方面:
2.3.1　高含沙水流产汇流特性研究　王兴奎在80年代研究了黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程,分析在黄土丘陵沟壑区雨滴击溅、水流冲刷及重力侵蚀对产生高含沙水流的重要作用,在各
级沟道汇流过程中高含沙水流的一些主要特性;特别是得出高含沙水流产沙的极限浓度,对高含沙水流研究具有重要意义。

2.3.2　粘性颗粒泥沙的絮凝现象　夏震寰先生在80年代初从胶体化学关于悬浮体的稳定理论出发,分析了粘性颗粒泥沙的絮凝现象与机理。

2.3.3　高含沙水流的粘性　最突出的成果是费祥俊教授得出的高浓度浆体粘滞系数与宾汉屈服应力计算公式。

经大量试验资料验证,费祥俊公式具有较高的精度,适用范围广,是现有公式中最好的。

以高浓度浆体的粘性计算公式为基础,费祥俊修正公式可用于泥石流浆体的粘性计算。

宾汉极限应力都是在试验室内层流条件下得出的,在紊流条件下怎样变化,杨美卿教授进行了试验研究,揭示了宾汉极限应力随紊动强度的变化规律,一般讲紊动破坏絮凝结构,使得宾汉极限应力随紊动强度而减小,但是在低浓度时紊动可能增强絮凝,宾汉极限应力增加。

2.3.4　层移质运动研究　层移质运动是钱宁教授提出的推移质运动的一种形式,在高强度水流条件下可以出现,试验室内研究证明了这种运动形式的存在。

在钱宁教授的指导下,80年代王兆印博士和王立新博士开展层移质运动机理研究,取得理论与试验方面的丰富成果。

2.3.5　高含沙水流运动特性研究　研究了高含沙水流的类型、流速分布、阻力特性、输沙能力等方面。

2.3.6　高浓度物料管道输送研究　自“六五”开始,开展高浓度粒状物料管道输送理论与试验研究,取得了关于浆体特性、水力坡降、临界流速及流动特性等方面的系统成果。

特别是韩文亮关于浆体水击的试验研究、理论分析及数值计算,为开创性新成果,填补了该方面研究的空白,对生产实际中防止水击造成的管道破坏具有重要意义。

费祥俊和韩文亮总结了清华大学在管道输送方面的研究成果,撰写出《浆体与粒状物料输送水力学》专著,获得国家教委科技进步奖。

2.3.7　泥石流与颗粒流研究　泥石流与颗粒流可看作是特殊的高含沙水流。

该方面的研究集中在基础理论方面,例如,费祥俊关于泥石流浆体特性与运动特性的研究,王光谦关于泥石流动力学方程和颗粒流的碰撞应力本构关系研究等。

2.4　数学模型研究
清华大学泥沙数学模型发展于70年代,杨美卿教授与王士强教授分别发展了一维泥沙数学模型。

杨美卿教授的数学模型针对长江卵石河床研制的,能够较好地计算长江中下游河道的冲淤变化,成功地应用在三峡建成后下泄清水对下游河道长距离冲刷的计算。

王士强教授的数学模型是针对黄河多沙河流研制的,基于较强的理论基础。

利用该数学模型计算了小浪底库区泥沙淤积与清水下泄时下游河道的冲刷过程,对小浪底水库运用方式的研究发挥了积极作用。

90年代以来,二维、三维泥沙数学模型得到了大力发展与工程应用。

周建军教授应用二维泥沙数学模型进行了三峡坝区泥沙沉积过程计算,计算结果与物理模型试验结果相一致。

该二维泥沙数学模型研制于80年代末期,具有泥沙运动理论基础强、计算方法先进的特点,成功地应用于多种实际工程计算,该计算模型曾获得电力部科技进步一等奖。

此外,方红卫博士开发出三维泥沙数学模型,结合三峡坝区泥沙物理模型,用来进行不同尺度的水流特性计算,研究物理模型的比尺效应。

关于数学模型研究不仅作为一种计算工具,而且围绕数学模型开发对泥沙运动基本理论问题进行了深入研究。

例如,冲积河流阻力计算是数学模型研制的关键问题之一,王士强教授对这一问题进行了多年研究,结合黄河的特点提出了冲积河流阻力计算方法,该方法能把低能态区、过渡区及高能态区统一起来,成果发表在ASCE杂志,相关成果被英国土木工程师学会授予Telford论文奖。

此外,还提出了床面泥沙交换的新模式等。

周建军教授针对非平衡输沙计算中存在的问题进行理论研究,探讨了恢复饱和系数的计算方法,从理论上给出了从三维床面边界条件到天然河道一维泥沙数学模型恢复饱和系数统一的理论,改进了目前的经验参数的状况,成果发表在ASCE杂志。

2.5　河床演变研究
钱宁、张仁、周志德撰写的专著《河床演变学》反映了清华大学在该领域的研究水平。

此外,80年代以来张仁教授带领宋根培、谢树楠教授对黄河河床演变规律开展了深入研究,取得了多项研究成果。

代表性成果如张仁、谢树楠教授关于明清以来黄河改道及废黄河与现代黄河滩地纵剖面的比较,揭示了黄
河下游泥沙淤积速率。

张仁教授还指导多名研究生进行河流过程室内模拟试验研究,探讨河型成因、河相关系、河流自动调整规律研究;负责“八五”科技攻关专题“拦减粗泥沙对黄河河道冲淤变化的影响”,获得国家教委科技进步奖。

2.6　治河方略研究
清华大学不仅关心泥沙运动理论和工程技术问题,也围绕大江大河治理开展治河方略研究。

在钱宁先生领导下提出三峡水库172米水位的运行方案,较好地兼顾上下游关系,被采用作为三峡工程的备用方案。

张仁教授提出缓解黄河断流的对策、小浪底工程运用方式研究。

林秉南、周建军、张仁教授提出了利用海水冲沙降低黄河河口基准水位的河口治理方案,也对长江及三峡水库防洪问题、三峡水库淤积及优化调度方案进行前瞻性研究。

黄万里先生早年对三门峡水库泥沙问题提出了正确的观点,现阶段也对三峡工程泥沙问题发表了不同的看法,促进了三峡泥沙研究的开展;此外,对南水北调、治黄、治淮都高瞻远瞩提出方略。

2.7　其它领域
除上述传统泥沙研究领域外,也涉及一些交叉科学领域和新学科领域。

杨铁笙老师应用非线性学科的新进展研究河流的自组织现象和泥沙颗粒群体的自相似性,两度获得国家自然科学基金支持,取得的成果有助于加深对泥沙运动特性与河流系统调整机理的认识。

杨美卿教授研究泥沙运动对水环境的影响,例如关于氧化塘中泥沙运动与污染物吸附特性的研究,污染物吸附与解吸机理的研究等。

邵学军博士关于流域侵蚀模型研究。

谢树楠教授建立了黄河小流域产流产沙的数学模型等。

3　结束语
清华大学泥沙研究正面临新的机遇与挑战,在清华大学创办为世界一流大学的目标指导下进行了学科建设规划和调整。

泥沙研究室与水力学教研室合并成立河流海洋研究所,包括水力学、河流动力学、港口与近海工程等专业,形成学科上的整体优势。

学科建设目标是:在3～5年内建设成为国内外有重要影响的人才培养和研究中心,形成基础理论与工程应用并重的清华学派。