梯级开发对生态环境的影响

生态良好的河流上建坝对生态的负面影响大,而生态较差的山区河流上建坝改善生态。三峡和葛洲坝阻挡洄游鱼类,改变水文影响鲤科鱼类产卵。西南河流梯级开发与河狸建设的水坝和堰塞坝群的影响类似。青藏高原、云贵高原、黄土高原的河流下切导致地质灾害频发,堰塞坝群把河流阶梯化、消减灾害能量。在下切河流上建设梯级坝群符合自然规律,具有自然坝群相似的减灾效果。水库群形成串糖葫芦栖息地,支持较高生物多样性。高原河流梯级开发既减少灾害,又改善生态。

西南山区河流阶梯—深潭系统的生态学作用

山区河流发育的阶梯—深潭系统具有显著的生态学作用。阶梯—深潭系统增大水流阻力和河床抗冲刷力,稳定了河床和岸坡。大卵石堆积成阶梯,细颗粒泥沙在深潭河段的缓流滞流区沉积下来形成淤泥层,形成适宜多种生物的栖息地。选择小江支流———深沟、蒋家沟和小白泥沟,以及四川九寨沟和金沙江进行野外实验、取样分析。结果发现阶梯—深潭系统较发育的深沟和九寨沟底栖动物密度高达552个/m2,生物量高达5.96 g/m2。而邻近的小白泥沟和蒋家沟底栖动物密度仅0.75个/m2,生物量不到0.006 g/m2。考虑河流不同部位底质、水深、流速等特性,提出了生物栖息地多样性及其计算方法,研究发现大型无脊椎动物的生物多样性随栖息地多样性增加而增加。利用阶梯—深潭系统治理山区河流,既能保持河道稳定,又能维持较高的生物多样性,保持健康的河流生态系统。

东江河流生态评价及其修复方略

本文通过对大型无脊椎底栖动物状况的调查对东江河流水生态状况进行了分析,并在此基础上提出了生态修复方略。从上游到河口选12个点采集底栖动物样本,发现东江流域底栖动物生物多样性在上游和中游保持在较高水平,而到下游则迅速降低到零。对增江湾、西枝江牛轭湖等处的取样进行分析并探讨改善东江生态的方法。针对不同生态应力提出了3种生态修复方略:1.创造多样性的生物栖息地,开发和形成一系列类似增江湾那样的缓流滞流区,把已经隔离的牛轭湖和江边湖泊湿地重新与江水连通;2.调整大坝运用方式,采取大坝泄放的流量逐渐增加和减少的方式,给生物发出流速增大和降低的信号,使其得以准备和躲避;3.稳定岸坡、控制侵蚀、保护和发育河边植被。

黄河流域泥沙矿物成分与分布规律

黄河及其干支流经常产生高含沙水流,泥沙中矿物的成分及含量是影响高含沙水流性质的主导因素,粘土矿物颗粒含量对高含沙水流流变性质的影响,远大于颗粒粒径大小对流变性质的影响,粘土颗粒和阳离子之间的相互作用对高含沙水流的流变性质也有非常大的影响。通过对黄河及其支流地区12个地点进行采样分析,得出黄河及其支流地区泥沙基本来源于同一地区,次生矿物是在长期的、相同的环境条件作用下形成的。根据泥沙样本的粒径分布曲线和矿物成分及含量,建立了黄河及其支流泥沙粘土、非粘土矿物含量与中值粒径之间的关系,能够更方便、快捷、廉价地估算黄河及其支流粘土矿物的含量。

侵蚀地区植被生态动力学模型

研究侵蚀地区的植被在水力侵蚀和各种生态应力以及人类活动影响下的演变规律 ,建立了植被生态动力学模型。将作用于植被的各种生态应力分成长期、短期和瞬时应力 ,给出了它们的定量表达式 ,并且统一在植被生态动力学方程中 ;同时进一步得出了动力学耦合方程组的理论解。该模型应用于金沙江支流小江流域 ,结果较好地描述了流域的植被生态演变过程与侵蚀过程的关系 ,说明了治理强度和控制侵蚀对植被发育的重要性。

潼关高程对渭河河床演变的影响

本文根据渭河下游河段自三门峡水库建库42年以来的大断面地形变化以及泥沙淤积资料,运用河床演变分析法,分析了潼关高程对渭河淤积演变的影响。分析发现,潼关高程的大幅度抬升和下降引起溯源发展的淤积和冲刷的行波,行波传播速度大约每年10km,传播过程中幅度逐步减弱。通过相关分析,发现潼关高程抬升是引起渭河下游特别是临潼以下河段淤积的主要原因,咸阳及其以上河段的淤积与潼关高程基本无关,渭河上游来水量对冲刷减淤起了很大作用,来沙系数影响略小。本文进一步建立了一种淤积平衡模型,用以模拟渭河下游淤积过程。模拟结果表明,模型能正确地模拟淤积过程,潼关高程抬升引起的渭河下游淤积有一个平衡淤积量。如果潼关高程维持在一定水平不变,渭河下游的淤积就会逐渐趋近于这个平衡淤积量,大约30年左右就会接近这个平衡。目前渭河下游累积淤积量已经接近潼关高程328 5m的平衡淤积量。如果潼关高程保持不变,渭河下游将随着来水量的波动而发生小幅度的冲刷和淤积,不会发生累积性的大幅度淤积。

青藏高原抬升对雅鲁藏布江泥沙运动和地貌演变的影响

雅鲁藏布江(以下简称雅江)的河流地貌过程伴随着青藏高原的抬升而演变,其河流地貌和泥沙沉积特征十分独特。2009-2012年非汛期采用大地电磁测深仪对雅江29个典型河谷断面的沉积物剖面进行测量,并且采集自谢通门至雅鲁藏布大峡谷约1 000km河段泥沙沉积物样品进行分析。结果显示,过去百万年来因为喜马拉雅山不均匀抬升(宽谷河段相对于其下游的峡谷河段抬升慢),雅江主要宽谷河段蓄积了约5 180亿m3的卵石夹沙沉积物,使得河谷底部抬高变宽,V型河谷转变为U型河谷。而抬升速率快的河段河床侵蚀下切,形成峡谷。

泥石流的运动机理和减阻

野外调查研究发现，存在着两种具有不同动力学特征和机理的泥石流：粘滞性泥石流和两相泥石流。粘滞性泥石流由卵石、沙和粘土构成，难以区分固相和液相，为典型的非牛顿体，具有间歇性流动、“铺床现象”。高达６０％的减阻和显著超高等流动特点。粘滞性泥石流的阻力远小于流变参数所代表的阻力，传统的利用本构方程研究阻力的方法不能解决问题。研究表明，其３０％的减阻是由于铺床作用，另外２０％～３０％是由于流动混合物充气所致。两相泥石流主要由粗颗粒物质构成，两相之间有明显的相对流动，显示较大的阻力和发生“石街”现象。粘滞性泥石流沟谷的中值坡度为０．１６，两相泥石流阻力大，因而河谷的平均坡度较大 （０．１９～０.２７）。

汶川地震引发的山地灾害以及堰塞湖的管理方略

汶川地震触发了大规模的崩塌与滑坡等山地灾害,形成众多堰塞湖。为分析其风险与应对措施,本文通过野外考察、卫星影像与数据分析等方法,研究了灾后堆积体与堰塞湖的稳定性,以及它们与下切性河流之间的关系。结果显示,山地灾害在不同程度上释放了潜在势能,其中滑坡释放能量最大,因此滑坡堆积体的稳定性较好,而崩塌堆积体稳定性较差。从长期治理角度看,若能控制河床下切则可避免部分灾害的产生。堰塞湖管理方略包括两种:对于风险高的堰塞湖应以拆除为主,而对于风险很小的堰塞湖则应予以保留。震区大部分河流处于不稳定的下切拓宽阶段。保留堰塞湖可以加大河床阻力,使河流提前达到平衡,降低未来地震中山地灾害发生的风险。

长江流域泥沙输移与概算

泥沙概算是一种通过研究泥沙在流域不同位置和一定时期内的时空分布,从而揭示河流水沙平衡状态的方法。本文通过分析提出了长江泥沙概算方法,探讨长江流域产沙、输沙和泥沙沉积三者的关系。在此基础上,通过流域侵蚀、沉积物和悬移质泥沙粒径级配的对比分析,计算得出每年从长江上游侵蚀下来的泥沙中,粒径大于0.5mm的近12亿t泥沙几乎都沉积在长江流域上游的沟谷和支流中,粒径在0.05-0.5mm范围内的4.92亿t泥沙有3.13亿t沉积在上游沟谷和支流中,而粒径小于0.05mm的5.36亿t泥沙也有2.02亿t沉积在这些区域。当长江上游(宜昌站)和汉江总输沙量超过2.86亿t时,长江中下游将发生淤积,总输沙量超过5亿t时的淤积量超过1亿t;当宜昌输沙量超过1亿t时,洞庭湖区将发生淤积。文章还根据长江干流、部分支流和通江湖泊的水沙关系,建立水沙动态图,研究分析了长江水沙在时空上的分布特点。

黄河下游水沙变化及河床纵横断面的演变

近年来,黄河下游来水来沙出现一些新的特点,水沙的变化必然影响下游河床纵剖面和横断面的调整变化。本文利用黄河下游1960-1997年的水沙资料和1977-2002年的断面资料统计分析了黄河下游水沙历年、汛期和脉动变化特点以及主槽平均河床高程和河相系数变化特点。分析表明:1)1986年以后,黄河下游水沙量和水沙脉动量显著减少,艾山以下河流非汛期时常出现断流现象;2)黄河下游纵剖面呈S型发展;3)黄河下游主槽断面面积减小,主槽明显萎缩。

植被—侵蚀状态图在典型流域的应用

运用植被—侵蚀动力学耦合方程组,研究了流域植被与侵蚀在人类活动特别是植树造林和工程治理影响下的演变。动力学方程组中的 4个参数由实测植被侵蚀资料算出,利用这些参数发展出植被—侵蚀状态图作为分析工具,分析在停止人类干预后植被和土壤侵蚀的发展趋势。流域的植被—侵蚀状态有 4种,即向着侵蚀模数增大和植被覆盖度降低方向发展的A区,向着侵蚀模数降低和植被完善方向发展的C区,植被和侵蚀模数都增长的B区,植被和侵蚀模数都减少的D区。将耦合方程组和植被—侵蚀状态图应用于黄土高原王家沟、安家沟流域,云南小江流域和北京西山地区,结果表明动力学方程组准确地模拟了植被和滑动侵蚀模数的演变过程。对植被侵蚀状态图的分析表明,在干旱寒冷的黄土高原增加植被对于减少侵蚀的作用显著,治理应该首先增加植被使其进入D区,再结合控制侵蚀进入C区,治理后仍应加强管理和防止人为破坏;在雨量较丰、气温较高的小江流域,减少侵蚀对改善植被的作用大,治理措施首选控制侵蚀;北京西山地区介于两者之间。

宾汉体泥浆湍流的结构特征

通过水槽试验研究了有屈服应力的粘土泥浆明渠流的湍流结构和脉动流速的统计特性及紊动漩涡的频谱结构.如采用考虑了屈服应力的雷诺数R_(em),则R_(em)<2000为完全层流,R_(em)=2000—8000为过渡湍流.处于过渡湍流区的泥浆流下部为湍流,同时中、上部部分流层持续地或间断地保持层流状态.在空间上,过渡区湍流可以划分5层,即:近壁层流层、间歇湍流层、强紊动层、扩散层和表面层,其中间歇湍流层相当于牛顿体湍流的粘性底层.间歇紊动是泥浆过渡区湍流的重要特性.间歇湍流层和扩散层的泥浆流速忽而脉动,忽而恢复层流.间歇湍流层的紊动有规则地间歇,说明泥浆湍流底层可能也存在着间歇性的粹发现象.

有机胺对螺旋藻生长及固碳效果的影响

采用微藻培养来降低空气中二氧化碳含量是当前研究的热点。然而,以气态CO_2为碳源的微藻培养过程中,普遍存在传质和固碳速率较低等问题。研究发现有机胺类物质如MEA(乙醇胺)、DEA(二乙醇胺)、MDEA(N-甲基-二乙醇胺)、TEA(三乙醇胺)等能够显著提高CO_2的气液传质速率。而针对有机胺类物质影响微藻培养及固碳效率的公开报道却并不多。研究以钝顶螺旋藻(FACHB-901)利用低含量CO_2气体为碳源的培养过程为对象,系统研究了有机胺类物质的种类(MDEA、MEA、DEA、TEA)及其添加策略对螺旋藻生物量和固碳速率的影响关系。研究结果表明,在改良的Zarrouk培养基中添加了1 mmol·L^(-1) MDEA可以使培养基中溶解性无机碳(DIC)含量达到297.4 mg·L^(-1)。而添加1mmol·L^(-1) TEA可以得到最佳的螺旋藻生物量(0.894 g·L^(-1))和固碳速率(139.3 mg·(L·d)^(-1))。同时,研究获得螺旋藻培养过程中TEA的最优添加策略为:延滞期添加5 mmol·L^(-1)、对数前期补加1 mmol·L^(-1)、对数后期补加2 mmol·L^(-1)。最终,通过TEA优化的添加策略获得了螺旋藻的生物量(1.248 g·L^(-1))和固碳速率(191.4 mg·(L·d)^(-1),比对照组分别提高了25.6%和41.2%。

非牛顿体不稳定流的研究

本文通过试验和分析研究了非牛顿体明渠不稳定流的机理,阐明了不稳定流的产生和发展是由于流体具有屈服应力,利用这一机理,解释了高含沙洪水的波动和“浆河”现象、冰川流和泥流的不稳定流和泥石流的阵流现象。

汶川地震引发的流域管理新课题

汶川地震引发了大量的山体滑坡和崩塌.巨型滑坡夷平了山谷,创造了平缓坡地.这些新生地非常不稳定,易引发泥石流.尽快稳定和开发新生地是一个新问题.滑坡造成的堰塞湖引起剧烈河床演变,对河流地貌和稳定产生长远和深刻的影响.大量的崩塌体形成大石块堆积体,表面没有土壤,如何修复植被是一个严峻的挑战.本文通过野外测量和试验,对上述问题进行了探索并取得了初步成果.成果表明,采用阶梯-深潭结构稳定滑坡体,可以控制或减轻泥石流;发生于崩塌和滑坡体上的泥石流含水量小且大石块多,不是黏性泥石流而是两相泥石流,运动速度仅为黏性泥石流的1/10;堰塞坝发育成尼克点会显著改变河流纵剖面,稳定岸坡减少滑坡崩塌灾害;在花岗岩崩塌体上引种紫萼藓能显著加快植被演替,绿化裸露的石块堆积体.

水流冲刷沉积物生成泥石流的条件及运动规律的试验研究

在铺满卵石的陡槽上释放不同浓度、不同流量的泥浆或清水，观测卵石在泥浆流作用下的运动，研究泥石流的形成条件和运动规律。试验结果表明，当K（=rqJ）大于某临界值K_c时就会发生泥石流，但这个临界值K_c随波相泥浆浓度而变。泥石流龙头由大卵石组成，在不断摩擦和碰撞中翻滚着推进，消耗大量动能，同时控制着后续流不离散。后续流液相流速显著大于龙头，不断把能量输送到龙头，维持龙头运动。大卵石在运动中受到液相流的推动力较大，而受到的碰撞阻力较小，比龙头运动的快。因而大卵石逐渐集中于龙头。

黄河的综合治理方略

黄河是我国第二长河,为西北和华北地区提供了丰富的水资源.黄河灾害频繁,是世界上最难治理的河流.经过几千年的治理,黄河已经成了一条人工控制的河流.然而,黄河仍然面临侵蚀严重、河床不稳定、水体污染以及生态脆弱等诸多问题.笔者依据河流综合治理的原则,为达到"维持黄河健康生命"的目标,提出了控制沟道下切、增阻降速、建设通河湖泊湿地和控制点源污染等综合治理方略.

泥沙模型试验中的时间变态问题及其影响

一、问题的提出 在泥沙模型试验中,一般采用河床变形时间比尺λtb制试验过程。由于λtb远大于水流时间比尺λt,就产生了时间变态,时间变态的程度可由变率α=λtb/λt来表示。 在一个大型水库变动回水区的推移质泥沙模型试验中,发现水库蓄水后,模型中、上段发生累积性淤积,下段则有冲刷、河床显著粗化。由于水库蓄水后该河段水流强度减弱,水流挟沙力理应减小,所以模型中这种冲刷是不相似的。我们仔细观察发现,这种冲刷主要发生在流量减小、水位下降的过程中。这与原型河段涨水冲。

非牛顿体固液两相流的试验研究

非牛顿流体中固体颗粒的运动可分为推移质、悬移质和中性悬浮质运动.颗粒在非牛顿流体中的沉速显著小于清水中的,这反映了非牛顿流体中颗粒运动的阻力系数显著增大.非牛顿体明渠流中一般推移质运动适合拜格诺公式,但比水流中的推移质运动更容易发展成层移质运动,此时输沙率比拜格诺公式的值大.当非牛顿体流动转为层流时,表层流速加快而挟带的推移质显著减少. 与水流相比,非牛顿流体的悬移质挟沙力大得多,但冲刷率在小流量时较小,大流量时则大得多.大流量非牛顿流体明渠流中常发生严重冲刷,在一定条件下可能发生“揭河底”冲刷.试验中复演了这一特殊的冲刷现象.