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。

阶梯-深潭系统的水力特性

阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床形态，具有稳定河床和消能减灾的作用，其水力特性较为复杂。在温峡水库下游温峡河修建典型的阶梯-深潭系统开展野外实验以研究阶梯-深潭系统的水力特性。利用先进的高频声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上、深潭中和沿深泓线的水力特性。实验在10 L/s、50 L/s、100 L/s、150 L/s、290 L/s 和 420 L/s 6种流量工况下进行。实验结果表明：阶梯-深潭系统流场尤其是深潭流场具有很强的三维性，阶梯上与深潭中水力特性相差很大。阶梯上沿流向的时均流速远大于横向和垂向的时均流速，三向紊动强度处在一个量级且较小。深潭中的时均流速比阶梯上小，但紊动强度远大于阶梯，紊动强度随流量变大增大。实验工况下，阶梯上的相对紊动强度在0.1左右，深潭中则最大超过8.0。随着水流从阶梯上跌入深潭，机械能大量转化为紊动能消耗。实验流量范围内，雷诺应力随流量小幅增大，深潭中的雷诺应力约为阶梯上的50倍。阶梯-深潭系统消能率在实验工况下为64%-91%。

人工阶梯-深潭破坏案例与稳定性分析

通过2006—2010年4个修建人工阶梯-深潭系统的治理山区河流案例,总结其治理效果和最终破坏原因。以单个阶梯为分析对象,给出其受力表达式,建立单个阶梯-深潭的简化稳定性模型,进而分析来流量和冲刷角变化对其稳定性的影响。单个阶梯的稳定性取决于关键石块粒径、河道坡降、流量和冲刷角。洪水期的洪峰流量和阶梯下游冲刷是阶梯破坏的主要原因,上游来流量增加和冲刷角越大,阶梯越易发生破坏。人工阶梯-深潭系统在洪水期的稳定性是其发挥长期治理效果的关键。

裂点发育及其对堰塞坝的稳定性影响

通过野外调查及试验对堰塞坝的稳定和裂点的发育进行研究,发现堰塞坝的稳定性主要取决于泄洪道内阶梯-深潭系统的发育程度Sp和坝体上游洪峰的水流能量p。堰塞坝的保存与溃决情况采用保留的坝高比进行定量描述,对于洪峰流量小于30 m3/s山区河流,保留坝高比与Sp呈线性相关;洪峰流量大于30 m3/s(<30 000m3/s)时,河道稳定所需的最小河床结构强度Sp随着单宽水流能量p的增加而增大。堰塞坝泄洪道内不发育阶梯-深潭系统或发育程度较低的坝体,Sp值小于稳定河床最小的阻力强度,将会发生下切、溯源冲刷并引起溃坝。保留的堰塞坝在泥沙淤积和水流的长期作用下会形成裂点,对河床下切起到控制作用,降低再次发生滑坡的风险。大型裂点能改变河床演变和河流地貌,连续堰塞坝形成的裂点能长期保存并形成优美的自然景观,创造良好的河流生态环境。

汶川地震引发的次生山地灾害链及人工断链效果——以小岗剑泥石流沟为例

汶川地震后,小岗剑沟由于滑坡、崩塌产生了大量松散物质,其地势陡峻,暴雨频率高,2009—2011年连续暴发10场泥石流,损毁公路,规模大时会堰塞绵远河,形成以频发性泥石流为主的典型地震次生山地灾害链。2012年完成泥石流治理工程,同年8月小岗剑沟再次发生泥石流,破坏了部分工程。以小岗剑沟为例,通过整理现场采集的图片和数据,并对比以往资料,研究次生山地灾害链链式反应过程以及经过工程治理后的灾害链人工断链效果。研究表明:小岗剑沟频发型次生灾害链的衰减不仅体现在引起下一级次生灾害的土石方量逐级减小上,而且体现在随时间变化的灾害激发条件提高上;虽然泥石流发生条件提高,但由于泥石流沟沟床不断被切深,小岗剑沟危险性随着可动势能增大而逐年增大,人工断链失败后,沟床再次下切,建议使用阶梯-深潭结构增加沟道阻力,保护沟道底部,避免可动势能继续增大;对比小岗剑沟、文家沟和红椿沟泥石流治理工程,发现灾害链总能量与投资正相关,要根据灾害能量进行合理投资,当能量到达一定量时,单位能量所需要的投资大幅度降低。

山区河流河床结构对推移质输沙率的影响

河床结构是山区河流河床在洪水过程中达到较强阻力及较高河床稳定性时床面大颗粒的组合,对山区河流的推移质输沙起重要影响.引入河床结构强度Sp对山区河流河床结构进行定量化研究,使用河床结构测量设备对河床强度进行测量,采用类似于坑测法的子母双槽进行推移质输沙率实测,对云南小江流域的15条主要支流河床结构及推移质输沙进行野外实测,发现推移质输沙强度至少受单宽水流能量与河床结构发育程度共同影响,在同等级水流能量条件下,河床结构的发育程度越高的河流(或河段)其推移质输沙强度越小,河床强度值越小的河流(或河段)推移质输沙强度越大.单宽水流能量小于50 kg/(m.s)、河床结构强度大于0.35时,推移质输沙率接近零.

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.

基于流域尺度的河流治理技术体系与措施

在河流等级划分成果基础上,针对浙江省流域各等级层次存在的问题,有针对性地提出流域源头至入海口的治理理念,明确了相关治理措施和工程技术。提出独流入海河流的河源区要注重封山育林、水土保持措施;干流区治理关键则是防洪技术;河口区则需要海塘防护、防洪御潮技术,并需要重视河口生态和环境需水量的研究;同时在治理过程中不能随意灭失流域中的浅滩-深槽这一等级层次,建议将人工阶梯-深潭结构应用于河源区和干流区的治理技术中。滨海平原河网河流治理要注重排涝技术,污染治理是其重点,同时可兼顾景观建设。

西南山区河流河床结构及消能减灾机制

青藏高原的持续抬升导致青藏高原周边河流下切。河流下切造成河床河岸失稳,崩塌滑坡及泥石流等灾害频发。通过十余年野外调查和试验研究发现,崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然坝实际上是河流下切的负反馈的结果。自然坝稳定后控制河流下切,保持河流稳定并且改善生态。这样的功能主要来自于自然坝上发育的河床消能结构。本文总结了河床结构和自然坝消能减灾的机理,归纳以阶梯-深潭为代表的河床结构消能率的量化计算方法,并提出下切河流综合管理中能量概算的理念及基本思路。本文还介绍人工阶梯-深潭系统防治泥石流灾害的成功实践,强调人工模拟自然坝消能结构应用在防灾减灾领域的可行性及有效性。最后,以消能理念为基础,提出西南下切河流开发和管理中应建立"串糖葫芦"式中型坝群库坝体系,以实现水电开发、消能减灾和改善生态的综合目标。

阶梯-深潭系统消能研究综述

针对山区河流中自然形成的阶梯-深潭系统消能研究相对滞后的现状,归纳总结阶梯-深潭系统及台阶式溢洪道已有消能研究成果,从总流能量守恒方程出发,分析阶梯-深潭系统消能机理及消能率影响因素。认为台阶式溢洪道与阶梯-深潭系统的消能方式具有相似性和可比性。研究表明,在不同流量情况下,阶梯-深潭系统消能方式有显著区别,消能率存在较大差异;阶梯-深潭系统消能率的影响因素有坡降、糙率、粒径、阶梯高度和上游来流量,其中阶梯高度、坡降、糙率和粒径与消能率成正比,上游来流量与消能率成反比。认为阶梯-深潭系统消能的进一步研究需要结合大量野外调查数据,研究阶梯-深潭系统的几何特征,测量阶梯-深潭系统流场,进而得到水流能量的传递和耗散规律。

推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。

阶梯-深潭系统消能率试验研究

阶梯-深潭系统是高坡降河流上经常发育的一种河床结构,它能够形成阻力、极大的消耗水流能量,从而稳定河床。为了更加深入地了解阶梯-深潭系统的消能率变化规律和阶梯-深潭系统的优化设计,研究了阶梯-深潭系统在不同量级洪水下的消能率,并对构造的2种形式的阶梯-深潭系统在不同量级洪水下的消能率进行了对比分析。试验在云南省昆明市东川区蒋家沟内进行,试验沟道由泥石流堆积物上开挖而成,利用在沟道上游修建的水池来制造试验洪水,阶梯-深潭系统用直径0.3~0.5 m的大石块构造。试验采用了2种典型的阶梯-深潭系统构造形式,一种为单个阶梯加较深深潭的构造形式,一种为多级阶梯加较小深潭的构造形式。试验结果表明,阶梯-深潭系统消能率最高能达到90%以上。阶梯-深潭系统的消能率随着洪水量级的增大会减小。在各种工况下,第1种形式的阶梯-深潭系统消能率要高于第2种形式。研究为阶梯-深潭系统的优化设计提供了依据。

“梯-潭”型泥石流排导槽研究初析

针对物源剧增、狭陡沟道、小流域泥石流沟泥石流防治,提出一种具有强力消能作用的梯-潭型泥石流排导槽;介绍了梯-潭型泥石流排导槽的结构特征;分析了梯-潭型泥石流排导槽的排导原理,指出梯-潭槽在震后泥石流治理工程应用中的防止磨蚀和冲刷的优势,为进一步研究泥石流在排导槽中的运动特征,泥石流与梯-潭段的相互作用机制,关键设计参数的确定与优化打下基础,对于提高泥石流防治技术水平及新型排导槽的推广应用具有重要意义。

人工阶梯-深潭防治地震区泥石流的探索

阶梯-深潭是山区河流中常见的一种具有高效消能作用的河床结构。2009年采用人工阶梯-深潭系统对文家沟滑坡体上的新生泥石流沟治理进行野外治理实验。在主沟上游段人工构筑33级阶梯-深潭,经历当年几次暴雨,由于通过在深潭内耗散水流的大部分能量,阻止了沟谷下切并有效地控制了泥石流的发生。对野外实验和数值模拟的结果分析表明,在一定的流量下,阶梯-深潭发育的河流系统有助于单位时间内单位重量水流能量耗散率将趋于最小,可以提升河流系统的稳定性。在地震区的泥石流沟内构筑阶梯-深潭系统有利于加速其稳定的进程,并减少灾害的发生。

阶梯-深潭结构旋涡辅助消能机理初探

阶梯-深潭系统的消能作用主要集中在深潭内,这是与深潭内水流的复杂流态有关的。梯上水流跌落深潭,与潭内水流发生碰撞,进而下切,引起旋滚、翻腾、紊动等一系列利于能量交换的现象。水流在深潭内经历急流向缓流转变的过程,能量随之被消刹在潭内,进而流向下游,达到消能的目的。在潭内复杂流态的分析上,旋涡的分析是具有代表性的,潭内无论出现横轴旋涡或者立轴旋涡,从它们与潭内水流翻滚摩擦以及旋涡间互相影响的角度来说,都是有利于消能的。

交错齿槛型泥石流排导槽研究初探

排导槽是一种常见的泥石流防治措施,提出了交错齿槛槽定义,即该类槽是指由两束流侧墙及置于其间交错排列的梯级齿槛群构成的一种新型泥石流排导槽,根据流域面积与沟床纵比降可分为3种类型;详细分析了交错槽的结构特征,并根据泥石流的不同阶段阐述了泥石流在交错槽中的流态形式;最后从消能机制、冲刷磨蚀、生态效益等方面将交错槽与东川槽等常规阶梯深潭系统做了比较,指出交错齿槛槽具有明显的优势,为进一步研究泥石流与交错齿槛的作用机制、泥石流在其中的排导特征等打下基础。

袁河新泉乡段梯级溢流堰水动力模拟及侵蚀分析

为了分析梯级溢流堰对袁河新泉乡段河道行洪及河床抗冲的影响,优化河道治理工程中溢流堰布置,建立了将拦河溢流堰作为闭边界条件的二维水动力数值模型,采用非结构化网格的有限体积法,对比分析了十年一遇洪水情况下梯级溢流堰建设前后河道水动力、河道水位、流场沿程变化特征,讨论了溢流堰布置对河道防洪及冲刷的影响。结果表明,在十年一遇洪水情况下溢流堰会抬升河道水位,平均增加0.49 m,满足河道行洪要求;梯级溢流堰使河道整体形成人工“阶梯深潭”体系,河道流速在空间上发生明显的异质性,堰上流速下降幅度较堰下流速大;水流发生急流与缓流之间交替,水流紊动强烈,加剧了水流能量损失,有效降低流速,减轻了河道冲刷,有利于稳定河岸结构。

基于梯-潭消能系统的挡流式泥石流排导槽

中国是灾害多发的国家之一,泥石流是山区灾害的主要类型。对于特大泥石流,传统常规的治理办法难以起到很好的效果,于是王兆印等提出了梯-潭系统。但是,梯-潭系统并不完美,仍有许多值得改进的地方。以提高消能效率为出发点,提出一种能在短距离内达到消能、控速功能的挡流式泥石流排导槽。通过设计最佳横断面,使排导能力达到最佳;通过挡板与梯-潭系统达到快速消能的目的;然后通过推导分析,给出了挡流式排导槽的消能率计算公式;最后与传统梯-潭型排导槽消能率计算公式作对比分析,发现提出的排导槽具有高效消能的作用。

阶梯-深潭漩涡消能特性探究

以探究影响阶梯-深潭结构漩涡消能特性为目的,通过选取野外发育良好的阶梯-深潭结构,采用k-ε双方程紊流模型,利用VOF追踪自由水面对阶梯-深潭结构的漩涡消能特性的进行数值模拟研究。实验在前人对阶梯-深潭结构研究的基础上,根据出流方式的不同,将其分为两种类型分别再次探讨其漩涡消能特性。实验主要研究出流方式和跌水区域变化对消能的过程中漩涡形成、运动的影响,结果表明:出流方式的改变和不同的深潭段跌水区域会影响漩涡的发育以及运动过程中的分裂、拉伸和破碎,从而影响消能的效果。综合对漩涡消能有较大影响的参数,提出无量纲参数α来衡量阶梯-深潭结构的消能系数;并通过对野外实测数据的对比验证,消能系数α与消能率的关系与数值模拟的结果接近。

消能结构防治泥石流研究——以文家沟为例

阶梯-深潭系统作为一种新的消能结构在2009年用于文家沟滑坡体上新生沟谷的泥石流治理研究。阶梯-深潭系统在阶梯和水跃段耗散了水流大量的能量,使得水流中的能量减小到不足以触发泥石流,理论分析表明阶梯-深潭系统可以耗散水流三分之二的能量,即同样状况下触发泥石流的临界流量需增加三倍。阶梯-深潭系统使得水流阻力最大化,避免河床和岸坡遭受侵蚀。2009年的几次暴雨没有在文家沟引发泥石流。然而,2010年在沟内修筑了20道拦挡坝来代替阶梯-深潭系统,经过2010年8月暴雨后,20座拦挡坝全部被破坏。沟谷再次下切了50m。沟谷下切和侧蚀导致大量松散堆积物进入沟道形成泥石流,约450万m3冲出沟口,造成大量的房屋被埋以及14人死亡。比较两种防治方法可以看出,以消能为目的的阶梯-深潭系统对防治泥石流是成功的。拦挡坝在稳定的情况下可以减少边坡的垮塌,而阶梯-深潭系统还能够通过耗散水流能量稳定沟道,因此采用拦挡坝和阶梯-深潭系统相结合的方式来稳定滑坡体上的新生沟谷,并控制泥石流可能效果会更明显。