50年来泥沙研究所主要研究进展

50年来,泥沙研究所几代科技人员勤奋工作,兢兢业业,对我国工程泥沙问题进行了大量针对性的研究,为一些重大工程提供了技术支撑。在三门峡、小浪底和三峡水库上下游的泥沙问题解决,黄河和长江等河道演变研究和治理、黄河口演变和治理等,无不包含着我所职工的心血。不少科研人员,在所里组织和个人自觉开展相结合的形式下,不间断地开展泥沙运动基本理论研究,经过一批研究人员的艰辛努力,研究成果颇为丰硕,如浑水异重流、泥沙运动随机理论、非均匀悬移质不平衡输沙、高含沙水流、水库淤积及河床演变等理论成果,其中一些达到了国际先进甚至领先水平,为将我院提升为国际一流科研机构做出了重要贡献。

黄河口潮流与泥沙输移过程的数值研究

黄河口的海洋动力输沙能力受径流、潮流和波浪等动力条件的影响,是个十分复杂的问题。本文利用MIKE21模型建立了渤海水域大模型和黄河口水域的小模型,大模型为小模型提供外海边界条件。利用渤海水域验潮站的分潮资料对大模型进行了验证,计算值与实测值符合良好。黄河口水域小模型计算研究了多个入海流路口外水域的潮流过程和潮流输沙能力,计算结果得到黄河口水域新、老口门附近存在三个高流速区,最大潮流速在1.7m/s左右,自渤海湾向莱洲湾的强大沿岸流输沙是黄河口潮流输沙的主要形式,分析计算口外泥沙净通量得到刁口河、原河道和现行清8流路、马新河、北汊流路和十八户流路口外水域向口门两侧10km外和外海的输沙量占利津沙量百分数分别为51.04%3、9.27%、29.94%1、7.75%、12.96%和7.22%,年均输往外海沙量分别为3.00亿t、2.18亿t、1.66亿t0、.99亿t0、.72亿t和0.40亿t。计算得到的清水沟原河道的潮流输沙能力与多年资料分析结果基本一致。

连云港核电站附近海域泥沙冲淤计算研究

利用连云港地区的实测资料 ,对窦国仁输沙关系式进行了率定和修正 ,推导出新的潮流和波浪共同作用下的挟沙力关系式 ,进而建立了非恒定的平面二维不平衡冲淤计算数模并用实测和河工模型资料进行了验证。验证表明 ,计算结果符合实际。用经过验证的数模 ,对连云港核电站各种取、排水工程布置方案进行了冲淤计算 。

渭河下游河道泥沙分布特性研究

根据渭河下游河道大断面淤积物资料,研究了滩槽床沙粒度特征在时间、空间上的分布特点,认为:渭河下游淤积物组成受来水来沙条件、三门峡水库运用方式和支流入汇等多方面因素影响;主槽物质沿程细化趋势明显;三门峡水库运用初期,渭河下游河道受水库淤积影响最为明显,渭淤21以下的水下粒径组成明显细化;1986年以后渭河上游不利的来水来沙造成下游河道严重萎缩,渭淤26以下的主槽粒径大幅度细化;河漫滩的泥沙级配同样具有沿程细化的特点,但细化幅度明显小于主槽物质的变化,而且年代变化不大。

我国水库泥沙淤积研究综述

我国江河大多泥沙量大,所建水库淤积严重,由此带来了一系列问题:库容损失影响水库效益的发挥;淤积上延影响上游地区的生态环境;水库变动回水区的冲淤对航运带来不利影响;坝前泥沙淤积影响枢纽的安全运行;水库下泄清水对下游河道河床的冲刷以及附着在泥沙上的污染物对水库水质的影响等。本文对我国水库泥沙淤积研究的状况和成果进行了全面的综述。内容包括水库淤积观测资料和分析、悬移质不平衡输沙理论、水库异重流、高含沙水流、水库淤积形态、水库排沙及运行方式、变动回水区的冲淤、下游河道的冲淤变形,以及水库淤积数学模型等方面的研究成果和进展情况。

洞庭湖泥沙输移和淤积分布特性研究

洞庭湖泥沙淤积问题影响到长江及洞庭湖防洪、水资源、水生态环境等方面,在前人对洞庭湖总体淤积研究的基础上,研究洞庭湖内部各分区泥沙输移及淤积分布规律,对洞庭湖分区域综合治理方案制定具有实际指导意义。通过对洞庭湖各分区实测水文泥沙资料及地形资料的分析统计,发现:自20世纪50年代以来,洞庭湖的泥沙淤积呈逐渐减少的趋势;三峡水库运行后,洞庭湖的年淤积量不足运行前的10%,而且西洞庭湖萎缩已处于晚期,泥沙淤积已大大减少,区域内的淤积不再以湖泊为主,而是以洪道为主。三峡水库运行后,东、南洞庭湖在未考虑区间来沙的条件下,出现汛期淤积、非汛期冲刷现象。

黄土高原干旱阳坡微地形土壤水分特征研究

黄土高原地区坡面内地表的起伏形成微地形,利用其土壤含水量的差异来提高植被成活率已经成为黄土高原生态恢复建设的重要方向。采用探针式TDR对陕西省吴起县合家沟流域内的微地形及其相应原状坡的土壤含水量进行测定。结果表明,微地形对土壤含水量有显著影响,阳坡各微地形土壤水分顺序为:塌陷>切沟底>缓台>浅沟底>原状坡>陡坎。0—20cm土层土壤水分变异系数最大的是切沟底为0.405,最小的是缓台仅0.226,阴坡原状坡各层的变异系数均小于阳坡的微地形。最后指出黄土高原地区植被恢复建设时,在按传统立地类型划分原则所确定的植被恢复单元内,还应该按照微地形的水分特征有区别地配置植被类型。

基于RS和GIS的黄土丘陵沟壑区浅沟侵蚀地形特征研究

为了解黄土高原浅沟侵蚀地形特征,基于Qucickbird高分辨率遥感影像和数字高程模型,提取了坡面浅沟及其地形参数,并对浅沟侵蚀的地形特征参数和分布规律进行了统计分析,结果表明:黄土丘陵沟壑区,坡面坡度、长度、坡向以及上坡长度是影响坡面浅沟数量的主要地形要素,而浅沟侵蚀地形特征主要由坡面坡度、坡面长度、上坡长度和汇流面积共同决定;坡面长度与浅沟平均长度呈显著线性关系,坡面坡度与浅沟频度、浅沟坡度与其上坡长度间则均满足二次曲线;发生浅沟侵蚀的上限与下限临界坡度分别介于26～27°和15～20°,临界坡长介于50～80m;由浅沟坡度的正弦值与汇流面积确定出浅沟分布的临界曲线;阳向坡面的平均浅沟长度小于阴向坡面。基于RS和GIS技术能有效确定浅沟侵蚀地形特征,为黄土区坡面水土流失治理提供了技术支撑。

室内人工模拟降雨试验研究

该研究在天然降雨的观测基础上,根据室内侵蚀模拟试验的特点,设计了两种降雨模拟试验系统,并对该系统的降雨特性进行了率定和分析研究.研究结果表明,对于SX2002管网式降雨模拟器和SX2004喷射式降雨模拟器,可以把雨强作为主要控制参数来实现降雨模拟的动能相似;这两种降雨系统都能较好地满足室内降雨模拟试验的要求,其中管网式降雨器雨强调控范围较大、均匀度较好,但比较适于尺度较小的试验,喷射式降雨器更适于尺度和地形高差较大的模型试验,但它的雨强调控范围和均匀度不如前者.

不平衡输沙含沙量垂线分布研究

采用理论推导和数值计算的方法,进一步研究了不平衡输沙条件下的含沙量垂线分布,首次提出了非饱和泥沙通量的概念及其表达式,推导了不平衡输沙含沙量垂线分布的理论解,包括不平衡输沙含沙量垂线分布指数公式和幂函数公式,以及相应的底部含沙量确定方法。同时利用差分法求解剖面二维扩散方程,得到了不同参数的不平衡输沙含沙量垂线分布。其结果除少数误差稍大外,两种途径得出的含沙量垂线分布彼此符合良好。

崩塌土流动化机理的实验研究

作者利用可调坡水槽进行了松散崩塌土与水流掺混并形成泥石流的实验 ,观测了崩塌土运动距离及泥石流的形成过程 ,建立了崩塌土流高比的计算公式。讨论了松散崩塌土流动化形成泥石流的临界条件 ,提出松散崩塌土在一定纵坡下形成泥石流的水流掺混机理。实验中发现了一定形状的块状崩塌土与饱和度较高的下垫层之间存在超载孔隙水压力 ,超载孔隙水压力减轻了块体自重达到减阻的作用。从而 。

陕北黄土区陡坡土壤水分变异规律研究

土壤水分是制约陕北黄土区陡坡林草植被建设主要限制因素,深入系统的研究陡坡土壤水分变异规律是科学开展林草植被建设的重要前提。目前,陡坡不同季节、不同坡向、不同坡度的土壤水分变异规律尚未见系统的研究。为此,本研究通过观测陕北黄土区坡面尺度的自然恢复流域陡坡土壤含水量,研究分析了陡坡土壤水分季节变化规律、陡坡土壤水分垂直变化规律,结果表明：（1）陕北黄土区陡坡的土壤水分消耗期、土壤水分积累期、土壤水分消退期和土壤水分稳定期分别对应3-6、7-9、10-11和12月-次年2月;（2）0~120 cm土层中0~60 cm土层土壤含水量变化活跃。土壤水分随着土层深度的增加而增加,且各层间的差异也越来越显著;（3）基于土壤水分的垂直变化规律,陡坡的土壤水分弱利用层、土壤水分利用层、土壤水分调节层分别为0~40、40~60和60~100 cm。（4）在垂直于陡坡坡面方向上,深度大于40~50 cm的土壤层能为植被生长提供良好的土壤水分环境,有利于人工植被建设在陡坡开展。

河床枯萎的临界阈研究

本文首先从河流地貌临界学说的观点出发 ,解释了河床枯萎的概念 .然后 ,以黄河下游近期河床演变特性为例 ,阐释了河床枯萎的机理以及由此带来的“小水大灾”效应 ,研究了造床流量、河相关系在新的水沙条件下的变化规律 ,提出了枯萎造床流量的概念 .最后 ,运用河道水沙数学模型 。

半干旱黄土区自然恢复与人工造林恢复植被群落对比研究

为研究半干旱黄土区高效植被恢复途径,选取陕西省吴起县境内的合沟封禁流域和柴沟人工造林流域为研究区,在两流域内,沿顺坡和横坡方向,选择一系列20 m×20 m的样地,各组成2条样带。在每个样地内的对角线交点和对角线四分之一处选取5个样方进行植被调查,草本样方和乔灌样方的尺寸分别为1 m×1 m和5 m×5 m。共获得草本样方185个、乔灌木样方80个,其中,合沟封禁流域105个,均为草本样方,柴沟人工造林流域草本样方与乔灌样方各80个。运用植物生态学和植物群落学方法,调查各样方内的植物种类、株数、株高、盖度、地上生物量以及树木基茎、树高、冠幅等植被群落特征指标,并在此基础上对两流域的植被群落特征进行对比分析。结果表明:(1)两流域的植被种类共61种,其中柴沟人工造林流域46种,合沟封禁流域51种,共存物种36种;(2)经过10年生态恢复,柴沟人工造林流域已形成乔-灌-草群落,合沟封禁流域仍为草本群落,且两流域草本群落均以铁杆蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.)和茭蒿(Artemisiagiraldii Pamp.)为主要建群种;(3)柴沟人工造林流域的植被盖度、平均高、生物量均明显高于合沟封禁流域的相应指标。两流域植物群落Simpson指数和Shannon-Weiner指数差异较小,Sorensen指数为0.742,主要草本植物种的指标差异不显著。以上特征反映出,在半干旱黄土区,适宜的人工造林可加速该区植被恢复的进程。

半干旱黄土区典型林地土壤水分消耗与补给动态研究

通过对半干旱黄土丘陵沟壑区几种典型林地生长季土壤水分进行动态监测,研究不同林种对土壤水分消耗和补给的影响。结果显示,土壤总含水率大小依次为草地、沙棘、河北杨、油松、山杏,并且这一次序主要来源于120 cm深度（相对稳定层）以下的差异;不同林地及草地土壤含水率季节变化表现基本一致,3—8月波动下降,8—10月持续上升;各林地及草地土壤水分在0-60 cm内变化活跃,60-120 cm内由上至下逐渐趋于稳定,120-200 cm内保持相对稳定;林种、土壤深度、月份3种因素单独作用和交互作用均造成土壤水分差异显著;水分补给期后各林地土壤水分仍处于一定亏缺状态。

直角分水口水流形态的实验研究

对分水口前水流形态进行了研究，测量了分水口前不同水深处的平面流场，初步给出了分水口前水流的运动形态，分析了分水宽度沿水深的变化规律。

通用土壤流失方程中的坡长因子研究进展

坡长是决定土壤侵蚀的地形因素。通用土壤流失方程中的坡长因子反映坡长与侵蚀的关系,是土壤侵蚀预报模型的重要指标,在土壤侵蚀预报和水土保持规划中被广泛应用和深入研究。从坡长与侵蚀的关系、坡长因子算法以及坡长因子在地理信息系统环境中的提取3方面,系统回顾坡长因子在国内外的研究成果和发展历史。在此基础上,分析目前在我国土壤侵蚀预报模型的研究和应用过程中,坡长因子存在的5方面的问题,并针对这些问题对未来的研究提出了展望。

黄土高原地区淤地坝坝系相对稳定研究

本文阐述了淤地坝坝系相对稳定的内涵和标准,在此基础上分析了天然聚湫和不同类型地区的坝系相对稳定系数,并初步探讨了不同类型地区洪量模数、土壤侵蚀模数和稳定系数的关联性,研究表明流域洪量模数、土壤侵蚀模数均与坝系稳定系数呈较好的线性关系,坝系相对稳定系数随流域洪量模数和土壤侵蚀系数的增大而增大。且以延安市淤地坝建设为例,分析研究了坝系相对稳定的骨干坝与中小型坝的配置比问题。

中国的水库泥沙淤积问题

由于我国有许多河流是含沙最高、输沙量大的多泥沙河流，水库泥沙淤积问题异常严重．主要表现在：淤积数量大，淤积速率快．据统计，截止到1981年底全国水库总淤积量达115×10~8m^3．占统计水库总库容的14．2％．年平均库容损失率达2．3％，高于世界各国．水库的严重淤积，不仅影响水库兴利效益的发挥，严重威胁水库的使用寿命，而且还造成一系列在进行水库规划时未曾充分估计到的环境问题．本文重点从河流水文泥沙特性、我国水库淤积问题的严重性、水库淤积引起的问题及水库防淤减淤措施等4个方面作一较全面的分析和探讨．