长江口泥沙运动形式分类及对深水航道淤积影响

潮汐河口泥沙运动复杂多变, 科学划分泥沙运动形式并评估其对航道淤积的影响, 是厘清航道淤积泥沙来源、制定有效减淤措施的关键。基于长江口深水航道所处南港—北槽河段2015年和2018年洪季、枯季表层沉积物和近底悬沙的现场采样数据, 分析提出潮汐条件下推移质、悬移质和时推时悬泥沙3类泥沙运动形式的粒径划分方法, 量化3类泥沙对深水航道淤积的贡献比例。结果表明: 近底悬沙级配曲线上拐点粒径对泥沙由推移质向悬移质转化具有较好的指示意义; 长江口南港—北槽悬沙、底沙交换显著, 深水航道淤积物中除仅做推移质或悬移质运动的泥沙外, 还包括大量的时推时悬泥沙, 其在航道淤积泥沙中的占比最高, 约达50%~60%;南港段航道洪季、枯季推移质淤积占比分别为36%和26%, 高于悬移质的6%和13%;北槽段航道悬移质落淤泥沙占比为44%~48%, 明显较推移质3%~6%的占比高。3类泥沙运动形式粒径划分方法为深化潮汐河口泥沙运动规律认识、判别航道淤积泥沙来源提供了新途径。     

三峡水库蓄水后下游河道悬沙恢复效率

受诸多因素影响,枢纽下游不饱和水流冲刷过程中悬移质泥沙含沙量沿程恢复非常复杂。为了进一步弄清枢纽下游悬沙沿程恢复的规律,本文引入含沙饱和度及饱和度恢复效率系数分别描述悬沙恢复的程度和效率,基于宜昌—大通河段的实测水沙资料,分析悬沙恢复效率的变化趋势及其影响因素,并建立计算饱和度恢复效率系数的经验公式。结果表明：(1)三峡水库下游河道不同河段的恢复效率随时间未出现一致的趋势性变化,但总体上沿程减小,其中单位河长内悬移质全沙的恢复程度在枝城—沙市河段最大、在螺山—汉口河段最小,相差约23倍;(2)含沙饱和度、床沙补给强度以及流量等影响悬沙恢复效率,饱和度恢复效率系数随进口含沙饱和度的增大而减小,随床沙补给强度的增大而增大,床沙补给强度为正时饱和度恢复效率系数随流量的增大而减小、床沙补给强度为负时随流量的增大而增大;(3)基于饱和度恢复效率系数与进口含沙饱和度、流量以及床沙补给强度的关系,建立了计算河段出口悬移质全沙以及各粒径组悬沙含沙量的经验公式。     

葛洲坝工程建设中的泥沙观测与研究

葛洲坝工程在设计中需要研究解决的泥沙问题,主要有泥沙淤积对通航的影响;泥沙过机过坝以及水库尾闾变动回水区翘尾巴等.因此对泥沙输移的数量、运动规律、级配组成、矿物成份等,必须进行观测与分析,特别是推移质和悬移质中的床沙质部分测验困难,过去实测资料很少,而这部分泥沙对工程的影响和危害很大,更需要认真对待.故在葛洲坝工程建设中,对工程河段的泥沙特性和运动规律,进行了一系列观测研究.     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

长江中游荆江段非均匀悬沙恢复饱和系数

三峡工程运行后,长江中游荆江河段含沙量大幅度降低,次饱和水流冲刷河床使含沙量在沿程逐渐恢复,但其恢复特点由于沿程床沙组成差异而有所不同。本文基于Markov随机过程及泥沙起动理论,推导非均匀悬沙的泥沙落距表达式;结合悬移质扩散理论,修正非均匀悬沙恢复饱和系数公式。在此基础上,基于荆江河段实测输沙过程,提出考虑床沙组成影响的分组悬沙恢复饱和系数计算方法;该方法主要与泥沙粒径、悬浮指标、床沙组成及止滚概率、止悬概率等因素有关,无需考虑非饱和调整系数的影响。计算结果表明:①不考虑床沙组成时,沙市、监利站恢复饱和系数计算值均在区间0.12~0.27内变化,而考虑床沙组成时分别为0.000 3~0.171 8和0.003 5~0.157 9。②不考虑床沙组成时,分组悬沙恢复饱和系数计算值细沙>中沙>粗沙;考虑床沙组成时细沙 < 中沙 < 粗沙;除落水期外,沙市站粗沙的恢复速度均大于监利站。③沙市、监利站恢复饱和系数在各计算时段的变化过程对悬沙分组具有敏感性,其中洪水期恢复饱和系数大于枯水期、涨水期和落水期。采用河床变形方程反算分组悬沙恢复饱和系数,并与本文计算结果进行对比;通过比较分析,本文公式能够用于描述荆江河段分组悬沙恢复特性,可为三峡工程下游非均匀悬沙沿程恢复过程研究提供参考。     

泥沙知识痤讲 (三)推移质运动

河流泥沙运动的主要形式有沿床面滚动、跳跃和悬浮。此外在个别条件下可能发生滑动(当床面光滑时)和床面成层移动(当水流强度很大时)。悬浮运动的泥沙称为悬移质;滚动、滑动、跳跃、层移的泥沙称为推移质。推移质运动是由底部水动力和颗粒碰撞所引起,只发生在床面附近的区域(底层)内。1.泥沙起动当水流速度由小增大到一定数值后,床面上原来静止的个别泥沙,或因其粒径较细,或由于其位置突出,再碰上较大的纵向瞬时流速,就开始滚动。此时这种泥沙处于起动状态;而相应的水流时均速度则称为该类泥沙的起动流速。泥沙起动流速关系到开始测验推移质的时机,不冲渠道的设计、河床冲刷的极限深度,以及截流和抢险抛石的尺寸等等,故有重要的实用意义。泥沙起动时所受的作用力有:水流正面推力 P=     

分汊河口的形成机理

从输沙的力学角度探讨分汊河口的形成机理.认为分汊河口系许多因子共同作用所造成,而推移质的造床作用是在河口特定的边界、水流及泥沙输移恰当配合下形成河口沙洲,从而导致河口分汊的主导因子;河流注入海洋时边界突变引起的水流扩散减速则是推移质集中堆积而塑造河口沙洲的外部必要条件;河口悬移质中粘细物质含量丰富并在盐淡水混合环境中絮凝沉降为沙洲堆积增高和稳定提供了可靠保证,故也是分汊河口形成的重要原因.     

黄河泥沙冲淤数学模型研究

应用作者提出的动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调正及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系,建立了黄河下游及水库河床变形计算一维数学模型。经1960年～1988年共28年实测水沙资料的验证计算,结果与实际基本符合。该模型的特点是可预报各种水流及河床边界条件下的动床阻力;可同时计算确定混合沙中各粒径组的推移质、悬移质挟沙力、含沙浓度垂线分布及上滩水流含沙量;能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲的实际情况;能够基本反映泥沙多来多排及高含沙水流的冲淤特性;能综合反映出来水流量、含沙量及级配的调节变化产生的输沙冲淤差别。应用该模型计算黄河小浪底水库库区及下游河道的冲淤,成果比较合理。     

三峡建库前后下荆江有效流量研究

有效流量是天然河流某一时段内悬移质输沙量最大所对应的流量,可反映中、短期造床作用。根据监利水文站1991—2016年逐月流量、输沙量及悬移质级配,分析三峡建库前后流量频率及不同粒径组悬移质泥沙输移特性;运用理论分析法与分组频率法计算下荆江分组悬移质输沙量对应有效流量的大小、重现期、历时。研究成果表明:受来水来沙、水流挟沙能力以及床沙补给等因素影响,有效流量随泥沙粒径增大而减小。建库后,因河床冲刷各粒径组间有效流量偏差增大,0. 062 mm0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期减小;细颗粒泥沙含沙量严重不饱和河道输送粗颗粒泥沙的能力相对较大,悬移质级配粗化;累积50%的泥沙输移需43%～82%的累积流量以及62%～90%的累积历时,且累积流量和累积历时随着泥沙粒径的增大而减小和缩短。研究三峡建库前后有效流量变化对分析冲刷条件下下荆江河段河床演变具有重要意义。     

双峰型非均匀沙推移运动特性及输移规律

采用图像识别与推移质动态监测技术,开展基于双峰型非均匀推移质的系列水槽试验.通过引入反映床面粗糙度、粘性底层特性与颗粒非均匀度η(粗细比)的综合水流强度函数Ψ_b、特征弗劳德数Fr_b,系统研究了不同水流强度与床沙组成条件下的推移质输移特性以及颗粒非均匀度对输沙率的影响.通过对关键因子的辨识与量纲分析,提出了双峰型非均匀推移质输移模式,建立了基于近壁特征因子的水流强度Ψ_b与非均匀推移质输移强度Φ'的函数关系.对双峰型底沙输移机理的分析表明,非均匀沙的组成特征使得η成为影响Φ'的重要参量;正是细粒对粗粒的解怙作用对粗沙运动产生重要影响,使推移质输移率与颗粒非均匀度间呈现驼峰关系,峰值对应的粗细比η_c约为3∶7.     

长江泥沙输移特性分析

长江泥沙主要来源于上游，河流输沙特性与地理条件关系密切。宜昌以上属山区，泥沙来源于土壤侵蚀，其输沙量沿程递增，含沙量增减互见。宜昌以下属冲积河道，由于泥沙在湖泊（水库）中沉积、输沙量沿程减小。至于年内变化，则与径流量变化基本相应；年际间属随机变化，无系统性。悬沙级配有沿程细化趋势。卵石推移量，寸滩为２８．２万ｔ，沿程稍有增加；粗砂砾石推移量甚微；沙推移量与河床级配组成有密切关系，沙质河床的推移量大     

实测悬移质泥沙年输沙量改正方法

在悬移质泥沙测验中,由于无法测到近底层悬移质含沙量(简称近底悬沙),因此使实际测算的输沙率(主要是床沙质部分)与真实值不符,往往相差较大。从而使年输沙量的成果精度受到影响,必须予以改正。改正年输沙量的问题,实质上是如何改正床沙质输沙率的问题。对此,以往研究较多的是解析法。由于解析法理论上不够完善,在运用该法进行计算所引用的天然河道比降,又往往不易准确观测,计算所得输沙率改正值往往误差过大,该法很难实际应用。因此,我们曾对经验法,即根据本站较精密的资料来进行改正计算作了研究,但由于如何计算概化垂线上的测点流速、含沙量与颗粒级配才能使垂线平均与断面平均     

南水北调对长江口粗颗粒悬沙来量的影响

探索了长江南水北调占总径流量10%情况下对长江粗颗粒悬沙(≥0.05mm)入海数量变化的可能影响。研究表明:南水北调对入海细颗粒泥沙的影响主要为南沙北调,但数量较小,在1%左右,而对粗颗粒悬沙的影响主要表现在入海流量减少导致的水体挟沙能力的降低。通过建立大通站典型枯水年(1978),平水年(1987)及洪水年(1983)月平均流量与月平均床沙质输沙率相关曲线,估算出各典型年在典型流量23000m3/s,30000m3/s与40000m3/s水平下调水流量3000m3/s时导致的入海床沙质输沙率的变化。结果表明,输沙率的相对变化在-39%至-24%之间,且在较高的流量水平下,输沙率相对变化较小,但绝对变化增大,经大通入海的床沙质数量每年约减少2350～4700万t.     

推移质输沙率的非线性研究

目的是从非线性科学角度探讨泥沙运动的规律。通过分析非均匀沙起动的影响因素得到了尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了能描述推移质运动的尖点突变模型。在尖点突变标准方程的基础上,应用尖点突变理论的坐标变换和拓扑变换,导出了输沙强度和水流参数的函数关系式。将输沙强度作为状态变量,水流参数和床沙密实系数作为控制变量。用水槽实验资料和其它推移质输沙率公式进行了对比验证。验证结果表明,计算值与其它推移质输沙率公式和水槽实验结果基本相符,误差一般在-90%～80%之间。说明建立的推移质输沙率公式是合理的,能够反映泥沙的起动和输移规律。     

漏斗式全沙排沙技术及其应用

主要介绍了一种新型泥沙处理技术,即“漏斗式全沙排沙术”.该项技术既可以排除粗颗粒的推移质泥沙,也可以排除细颗粒的悬移质泥沙.对0.5mm以上的粗颗粒泥沙的截沙率为100%,对0.5mm以下细颗粒泥沙的截沙率为90%,排沙耗水量仅占渠道引水量的2%～5%.     

泥沙起动概率的高速摄影测量方法

为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近.     

三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整分析

建立反映河床调整幅度的体幅指标K,分析2003～2008年三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整幅度的沿程变化。研究发现该河段K与河段净冲刷强度不成正相关,而是与河道宽深比成正相关,当床沙中值粒径小于0.5 mm时,K与床沙中值粒径成负相关。初步分析认为:三峡下游粗颗粒泥沙容易达到输送饱和状态,当水流挟沙力减小时出现落淤,使得宽浅河段局部出现较大淤积,净冲刷强度较小,调整幅度较大;当床沙中值粒径小于0.5 mm时,该河段河床冲刷以悬移质输沙为主,河床组成越细,被冲刷的量越大,河床调整幅度也就越大。结合建库前后不同粒径组悬移质输沙量的沿程变化,对水库下游河床粗化方式进行了讨论。     

《河流推移质泥沙及床沙测验规范(送审稿)》通过审查

《河流推移质泥沙及床沙测验规范》审查会于1991年4月17～20日由水文司主持在南京召开。部分省(区)、流域水文机构,有关院校和科研所等17个单位的25名专家参加了会议。     

砒砂岩区水土流失机制及防治措施研究现状与展望

砒砂岩集中分布于黄河中游晋陕蒙交接地带的多沙粗沙区，是黄河下游地上悬河造床质粗泥沙的重要组成部分，系关黄河安澜。由于砒砂岩孔隙发育、结构松散，遇水崩解等特性，以及地形地貌、气候、水文等因素的影响，导致砒砂岩极易发生风化、侵蚀，且侵蚀机制复杂、侵蚀类型多样。系统探究砒砂岩的风化、侵蚀与搬运机制及其发展演化过程是遏制粗泥沙入黄的关键。基于文献检索，笔者系统整理砒砂岩风化与侵蚀机制，分析坡面、沟道侵蚀与搬运演化过程、产沙产流规律，梳理有关砒砂岩的水土流失防治措施研究成果以及存在的问题，并提出遏制砒砂岩粗泥沙入黄的对策建议。(1)聚焦粗泥沙集中来源区，从源头遏制粗泥沙入黄。(2)按照山水林田湖草沙生命共同体理念，探索面向粗泥沙的水土保持新体系。(3)创新多元化投入、跨地区联动，多部门协作，多专业融合的遏制粗泥沙入黄工作机制。(4)加强砒砂岩风化-侵蚀-搬运机制与防治关键技术研究。     

悬沙采样器比测试验成果审定会在重庆召开

根据世界气象织组(WMO)的第二阶段水文仪器(悬移质泥沙采样器)比测计划,长办受水电部的委托,在长江朱家沱水文站用WMO指定的校核仪器(美国P-61采样器)与我国研制的几种常用悬沙采样器进行了比测试验。为此,水电部水文局于1986年12月9～13日在重庆召开了悬沙采样器比测试验成果审定会。