多泥沙河流治理研究的認(rèn)識(shí)

季萬(wàn)才

(陜西省水利廳治渭辦，陜西 西安 710004)

多泥沙河流治理研究的認(rèn)識(shí)

季萬(wàn)才

(陜西省水利廳治渭辦，陜西 西安 710004)

分析多泥沙河流產(chǎn)生特性及國(guó)內(nèi)泥沙研究治理現(xiàn)狀、水沙災(zāi)害，剖析多泥沙河流泥沙產(chǎn)生機(jī)理以及由于自然、人為因素造成的多泥沙河流泥沙加劇的成因。提出在遵循源頭攔截下游疏導(dǎo)的傳統(tǒng)治理思路下，研究運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)手段對(duì)多沙河流泥沙進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，開(kāi)展河流泥沙基礎(chǔ)理論及數(shù)字模型、數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬技術(shù)等研究，為最大限度減少河流泥沙災(zāi)害，減少河流沙漠化，維持河流生態(tài)平衡，科學(xué)攔截合理疏導(dǎo)提供理論指導(dǎo)，為江河治理與防洪、水資源開(kāi)發(fā)與利用、河庫(kù)水電開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域工程建設(shè)提供重要依據(jù)。

多泥沙河流;治理研究;產(chǎn)生機(jī)理;治沙措施

為了迎接海峽兩岸多沙河流水利工程建設(shè)及管理研討會(huì)，促進(jìn)兩岸水利學(xué)者技術(shù)交流共同進(jìn)步。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在河流上興建各種水利樞紐工程在不斷增加，引水質(zhì)量、工程使用年限應(yīng)對(duì)泥沙措施顯得尤為重要。文章從多泥沙河流治理研究認(rèn)識(shí)的最基本點(diǎn)切入分析，提出從國(guó)內(nèi)外目前關(guān)注的多泥沙河流泥沙研究方法及進(jìn)程，分析泥沙產(chǎn)生機(jī)理、泥沙特性指標(biāo)、提出國(guó)內(nèi)目前泥沙治理采取的主要措施及典型工程泥沙處理的優(yōu)點(diǎn)，提出在泥沙基本理論方法研究日臻完善同時(shí)，積極研究分析工程建中將排沙、沖刷、沉沙相結(jié)合形成良性的泥沙淤清治理措施方法。

1 國(guó)內(nèi)泥沙研究方向及現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)水沙研究方向

隨著全球人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，全球許多國(guó)家都開(kāi)始重視多泥沙河流泥沙研究，據(jù)有關(guān)史書(shū)記載我國(guó)早在遠(yuǎn)古時(shí)代就開(kāi)時(shí)了挖河排洪治沙工程，尤其是到新中國(guó)成立以后隨著長(zhǎng)江、黃河幾座大型水利工程的相繼建成及運(yùn)行，迅速帶動(dòng)了我國(guó)水利科研人員對(duì)河流流域泥沙產(chǎn)生、泥沙利用、水土保持、泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論、河流動(dòng)力學(xué)、河流地貌、河床演變、河流及航道整治、河口港灣泥沙、渠系泥沙、電站泥沙、水庫(kù)泥沙、工業(yè)取水防沙、管路固體輸送、泥石流、沙塵暴、泥沙淤積與生態(tài)影響，模型試驗(yàn)及測(cè)試儀器與技術(shù)及其它工業(yè)建設(shè)中的泥沙問(wèn)題展開(kāi)了深入研究［1］。河流泥沙運(yùn)動(dòng)特性運(yùn)動(dòng)機(jī)理、泥沙運(yùn)動(dòng)的力學(xué)物理學(xué)特性、異重流研究、泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變特性、引水防沙研究、水庫(kù)泥沙研究等基本理論研究取得較大進(jìn)展。從20世紀(jì)90年代至今國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批高水平研究河流泥沙問(wèn)題的學(xué)者，如開(kāi)展泥沙工程水力計(jì)算、解析計(jì)算、數(shù)值模擬計(jì)算、數(shù)學(xué)模型分析，多泥沙河流河床演變趨勢(shì)、流域泥沙演變趨勢(shì)、以及河流坡面、溝坡、溝道水沙特性進(jìn)演進(jìn)模型等研究［2］。錢(qián)寧院士最早開(kāi)展流域來(lái)水來(lái)沙與河床演變關(guān)系研究，提出黃土高原粗泥沙來(lái)源對(duì)黃河下游河床淤積抬升起主要作用，并劃分黃土高原多沙粗沙來(lái)源范圍，為黃土高原水土流失的治理指明了方向［3］。韓其院士是我國(guó)著名的泥沙專(zhuān)家，長(zhǎng)期致力于泥沙運(yùn)動(dòng)、河床演變與水庫(kù)淤積研究，他曾提采用力學(xué)與隨機(jī)過(guò)程相結(jié)合的方法建立較為完整的泥沙運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)理論體系，揭示了泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理、力學(xué)機(jī)制。從理論上提出了塑造平衡縱剖面的第一造床流量和塑造平衡剖面的第二造床流量，對(duì)來(lái)水來(lái)沙變化對(duì)河床沖淤和變形的各種影響進(jìn)行了深入研究［4］。同過(guò)對(duì)水庫(kù)泥沙淤積進(jìn)行大量、全面、系統(tǒng)的理論研究，提出水庫(kù)淤積定性描述定量表達(dá)，奠定了水庫(kù)淤積的理論體系。

1.2 國(guó)內(nèi)水沙治理研究現(xiàn)狀

我國(guó)水土流失嚴(yán)重，河道輸沙量大，泥沙問(wèn)題突出。治水必治沙，是我國(guó)多泥沙河流治理的特點(diǎn)和難點(diǎn)。從泥沙公報(bào)十年成果來(lái)看，我國(guó)主要江河水沙條件變化，輸沙量逐年減少，重要水庫(kù)攔截了泥沙，重點(diǎn)河段沖淤變化復(fù)雜，重要泥沙事件時(shí)有發(fā)生。從水土流失治理來(lái)看，我國(guó)不斷加大水土保持力度，減少了流域土壤侵蝕量和入河泥沙量，調(diào)整了水沙比例，水土流失防治取得顯著成效。從水利工程建管來(lái)看，水利工程投運(yùn)之初，臨近河段一般會(huì)發(fā)生沖淤變化，水庫(kù)泥沙淤積和清水下泄帶來(lái)的問(wèn)題在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里會(huì)凸顯，這需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)分析，綜合治理;通過(guò)逐步掌握泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，多沙河流的水利工程建設(shè)和應(yīng)用積累了豐富經(jīng)驗(yàn);憑借梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，進(jìn)行水沙過(guò)程調(diào)節(jié)，可有效減少河道淤積及河床沖刷。從泥沙監(jiān)測(cè)來(lái)看，河道含沙量的不均衡分布，與河流水量豐枯密切相關(guān);一些河流河段縱橫剖面和河道形態(tài)演化劇烈、萎縮或淤高嚴(yán)重，河勢(shì)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的游蕩性，還存在有特殊的泥沙現(xiàn)象，如異重流等。監(jiān)測(cè)也表明，河口地區(qū)河網(wǎng)連通性以及灘涂分布形態(tài)受含沙水流作用影響顯著;某些河流因水量的減少，泥沙空間分布正在調(diào)整或已發(fā)生了重大調(diào)整［5］。中國(guó)河流泥沙態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀，江河治理和泥沙治理在一定條件下是同一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 多沙河流泥沙產(chǎn)生機(jī)理及特性

2.1 泥沙產(chǎn)生的機(jī)理

從地球物質(zhì)產(chǎn)生特性講泥沙來(lái)源于巖石的風(fēng)化。河流運(yùn)動(dòng)的泥沙主要來(lái)源于流域地表的沖蝕和河床的沖刷，其次還有風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)。流域地表的侵蝕與區(qū)域氣候、土壤、地形地貌及人類(lèi)活動(dòng)等因素關(guān)系密切。河流流域的水主要由降雨匯集而成，與土壤侵蝕形成河流泥沙關(guān)系密切。土壤結(jié)構(gòu)松散，植被覆蓋條件差，水土流失嚴(yán)重區(qū)域河流含沙量大。如我國(guó)的黃河流域7－8月份降雨較大，且多為雷暴雨，植被差土壤松散，所以地表侵蝕沿河河流含沙量高，其輸沙量模數(shù)多在10 000～20 000 t/(km2·a)以下;同樣在我國(guó)南部省份，雖有暴雨但植被好土壤結(jié)構(gòu)密實(shí)，其輸沙量模數(shù)多在1 000 t/(km2·a)以下。另外流域地形坡面坡度植被等對(duì)流域徑流匯流速度等影響較大，相應(yīng)對(duì)坡面的侵蝕量也隨之加大，也是河流泥沙產(chǎn)生及形成的一個(gè)重要特性。總之河流泥沙產(chǎn)生的機(jī)理可歸結(jié)為三個(gè)環(huán)節(jié)物理運(yùn)動(dòng)形成，即地表土壤經(jīng)過(guò)外力或降雨而運(yùn)行進(jìn)入溝道、湖泊或河流再隨水流運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)淤積或沖刷隨河水運(yùn)行的過(guò)程就行成河流泥沙。影響河流含沙量的主要因素歸結(jié)為三點(diǎn)即流域植被條件差、工程建設(shè)人為造成流域水土流失、暴雨災(zāi)害及自然地質(zhì)滑坡泥石流地震等災(zāi)害原因。

2.2 泥沙研究的特性

河流泥沙特性主要包括河流含沙量(一般實(shí)測(cè))、泥沙粒徑、泥沙重力特性包括密度(干)、泥沙的沉速仍采用張瑞瑾公式計(jì)算涉及絮凝對(duì)沉速的影響［1］(F=KDn)。推移質(zhì)理論，包括推移質(zhì)泥沙起動(dòng)流速、推移質(zhì)沙漠夫、梅葉 －彼得、愛(ài)因斯坦計(jì)算公式。布瓦德(M.Bouvard)推移質(zhì)與引水防沙工程論［1］，提出取水建筑物及泥沙理論設(shè)施可以根據(jù)推移質(zhì)臨界流量與設(shè)計(jì)流量之比判斷河床泥沙沖刷與否。另外采用設(shè)計(jì)流量與天然河道流量之比判斷判斷泥沙是否推移或沉積。懸移質(zhì)理論，包括懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)輸沙能力、韓其為水體分割模式(即韓其為水體挾沙假說(shuō))［4］、梁志勇模式、懸移質(zhì)的垂向分布施米特(W.Schmidt)、布恩(E.W.Lano)和卡林斯基(A.A.Kalinske)、羅斯(H.Rouse)計(jì)算式在懸移質(zhì)垂直分布中得到廣泛應(yīng)用［6］。以及懸移的橫向分布理論即垂線平均含沙量橫向分布比較均勻，而且泥沙顆粒越細(xì)，沉速越小，水流速度越大，橫向分布越加均勻。泥沙專(zhuān)家范家驊［7］教授通過(guò)大量的理論研究及工程試驗(yàn)總結(jié)提出了河流泥沙異重流基本方程、異重流潛入現(xiàn)象和潛入點(diǎn)判斷、交界面水量摻混臨界流速與摻混(卷吸)系數(shù)、異重流孔口出流、異重流前鋒、斜坡上的急流異重流、垂向含沙浮射流運(yùn)動(dòng)、非連續(xù)渾水異重流的實(shí)驗(yàn)研究(1渾水異重流槽寬突變時(shí)的局部摻混、2內(nèi)部水躍)、非恒定異重流實(shí)驗(yàn)與計(jì)算、異重流的沖刷、異重流對(duì)工程的影響等。

工程泥沙中主要有錢(qián)寧的水庫(kù)淤積、范家驊的泥沙工程等專(zhuān)家研究提出的泥沙淤積及防治理論。水庫(kù)泥沙淤積中首先研究了水庫(kù)的不平衡輸沙現(xiàn)象(含沙量沿程變化、沖淤過(guò)程中懸移質(zhì)級(jí)配的分選、床沙級(jí)配)、非均勻沙一維不平衡輸沙(非均勻沙級(jí)配變化特征)。水庫(kù)壅水明流排沙、異重流排沙、敞泄排沙、溯源沖刷框算法、異重流排沙;水庫(kù)淤積型態(tài)研究，包括三角洲淤積、椎體淤積、帶狀淤積等;水庫(kù)庫(kù)尾淤積特性包括推移質(zhì)淤積、變動(dòng)回水區(qū)得沖淤、淤積后回水抬高及淤積與回水的上延翹尾巴估算原理;水庫(kù)沖淤平衡理論即:淤積到達(dá)壩前主槽累計(jì)淤積量的變化已經(jīng)不明顯，但床沙仍較細(xì)，沖淤變幅仍較大;主槽縱剖面已達(dá)到懸移質(zhì)輸沙平衡河勢(shì)已較穩(wěn)定，床面一定厚度內(nèi)原懸移質(zhì)淤積物已粗化完畢，有細(xì)顆粒推移質(zhì)出庫(kù);進(jìn)庫(kù)推移質(zhì)已能全部出庫(kù)，推移質(zhì)輸沙平衡，河床進(jìn)一步粗化，糙率有所加大，縱坡降也有明顯加大橫坡降接近平衡。依次形成水庫(kù)淤積的四個(gè)階段:淤積階段、懸移質(zhì)淤積初步平衡階段、懸移質(zhì)輸沙平衡階段、推移質(zhì)輸沙平衡階段(通常高水頭取水取懸移質(zhì)輸沙平衡、低水頭引水樞紐取推移質(zhì)輸沙平衡);水庫(kù)淤積量計(jì)算理論(類(lèi)似水庫(kù)實(shí)際淤積測(cè)量比擬法、淤積理論計(jì)算法“目前最有效的方法”、模型試驗(yàn)法“韓其為等人研制的水庫(kù)淤積與河床演變數(shù)學(xué)模型”);水庫(kù)淤積控制包括淤積量控制、淤積“翹尾巴”控制、變動(dòng)回水區(qū)沖淤及航深控制、壩前泥沙控制、以及下游河床演變影響控制等［8］。

3 泥沙治理與工程排沙措施方法

3.1 減少河流輸沙措施方法

結(jié)合文章前述分析多泥沙河流泥沙產(chǎn)生的機(jī)理，降低河流輸沙措施可以從減源及科學(xué)布設(shè)排沖沙樞紐工程考慮。減源即從源頭追溯減少因人為工程建設(shè)造成的水土流失、提倡退耕還林、加強(qiáng)流域水土保持治理，增加黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)等措施。

開(kāi)展工程排沙沖刷治理研究，是降低河流輸沙能力重要工程措施。其中聞名中外的都江堰引水灌溉工程堪稱(chēng)世界水利史上的奇跡，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)在未建三盛公樞紐等均合理的解決了引水和防沙的矛盾問(wèn)題。在現(xiàn)代引水樞紐中充分考慮低壩沉沙沖沙槽、閘壩式?jīng)_沙閘與閘前沉沙沖沙槽定期沖沙引水以及樞紐排沙底洞、排沙廊道、環(huán)流沖沙槽、渦管排沙、環(huán)流排沙漏斗、沉沙池等輔助排沙工程措施是緩解現(xiàn)代水利工程建設(shè)多泥沙河流危害的重要措施。多泥沙河流修建水利工程時(shí)工程布設(shè)應(yīng)選擇利用天然河灣引水口布設(shè)凹岸排沙布設(shè)凸岸且河勢(shì)河床較為穩(wěn)定河段，引水口應(yīng)盡可能避免推移質(zhì)泥沙補(bǔ)給區(qū)合理的修建防沙、排沙閘檻等。

3.2 多沙河流典型工程治沙排沙經(jīng)驗(yàn)

陜西省渭河流域防洪治理中，經(jīng)過(guò)多年對(duì)下游河道汛前汛后斷面的測(cè)淤分析，總結(jié)得出“大水淤灘沖槽，小于沖岸淤槽”的寶貴理論，為解決該河道防洪問(wèn)題積累了豐富經(jīng)驗(yàn)［9］;陜西關(guān)中渭河渭惠渠沉沙沖沙槽式渠首工程，其進(jìn)水閘與河水斜交，使水流平順，減少擾動(dòng)，提高沖沙效率，實(shí)踐應(yīng)用效果良好［1］;新疆伊犁碦什河引水樞紐工程，由于天然條件好，設(shè)計(jì)布置合理，因此實(shí)際運(yùn)行情況十分良好，該工程采用兩次分水口，第一個(gè)分洪口彎道處于正面引水的有利形勢(shì)，可以排泄大量推移質(zhì)泥沙，第二個(gè)引水閘處于正面引水的有利條件，基本不進(jìn)入推移質(zhì)泥沙，閘前懸移質(zhì)由沖沙閘排走［10］;映秀灣水電站閘壩引水工程，引水口置于彎道頂點(diǎn)附近的凹岸處，引水底板高程 935.5 m，高出河床 0.5 m，前緣長(zhǎng)58 m，設(shè)有胸墻，水從四個(gè)底孔進(jìn)入引水口，孔頂高程939.5 m，在距胸墻前5.0 m處，沿前緣設(shè)置一道丁順導(dǎo)沙坎，其上段高程937.5 m下端939.0 m，同時(shí)在一號(hào)閘墩上游延伸設(shè)置一道束水墻，墻頂高程942.5 m，在胸墻與束水墻之間形成一條過(guò)水通道，期間包括導(dǎo)沙坎，由于導(dǎo)沙坎的環(huán)流效果，經(jīng)對(duì)運(yùn)行多年觀測(cè)和分析認(rèn)為其設(shè)計(jì)較為合理［11］。

三門(mén)峽水庫(kù)的改建及調(diào)水調(diào)沙運(yùn)行成功解決了水庫(kù)本身的泥沙問(wèn)題和渭河下游潼關(guān)高程抬升控制的趨勢(shì)，在水庫(kù)泥沙研究處理方面積累了大量論理及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，它為我國(guó)提出在世界盛名的、長(zhǎng)期使用水庫(kù)提供正反兩面泥沙研究的經(jīng)驗(yàn)和典型實(shí)例。20世紀(jì)50年代，水庫(kù)淤積是不可避免的，仍是水利界普遍的看法。1962年我國(guó)北方一些水庫(kù)開(kāi)始摸索通過(guò)水庫(kù)運(yùn)行減緩水庫(kù)淤積，并取得了一定成效，為水庫(kù)長(zhǎng)期使用提供了支持。如陜西涇陽(yáng)縣黑松林水庫(kù)將原“攔洪蓄水”運(yùn)用改為“空庫(kù)迎洪”收到了明顯效果，內(nèi)蒙古紅領(lǐng)巾水庫(kù)“攔洪蓄水”改為“緩洪蓄水”改變了繼續(xù)淤積狀態(tài)。“平衡坡降和水庫(kù)長(zhǎng)期使用庫(kù)容的理論在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展為一種成熟技術(shù)，三峽工程處理泥沙的策略就是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的［12］。

4 結(jié)語(yǔ)

1)充分認(rèn)識(shí)多泥沙河流對(duì)促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展河流防洪治理帶來(lái)的重要危害，避免降低由于人類(lèi)活動(dòng)影響形成的多泥沙河流洪澇災(zāi)害加劇趨勢(shì);加大多少泥沙河流區(qū)水土保持治理力度，降低上游河流輸沙量，減少泥沙對(duì)河流環(huán)境造成的不利影響;積極研究探索河流泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，重視科學(xué)理論研究與實(shí)踐工程治理措施相結(jié)合，通過(guò)工程措施及科學(xué)合理的工程管理調(diào)度運(yùn)行，最大限度的發(fā)揮多沙河流水利骨干工程的攔沙減災(zāi)效益，實(shí)現(xiàn)人水和諧相處、水沙強(qiáng)弱有秩輸送，是人類(lèi)社會(huì)攻關(guān)泥沙治理研究減少水沙災(zāi)害的終極目標(biāo)。

2)研究采用高科技雷達(dá)聲光電新技術(shù)觀測(cè)重大多泥沙河流、庫(kù)壩群、蓄滯洪區(qū)等泥沙形成的量子，為開(kāi)展工程區(qū)泥沙治理研究提供數(shù)據(jù)是展開(kāi)泥沙治理的重要依據(jù)。積極開(kāi)展研究排沙底洞之后的專(zhuān)用沉沙區(qū)水利樞紐結(jié)構(gòu)研究并付諸工程實(shí)踐，有效降低多泥沙河流的河床淤積減少河道下游采砂費(fèi)用提高泥沙利用率，形成良性的泥沙淤清治理措施。

［1］梁志勇.徐永年等.引水防沙與河床演變［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社.2001.1.

［2］王光謙.李鐵健.流域泥沙動(dòng)力學(xué)模型［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社.2008.12.

［3］錢(qián)寧.萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué).科學(xué)出版社.1983.

［4］韓其為.黃煜齡.水庫(kù)沖淤過(guò)程的計(jì)算方法及電子計(jì)算機(jī)得應(yīng)用.長(zhǎng)江水利水電科研成果選編.1974.1.45 －48.

［5］劉寧副部長(zhǎng)在《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》發(fā)布10周年座談會(huì)暨中國(guó)泥沙問(wèn)題學(xué)術(shù)研討會(huì)上的講話.

［6］Bouvard，Maurice，Molile，barrage and intakes on sediment transporting rive ，Published by A.A.Balkema，1992.

［7］范家驊.異重流與泥沙工程試驗(yàn)與設(shè)計(jì).中國(guó)水利水電出版社.211.12.

［8］錢(qián)寧等.泥沙手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社.1976.

［9］余光夏.論涇河?xùn)|莊水庫(kù)漏暨泥沙［M］.西安.2011.2.

［10］李承琪.新疆伊犁碦什灣河道引水排沙樞紐工程技術(shù)總結(jié).新疆自治區(qū)水利廳.1982.8.

［11］王靜遠(yuǎn).映秀灣水電站工程泥沙初步總結(jié).水利電力部成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院.1982.4.

［12］韓其為.黃河泥沙若干理論問(wèn)題研究.黃河水利出版社.2010.12:135—136.

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1004－1184(2012)05－0178－03

2012－05－21

季萬(wàn)才(1978－)，男，陜西大荔人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理。