多泥沙河流治理研究的认识

季万才

(陕西省水利厅治渭办，陕西 西安 710004)

多泥沙河流治理研究的认识

季万才

(陕西省水利厅治渭办，陕西 西安 710004)

分析多泥沙河流产生特性及国内泥沙研究治理现状、水沙灾害，剖析多泥沙河流泥沙产生机理以及由于自然、人为因素造成的多泥沙河流泥沙加剧的成因。提出在遵循源头拦截下游疏导的传统治理思路下，研究运用先进技术手段对多沙河流泥沙进行适时监测，开展河流泥沙基础理论及数字模型、数学模型、数值模拟技术等研究，为最大限度减少河流泥沙灾害，减少河流沙漠化，维持河流生态平衡，科学拦截合理疏导提供理论指导，为江河治理与防洪、水资源开发与利用、河库水电开发等领域工程建设提供重要依据。

多泥沙河流;治理研究;产生机理;治沙措施

为了迎接海峡两岸多沙河流水利工程建设及管理研讨会，促进两岸水利学者技术交流共同进步。随着社会经济的发展，在河流上兴建各种水利枢纽工程在不断增加，引水质量、工程使用年限应对泥沙措施显得尤为重要。文章从多泥沙河流治理研究认识的最基本点切入分析，提出从国内外目前关注的多泥沙河流泥沙研究方法及进程，分析泥沙产生机理、泥沙特性指标、提出国内目前泥沙治理采取的主要措施及典型工程泥沙处理的优点，提出在泥沙基本理论方法研究日臻完善同时，积极研究分析工程建中将排沙、冲刷、沉沙相结合形成良性的泥沙淤清治理措施方法。

1 国内泥沙研究方向及现状

1.1 国内水沙研究方向

随着全球人类文明的不断进步，全球许多国家都开始重视多泥沙河流泥沙研究，据有关史书记载我国早在远古时代就开时了挖河排洪治沙工程，尤其是到新中国成立以后随着长江、黄河几座大型水利工程的相继建成及运行，迅速带动了我国水利科研人员对河流流域泥沙产生、泥沙利用、水土保持、泥沙运动基本理论、河流动力学、河流地貌、河床演变、河流及航道整治、河口港湾泥沙、渠系泥沙、电站泥沙、水库泥沙、工业取水防沙、管路固体输送、泥石流、沙尘暴、泥沙淤积与生态影响，模型试验及测试仪器与技术及其它工业建设中的泥沙问题展开了深入研究［1］。河流泥沙运动特性运动机理、泥沙运动的力学物理学特性、异重流研究、泥沙运动与河床演变特性、引水防沙研究、水库泥沙研究等基本理论研究取得较大进展。从20世纪90年代至今国内涌现出一批高水平研究河流泥沙问题的学者，如开展泥沙工程水力计算、解析计算、数值模拟计算、数学模型分析，多泥沙河流河床演变趋势、流域泥沙演变趋势、以及河流坡面、沟坡、沟道水沙特性进演进模型等研究［2］。钱宁院士最早开展流域来水来沙与河床演变关系研究，提出黄土高原粗泥沙来源对黄河下游河床淤积抬升起主要作用，并划分黄土高原多沙粗沙来源范围，为黄土高原水土流失的治理指明了方向［3］。韩其院士是我国著名的泥沙专家，长期致力于泥沙运动、河床演变与水库淤积研究，他曾提采用力学与随机过程相结合的方法建立较为完整的泥沙运动统计理论体系，揭示了泥沙运动机理、力学机制。从理论上提出了塑造平衡纵剖面的第一造床流量和塑造平衡剖面的第二造床流量，对来水来沙变化对河床冲淤和变形的各种影响进行了深入研究［4］。同过对水库泥沙淤积进行大量、全面、系统的理论研究，提出水库淤积定性描述定量表达，奠定了水库淤积的理论体系。

1.2 国内水沙治理研究现状

我国水土流失严重，河道输沙量大，泥沙问题突出。治水必治沙，是我国多泥沙河流治理的特点和难点。从泥沙公报十年成果来看，我国主要江河水沙条件变化，输沙量逐年减少，重要水库拦截了泥沙，重点河段冲淤变化复杂，重要泥沙事件时有发生。从水土流失治理来看，我国不断加大水土保持力度，减少了流域土壤侵蚀量和入河泥沙量，调整了水沙比例，水土流失防治取得显著成效。从水利工程建管来看，水利工程投运之初，临近河段一般会发生冲淤变化，水库泥沙淤积和清水下泄带来的问题在相当长一段时间里会凸显，这需要动态监测，实时分析，综合治理;通过逐步掌握泥沙运动规律，多沙河流的水利工程建设和应用积累了丰富经验;凭借梯级水库联合运用，进行水沙过程调节，可有效减少河道淤积及河床冲刷。从泥沙监测来看，河道含沙量的不均衡分布，与河流水量丰枯密切相关;一些河流河段纵横剖面和河道形态演化剧烈、萎缩或淤高严重，河势呈现强烈的游荡性，还存在有特殊的泥沙现象，如异重流等。监测也表明，河口地区河网连通性以及滩涂分布形态受含沙水流作用影响显著;某些河流因水量的减少，泥沙空间分布正在调整或已发生了重大调整［5］。中国河流泥沙态势不容乐观，江河治理和泥沙治理在一定条件下是同一个问题的两个方面，面临着严峻挑战。

2 多沙河流泥沙产生机理及特性

2.1 泥沙产生的机理

从地球物质产生特性讲泥沙来源于岩石的风化。河流运动的泥沙主要来源于流域地表的冲蚀和河床的冲刷，其次还有风沙运动。流域地表的侵蚀与区域气候、土壤、地形地貌及人类活动等因素关系密切。河流流域的水主要由降雨汇集而成，与土壤侵蚀形成河流泥沙关系密切。土壤结构松散，植被覆盖条件差，水土流失严重区域河流含沙量大。如我国的黄河流域7－8月份降雨较大，且多为雷暴雨，植被差土壤松散，所以地表侵蚀沿河河流含沙量高，其输沙量模数多在10 000～20 000 t/(km2·a)以下;同样在我国南部省份，虽有暴雨但植被好土壤结构密实，其输沙量模数多在1 000 t/(km2·a)以下。另外流域地形坡面坡度植被等对流域径流汇流速度等影响较大，相应对坡面的侵蚀量也随之加大，也是河流泥沙产生及形成的一个重要特性。总之河流泥沙产生的机理可归结为三个环节物理运动形成，即地表土壤经过外力或降雨而运行进入沟道、湖泊或河流再随水流运动经过淤积或冲刷随河水运行的过程就行成河流泥沙。影响河流含沙量的主要因素归结为三点即流域植被条件差、工程建设人为造成流域水土流失、暴雨灾害及自然地质滑坡泥石流地震等灾害原因。

2.2 泥沙研究的特性

河流泥沙特性主要包括河流含沙量(一般实测)、泥沙粒径、泥沙重力特性包括密度(干)、泥沙的沉速仍采用张瑞瑾公式计算涉及絮凝对沉速的影响［1］(F=KDn)。推移质理论，包括推移质泥沙起动流速、推移质沙漠夫、梅叶 －彼得、爱因斯坦计算公式。布瓦德(M.Bouvard)推移质与引水防沙工程论［1］，提出取水建筑物及泥沙理论设施可以根据推移质临界流量与设计流量之比判断河床泥沙冲刷与否。另外采用设计流量与天然河道流量之比判断判断泥沙是否推移或沉积。悬移质理论，包括悬移质含沙量、悬移质输沙能力、韩其为水体分割模式(即韩其为水体挟沙假说)［4］、梁志勇模式、悬移质的垂向分布施米特(W.Schmidt)、布恩(E.W.Lano)和卡林斯基(A.A.Kalinske)、罗斯(H.Rouse)计算式在悬移质垂直分布中得到广泛应用［6］。以及悬移的横向分布理论即垂线平均含沙量横向分布比较均匀，而且泥沙颗粒越细，沉速越小，水流速度越大，横向分布越加均匀。泥沙专家范家骅［7］教授通过大量的理论研究及工程试验总结提出了河流泥沙异重流基本方程、异重流潜入现象和潜入点判断、交界面水量掺混临界流速与掺混(卷吸)系数、异重流孔口出流、异重流前锋、斜坡上的急流异重流、垂向含沙浮射流运动、非连续浑水异重流的实验研究(1浑水异重流槽宽突变时的局部掺混、2内部水跃)、非恒定异重流实验与计算、异重流的冲刷、异重流对工程的影响等。

工程泥沙中主要有钱宁的水库淤积、范家骅的泥沙工程等专家研究提出的泥沙淤积及防治理论。水库泥沙淤积中首先研究了水库的不平衡输沙现象(含沙量沿程变化、冲淤过程中悬移质级配的分选、床沙级配)、非均匀沙一维不平衡输沙(非均匀沙级配变化特征)。水库壅水明流排沙、异重流排沙、敞泄排沙、溯源冲刷框算法、异重流排沙;水库淤积型态研究，包括三角洲淤积、椎体淤积、带状淤积等;水库库尾淤积特性包括推移质淤积、变动回水区得冲淤、淤积后回水抬高及淤积与回水的上延翘尾巴估算原理;水库冲淤平衡理论即:淤积到达坝前主槽累计淤积量的变化已经不明显，但床沙仍较细，冲淤变幅仍较大;主槽纵剖面已达到悬移质输沙平衡河势已较稳定，床面一定厚度内原悬移质淤积物已粗化完毕，有细颗粒推移质出库;进库推移质已能全部出库，推移质输沙平衡，河床进一步粗化，糙率有所加大，纵坡降也有明显加大横坡降接近平衡。依次形成水库淤积的四个阶段:淤积阶段、悬移质淤积初步平衡阶段、悬移质输沙平衡阶段、推移质输沙平衡阶段(通常高水头取水取悬移质输沙平衡、低水头引水枢纽取推移质输沙平衡);水库淤积量计算理论(类似水库实际淤积测量比拟法、淤积理论计算法“目前最有效的方法”、模型试验法“韩其为等人研制的水库淤积与河床演变数学模型”);水库淤积控制包括淤积量控制、淤积“翘尾巴”控制、变动回水区冲淤及航深控制、坝前泥沙控制、以及下游河床演变影响控制等［8］。

3 泥沙治理与工程排沙措施方法

3.1 减少河流输沙措施方法

结合文章前述分析多泥沙河流泥沙产生的机理，降低河流输沙措施可以从减源及科学布设排冲沙枢纽工程考虑。减源即从源头追溯减少因人为工程建设造成的水土流失、提倡退耕还林、加强流域水土保持治理，增加黄土高原地区淤地坝建设等措施。

开展工程排沙冲刷治理研究，是降低河流输沙能力重要工程措施。其中闻名中外的都江堰引水灌溉工程堪称世界水利史上的奇迹，内蒙古河套灌区在未建三盛公枢纽等均合理的解决了引水和防沙的矛盾问题。在现代引水枢纽中充分考虑低坝沉沙冲沙槽、闸坝式冲沙闸与闸前沉沙冲沙槽定期冲沙引水以及枢纽排沙底洞、排沙廊道、环流冲沙槽、涡管排沙、环流排沙漏斗、沉沙池等辅助排沙工程措施是缓解现代水利工程建设多泥沙河流危害的重要措施。多泥沙河流修建水利工程时工程布设应选择利用天然河湾引水口布设凹岸排沙布设凸岸且河势河床较为稳定河段，引水口应尽可能避免推移质泥沙补给区合理的修建防沙、排沙闸槛等。

3.2 多沙河流典型工程治沙排沙经验

陕西省渭河流域防洪治理中，经过多年对下游河道汛前汛后断面的测淤分析，总结得出“大水淤滩冲槽，小于冲岸淤槽”的宝贵理论，为解决该河道防洪问题积累了丰富经验［9］;陕西关中渭河渭惠渠沉沙冲沙槽式渠首工程，其进水闸与河水斜交，使水流平顺，减少扰动，提高冲沙效率，实践应用效果良好［1］;新疆伊犁碦什河引水枢纽工程，由于天然条件好，设计布置合理，因此实际运行情况十分良好，该工程采用两次分水口，第一个分洪口弯道处于正面引水的有利形势，可以排泄大量推移质泥沙，第二个引水闸处于正面引水的有利条件，基本不进入推移质泥沙，闸前悬移质由冲沙闸排走［10］;映秀湾水电站闸坝引水工程，引水口置于弯道顶点附近的凹岸处，引水底板高程 935.5 m，高出河床 0.5 m，前缘长58 m，设有胸墙，水从四个底孔进入引水口，孔顶高程939.5 m，在距胸墙前5.0 m处，沿前缘设置一道丁顺导沙坎，其上段高程937.5 m下端939.0 m，同时在一号闸墩上游延伸设置一道束水墙，墙顶高程942.5 m，在胸墙与束水墙之间形成一条过水通道，期间包括导沙坎，由于导沙坎的环流效果，经对运行多年观测和分析认为其设计较为合理［11］。

三门峡水库的改建及调水调沙运行成功解决了水库本身的泥沙问题和渭河下游潼关高程抬升控制的趋势，在水库泥沙研究处理方面积累了大量论理及实践经验，它为我国提出在世界盛名的、长期使用水库提供正反两面泥沙研究的经验和典型实例。20世纪50年代，水库淤积是不可避免的，仍是水利界普遍的看法。1962年我国北方一些水库开始摸索通过水库运行减缓水库淤积，并取得了一定成效，为水库长期使用提供了支持。如陕西泾阳县黑松林水库将原“拦洪蓄水”运用改为“空库迎洪”收到了明显效果，内蒙古红领巾水库“拦洪蓄水”改为“缓洪蓄水”改变了继续淤积状态。“平衡坡降和水库长期使用库容的理论在中国已经发展为一种成熟技术，三峡工程处理泥沙的策略就是建立在这个基础上的［12］。

4 结语

1)充分认识多泥沙河流对促进人类社会发展河流防洪治理带来的重要危害，避免降低由于人类活动影响形成的多泥沙河流洪涝灾害加剧趋势;加大多少泥沙河流区水土保持治理力度，降低上游河流输沙量，减少泥沙对河流环境造成的不利影响;积极研究探索河流泥沙运动力学机理，重视科学理论研究与实践工程治理措施相结合，通过工程措施及科学合理的工程管理调度运行，最大限度的发挥多沙河流水利骨干工程的拦沙减灾效益，实现人水和谐相处、水沙强弱有秩输送，是人类社会攻关泥沙治理研究减少水沙灾害的终极目标。

2)研究采用高科技雷达声光电新技术观测重大多泥沙河流、库坝群、蓄滞洪区等泥沙形成的量子，为开展工程区泥沙治理研究提供数据是展开泥沙治理的重要依据。积极开展研究排沙底洞之后的专用沉沙区水利枢纽结构研究并付诸工程实践，有效降低多泥沙河流的河床淤积减少河道下游采砂费用提高泥沙利用率，形成良性的泥沙淤清治理措施。

［1］梁志勇.徐永年等.引水防沙与河床演变［M］.北京:中国建材工业出版社.2001.1.

［2］王光谦.李铁健.流域泥沙动力学模型［M］.北京:中国水利水电出版社.2008.12.

［3］钱宁.万兆惠.泥沙运动力学.科学出版社.1983.

［4］韩其为.黄煜龄.水库冲淤过程的计算方法及电子计算机得应用.长江水利水电科研成果选编.1974.1.45 －48.

［5］刘宁副部长在《中国河流泥沙公报》发布10周年座谈会暨中国泥沙问题学术研讨会上的讲话.

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

［7］范家骅.异重流与泥沙工程试验与设计.中国水利水电出版社.211.12.

［8］钱宁等.泥沙手册［M］.北京:中国水利水电出版社.1976.

［9］余光夏.论泾河东庄水库漏暨泥沙［M］.西安.2011.2.

［10］李承琪.新疆伊犁碦什湾河道引水排沙枢纽工程技术总结.新疆自治区水利厅.1982.8.

［11］王静远.映秀湾水电站工程泥沙初步总结.水利电力部成都勘测设计院.1982.4.

［12］韩其为.黄河泥沙若干理论问题研究.黄河水利出版社.2010.12:135—136.

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1004－1184(2012)05－0178－03

2012－05－21

季万才(1978－)，男，陕西大荔人，工程师，主要从事水利工程建设与管理。