长江科学院河流水沙数学模型研究进展与展望

自20世纪50年代末,长江科学院开始研发河流水沙数学模型,至今已有60多年不间断研发与应用历史,形成了“河流（HELIU）”系列软件。综述了长江科学院水库泥沙、河流一维、二维、（准）三维等水沙模型及其它水沙数学模型实例（包括河流水沙估算模型、河流水沙专题数模研究、引进吸收的河流水沙数学模型）,以及水沙数值模拟关键技术的研究进展。分析展望了河流水沙数学模型今后研发工作的 4 方面任务：构建模型体系、完善现有模型、拓展模型领域和研究关键技术。     

长江科学院河流专业研究进展综述——以《长江科学院院报》30年来发表的论文为例

以长江科学院河流研究所20世纪80年代以来发表在《长江科学院院报》上的论文为基础,概述了近30 a来紧密结合长江流域综合规划、重大水利工程建设、长江河道治理方略等方面开展的有关长江河流泥沙、河道治理及河流模拟研究的主要工作成果。可见,30 a来长江科学院河流研究所在长江泥沙运动基本规律、河流动力学的学科交叉发展、河流物理模型基础理论、河流数学模型基本方法以及典型河段治理工程经验等方面的研究取得了长足进展,为长江河道治理、重大水利工程建设提供了大量的科学依据。并认为在未来一段时间,还需更进一步探索长江流域宏观泥沙问题、深入研究长江流域细观泥沙问题、突出长江河道与湖泊的综合治理等,才能更好地服务于更大范围和更高目标的治江事业。     

河流泥沙研究进展

泥沙研究主要是认识水流中的泥沙运动规律、河床演变规律,进而解决水利工程中的泥沙问题。泥沙学科体系始建于20世纪,侧重河流泥沙研究。河流泥沙运动力学基本理论包括：泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等。在长期的治河实践中,我国的泥沙科学发展迅速,主要进展包括：泥沙运动力学基本理论,高含沙水流的运动机理与理论,河流模拟的理论与技术,水库泥沙的对策与管理,河道演变规律的认识及治河工程技术等。本文对河流泥沙研究的主要进展进行简要综述。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ：原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。     

南汀河流域水沙特性分析及其治理对策

对南汀河流域的径流泥沙来源、水沙特性、水沙变化趋势等作了较为深入地分析和研究.对姑老河站以上水沙变化对孟定坝淤积影响进行了综合分析.利用大文站的泥沙资料,分析了水土保持措施对临沧坝段减沙减淤作用.据此提出南汀河流域近期治理方案是:中上游小流域以小型拦沙坝建设为切入点;积极推进退耕还林恢复植被建设;对风化花岗岩地区实行大面积封禁治理.流域近期至2020年,水土保持治理的重点建议放在南汀河源头丁⑽大文至姑老河段,防洪工程建设重点放在临沧坝及孟定坝段.     

长江南源当曲源头水沙特性初步分析

长江南源当曲源头为高原沼泽,通行不便。在长江三源之中历来少有人涉足,其基本情况及其对江源水系的作用亦少为外界所知,河流演变及水沙运动特性的研究甚少。为了对长江南源当曲源头的河道、水流、泥沙等基本特性及当曲源头典型地貌特征进行了解,长江科学院继2014年后于2015年再次组织了科学考察。通过考察对当曲源头水沙特性进行了初步分析,分析成果为高原河流演变及河岸带生态系统提供了基础资料,同时对其它河流治理及河流生态保护与修复具有参考价值。     

我国泥沙研究进展与发展趋向

以在第九届全国泥沙基本理论研究学术讨论会上的大会发言为基础,回顾了全国泥沙基本理论研究系列学术会议关注的热点问题,介绍了近年来泥沙专业委员会对促进泥沙研究开展的主要工作;扼要评述了我国泥沙基本理论研究的重要进展及解决重大工程问题的实践;提出了今后泥沙研究的发展趋向及应该关注的若干重大问题,主要包括:江河水沙变化与治理方略、江河水沙调控与水库群联合调度、河流物质通量研究等。为推动河流泥沙与流域泥沙研究的紧密结合、泥沙基础理论与工程泥沙问题紧密结合,泥沙学科与其它学科的交叉提供科技支撑。     

五华河流域水土保持与河流泥沙变化分析

土壤被侵蚀后，经暴雨径流的搬运进入河流，导致水土流失并形成河流泥沙；河流泥沙的变化，与流域内的水土保持状况有着密切的联系。通过分析五华河流域的降雨、径流、泥沙等水沙对应关系，重点分析该流域内水土流失治理工作前后的水沙变化情况及变化规律，建立流域年径流产沙关系，分析流域的水土保持减沙效益。     

掌握水沙规律、不断解决矛盾、改造黄河

历代治河方略,都是立足于延长当时河道的行水时间,谨防改道。现代治河也应如是。改善黄河当前的严重局面,应当坚持不懈地搞好水土保持,减少泥沙入河;修建小浪底等水库和其他防洪减淤措施,提高黄河下游的防洪标准,减缓河道的淤积抬高;加紧研究水沙演变规律和发展趋势,不断完善减沙、减淤措施,以增强河道输沙能力,逐步把黄河下游改造成为相对地下河。我们应该有把黄河治理好的雄心壮志。     

黄河近期主要科技进展与需求

凝练了近期黄河水利科技的主要进展:①防洪减灾方面,主要包括基于卫星的黄河流域水监测和河流预报系统、游荡型河道整治理论与技术、水下根石探测技术、移动式不抢险潜坝技术、堤防安全与病害防治技术、宁蒙河段冰凌观测技术等;②水沙调控方面,主要包括调水调沙理论与实践、小浪底水库拦沙后期运行方式、水沙调控体系联合调控技术等;③水资源管理与调度方面,主要包括黄河水资源统一管理与调度、水权转换理论与实践等;④水资源保护方面,主要包括黄河流域生态保护目标及生态需水、高含沙环境下水污染物迁移转化过程及预报技术等;⑤水土保持方面,主要包括黄河中游多沙粗沙区域界定及产输规律、黄河多沙粗沙区分布式土壤流失评价预测模拟技术、水保措施作用机理及其优化配置等。同时,在黄河健康生命指标体系、数学模拟系统建设、实体模型理论与技术等方面取得了突破性进展。剖析了未来一个时期黄河治理开发、保护与管理面临的新问题,提出了黄河健康生命维持和流域经济社会可持续协调发展的科技需求,主要包括:①黄河水沙情势变化过程及趋势预测;②流域水沙调控理论与技术;③支撑最严格的水资源管理技术;④黄河泥沙处理与资源利用技术;⑤黄河下游河道改造与滩区治理;⑥黄土高原治理关键技术;⑦古贤水利枢纽和南水北调西线重大技术;⑧河流自然过程-生态环境过程-经济社会过程耦合的黄河数学模拟系统建设等工作。     

2016洪水+长江中下游防洪与治河问题再探

基于2016—2019年长江防汛与河道查勘新实践、长江中下游洪水与河势的新变化与新形势,以及以往研究基础与成果,总结提出了2016洪水⁺长江中下游防洪与治河10大新问题,即流域水沙变化、河流情势变化、水文节律改变、河道洲滩演变、干流槽蓄变化、江湖关系影响、水位流量关系、防洪布局调整、河湖治理技术,以及河流管护研究。采用“原因Ⅰ-响应Ⅱ-影响Ⅲ-对策Ⅳ”4级体系,对10大新问题进行了体系分类、关系构建、课题分解与研究探讨,构建了“之字形层次驱动”和“田字形关联影响”2组关系。研究增进了三峡工程对长江中下游洪水与河势影响的辨识,强化了对变化条件下长江中下游防洪与治河问题的“层次化”与“系统化”梳理。     

长江中下游河道崩岸整治及河势控制对策

长江中下游干流河道主长1 893 km，由于河道冲淤变化、堤防长年失修、以及上游建库拦沙作用等影响，导致河势变化复杂、局部河段崩岸严重、航道淤积阻塞等问题，对中下游防洪与航道安全以及沿岸经济社会发展造成严重的不利影响。1998年大洪水过后，由国家投资完成了以堤防加固为主的护岸工程建设，但由于规划中的后续综合整治工程尚未实施，不利于中下游河道综合治理工程总体效益的发挥。同时，受三峡等上游水库拦沙造成的清水下泄引起的河道冲刷与江湖水沙变化关系的影响，亟待加快后续规划项目的实施，通过加强工程措施与非工程措施，确保长江中下游河势稳定、防洪与航运安全，以及沿江地区经济社会的可持续发展。     

黄河下游斜河现象成因及研究进展

在回顾黄河下游斜河研究进展的基础上,对斜河产生的原因及斜河研究中应注意的问题进行了分析,结果表明:黄河下游河床边界土质松散、二级悬河的存在、洪水骤变、整治工程与来水来沙不匹配是斜河产生的主要原因;当前应着重对斜河多发河段水沙输移特性、斜河现象与水沙条件变异之间的链式响应机理及斜河数值模拟进行研究。     

河道调整研究现状及其对黄河下游游荡型河道调整的启示

系统梳理了河道调整研究现状,全面论述了与冲积河流调整相关的河相关系、不同边界下河道调整过程、冲积河流线性理论的研究现状及发展动态.新形势下黄河下游游荡型河道调整应重点研究水沙变化与有限控制边界对河道调整的耦合效应、河道断面自调整数理分析中断面形态假定、有限控制边界条件下游荡型河流主槽摆动幅度和频率等问题,这不仅有助于加...     

下荆江监利河段近期河道演变与综合整治初探

 介绍了监利分汊弯道的情况,通过分析监利河段近百年历史演变规律和近期深泓、洲滩、汊道分流比和上游来水来沙等变化特点,论述了下荆江典型蜿蜒河道将被改造成限制性蜿蜒河道以及监利河道主流稳定在右汊(南汊)的现有条件。认为1998年批准的《长江中下游干流河道治理规划报告》提出的“监利弯道保持主流走左汊的分汊河段”的规划思想与目前的河势演变趋势冲突,并明确提出监利河段河势演变的趋势为主泓将较长时间稳定在右汊。提出监利河段的防洪规划、岸线利用和城区发展等综合整治初步设想,可较好地解决监利的水运交通和城区防洪等问题,为荆江河道的中远期综合治理奠定基础。     

长江河流研究进展

对1950年以来长江河流研究工作的进展作了简要综述。内容包括:长江流域来沙特性、长江中下游河道演变特点、河道整治的主要经验以及相应的研究成果。指出:长江上游干流悬移质泥沙主要来源于金沙江和嘉陵江,以宜昌站为代表,分别占50.9%和24.0%;长江中下游河道演变受自然因素和人为因素的双重影响,且人为因素日益增强;加强河道演变观测分析,掌握河道演变规律,是实施河道整治工程的基础工作和必要条件;河道整治工程的规划、设计必须与河道演变观测、河工模型试验和数学模型计算相结合。     

黄河泥沙研究重大科技进展及趋势

从黄河水沙情势变化、黄河水沙运动基础理论、黄河水沙调控理论与技术、河床演变与河道整治,以及黄河下游河道滩槽协同治理、泥沙综合处理与利用方略等方面,概要地介绍了黄河泥沙研究的重大科技进展,展望了黄河泥沙研究的发展趋势,提出了未来一段时期在“黄河流域生态保护和高质量发展”重大国家战略指引下应关注的重大科学问题。     

三峡工程蓄水运用后荆江三口分流河道冲淤变化模拟

三峡工程蓄水运用后下泄水流含沙量大为减小,下游荆江与三口分流河道将长期处于冲刷状态,对江湖关系演变和防洪影响重大。本文利用可视化一维河网水流泥沙数学模型,对三峡工程蓄水运用后荆江三口河道冲淤变化进行了模拟,对三口河道分水分沙量及冲淤变化过程进行了分析。结果表明,在典型水文系列及运用条件下,三峡水库运用后前6年藕池河及松滋河均发生冲刷。之后藕池河有所回淤,松滋河继续冲刷,至三峡水库运用40年左右冲刷达至最大。研究成果对荆江与洞庭湖区防洪决策和水资源研究等有参考意义。     

长江宜昌至汉口河段输沙特性分析

通过对长江宜昌至汉口干支流水文站50年水文资料的分析发现，长江干流年水量变化不大，而年沙量变化很大，造成沙量增减变化的主要原因是荆江三口(藕池口，松枝口，太平口)分洪分沙、量的逐年减少、干流来沙及汉江丹江口水库蓄水运用引起的。本文还从沙量平衡法和断面法分析了宜昌至汉口河段的泥沙冲淤和输沙特性，发现城陵矶至汉口河段长期处于淤积状态，是上下游河段挟沙力平衡的一个调节河段。并预测三峡水库蓄水后下游年沙量将进一步减少。