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1前言

河海大學的河流泥沙運動力學屬于江蘇省重點學科，擁有一大批具有中高級技術職稱的專門人才，建有大型試驗廳4座，玻璃水槽20余條，可以觀測記錄水位、流速流向、含沙量、顆粒級配、淤積地形以及具有先進的多邊界潮汐非恒定流數據采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)和ADV三維流速測量系統(tǒng)。多年來，研究領域不斷擴大，對水庫、河道、流域、水利樞紐、工礦企業(yè)、河口海岸等方面的泥沙問題進行了較為深入的研究，形成了自己的特色，先后承擔了“七五”、“八五”國家攻關及自然科學基金等項目，取得了一批成果，獲得各類科技進步獎十余項，培養(yǎng)碩士、博士研究生30多名。

隨著河海大學首批進入“211工程”，給本學科的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。自1996年以來，學校逐步投入200多萬元進行學科和實驗室建設，至2000年，將建成一批較先進的實驗設備，為本學科的進一步發(fā)展創(chuàng)造條件。

2.1降雨特性及雨蝕模擬

通過分析雨滴降落過程中的力學規(guī)律，從理論上導出了雨滴降落在任一高度時的速度計算公式，進而導出了雨滴的終速公式。該公式由陳國祥、姚文藝研究完成，提出了雨滴變形的概念，用于描述直徑大于0.3mm的雨滴在降落過程中形狀因子對落速的影響。得到的終速公式與國內外同類公式比較，具有較強的理論基礎，形式簡單，與實測資料吻合好，計算精度高。可用于計算雨滴終速，確定雨滴動能和設計人工模擬降雨裝置。

湯立群在分析雨滴濺蝕規(guī)律的基礎上，運用牛頓第二運動定律推導出雨滴對土粒的撞擊力表達式和雨滴濺蝕量計算公式。該研究與以往成果相比，具有力學概念清楚，理論性強，又能反映影響雨蝕主要影響因素等特點，可用來計算天然降雨的濺蝕量。

因“211工程”建設，目前正在改造大型人工降雨水槽試驗裝置，使其成為能夠模擬降雨濺蝕、坡面徑流侵蝕和重力侵蝕的室內人工降雨裝置，并開展這方面的研究。

2.2坡面流水力學

陳國祥等通過理論分析和室內人工降雨水槽試驗，研究了坡面淺層均勻流和降雨產生的沿程變量流的流態(tài)和阻力規(guī)律，研究表明，坡面淺層流與通常的明渠流不同，降雨、坡度及床面糙度對水流阻力都有一定影響。降雨條件下的沿程變量流不存在通常意義的層流，而是“偽層流”。坡面淺層水流無論是均勻流還是沿程變量流的“層流”，其臨界雷諾數均比天然河道水流的大。

在室內人工降雨水槽試驗基礎上，得到了降雨作用下坡面流的Darcy-Weisbach阻力系數關系式，成果具有坡度大，糙度高和雨強大等特點，公式的適用范圍更廣；李杰友等采用一維淺水波方程描述坡面流運動，并用運動波近似，通過四點隱式差分求其數值解，較好地解決了坡面流的模擬問題。

2.3流域侵蝕產沙模型

湯立群、陳國祥運用泥沙運動力學基本理論與方法，結合地理學、地貌學、土力學及水文學等學科知識，建立了具有物理過程基礎的小流域產流產沙數學模型。該模型可模擬流域上任意時空分布的水流泥沙過程，為小流域開展綜合治理規(guī)劃提供科學的決策依據；針對黃河中游復雜的地形地貌條件和徑流泥沙過程，通過力學分析和數學推導，建立了適用于大中流域長系列徑流泥沙模擬的物理概念模型，突破了物理概念模型難以在大中流域上應用的難點。該模型在“八五”攻關研究中被用來模擬大理河流域長系列的產流產沙過程，在水保效益計算的基礎上，進行了水沙變化原因分析。

另外，包為民提出了簡單的概念性坡面匯沙、溝道匯沙模式，與坡面、溝道產沙公式一起構成了流域產匯流、產輸沙的耦合模擬物理概念模型。該模型已在黃河中游地區(qū)十多個流域上得到應用。

2.4水土保持減水減沙計算方法研究

傳統(tǒng)的水保效益計算方法有水文法和水保法兩種，在指導我國水土保持規(guī)劃與效益評價中發(fā)揮了重要的作用，但也存在不足。在“八五”攻關項目的研究中，我校湯立群等建立并提出了用模型法計算水土保持減水減沙效益，分析水沙變化之原因，取得了良好的效果。

但模型法屬于總量評價，不能區(qū)分各項水保措施的減水減沙效益。今后的研究是如何應用模型法對水保效益進行分離評估，以便切實有效地指導小流域綜合治理的規(guī)劃設計。

3泥沙基本理論研究

3.1推移質對流速分布和阻力的影響研究

陳國祥在國家教委博士點基金的資助下，開展了推移質對流速分布和阻力的影響試驗研究。研究表明：動床輸送推移質水流的流速分布受床面粗糙程度、床沙中孔隙流、推移質運動及推移質運動后床面邊界條件變化的綜合影響。推移質的存在使水流流速分布在整個水深范圍內卡門常數減小，水流底部流速偏小于對數規(guī)律；而床沙中孔隙流及推移質運動后床面邊界條件的變化則使底部流速偏大于對數規(guī)律。通過試驗和一定理論推導，提出了可反映推移質運動影響的定床輸沙水流、動床輸沙水流的流速分布和阻力公式。

3.2明渠紊流結構及其對泥沙輸運的作用研究

卞華等在水利水電基金的資助下，分別采用不同單元斷面如方形、半圓柱形和三角形的人工加糙，對明渠二維加糙水流的阻力特性進行了系統(tǒng)的試驗研究，得到隨著加糙間距的增大阻力增大，至λ/Ks=8時，阻力達最大值，其后，隨λ/Ks的增大而減小，并總結出水流阻力因子的表達式。

毛野等在國家自然科學基金的資助下，開展了明渠紊流擬序結構對泥沙輸運的作用研究，該課題尚屬泥沙研究的前沿，以試驗研究為主，將定床和動床相結合，采用圖象顯示技術與計算機圖象處理技術相結合的全流場測試系統(tǒng)，研究床面形態(tài)不同時紊流擬序結構的特點和對泥沙輸運的作用，成果具有重要意義。

4泥沙數學模擬

我校泥沙數學模型包括一維、二維和三維，研究對象主要有河流、航道、水庫、港口、碼頭、河口海岸等，求解方法主要有有限差分法、有限元法、有限分析法等，其中有限差分解法有ADI法、控制體積法、破開算子法等幾種。

一維泥沙數學模型用來解決長河段長時段的泥沙運動和河床演變問題，應用比較廣泛，也比較成熟，可以取代實體模型試驗，大大節(jié)省人力物力。湯立群、陳界仁運用一維模型對白沙水庫泥沙淤積和取水方案進行了計算，在長河段的贛江航道整治工程一維計算中，也發(fā)揮了較好的作用。

二維泥沙數學模型發(fā)展迅速，在生產上得到了廣泛應用，能較好地模擬水流結構和泥沙運動在平面上的分布規(guī)律，經常與實體模型耦合運用，相互印證，相互提供邊界，在某些場合下，部分地取代了實體模型，取得了極大的經濟效益，也促進了泥沙基本理論的研究。比如，湯立群、金忠青等用擬合坐標生成了正交曲線網格，運用“露灘凍結”技術解決動邊界問題，考慮了床沙級配的分層記憶和床沙質與沖瀉質的劃分，通過分組解決非均勻沙的挾沙能力表達式，在水流輸運及分組含沙量輸運方程的離散過程中，采用守衡性較好的控制體積法和SIMPLEC計算程式，建立了k-ε雙方程紊流泥沙數學模型，較好地模擬了內河恒定流和潮汐河口非恒定流過程以及河床的沖淤變化，特別在航道整治工程方案優(yōu)化計算中取得良好效果。張長寬、張東生等基于長期波浪序列的沙質海岸，建立了河床演變數學模型，對海區(qū)波浪、潮流和海岸演變進行了模擬計算。

三維泥沙數模中，要以水流數值模擬研究為多，成果也相對成熟些，同時，三維泥沙數值模擬也取得了初步成果。比如，劉子龍、王船海等利用破開算子法對長江口三維水流過程進行了有效的模擬。嚴愷、周華君對長江口渾濁帶特性進行了研究，在此基礎上，建立了三維擬合坐標下的水流泥沙數學模型。陳國祥、陳界仁對國內外三維泥沙數模研究進行了分析比較和綜述，提出三維泥沙數模研究的必要性和迫切性。

5河工模型試驗研究

5.1水利樞紐泥沙

我校70年代以來，一直堅持本課題的理論分析和試驗研究，近十年的研究主要包括：庫區(qū)淤積對防洪、發(fā)電和航運的影響；壩前淤積與樞紐布置的關系；引航道和取水口淤積及防淤措施；壩下游河道沖刷演變及對航道的影響；水工樞紐如引水樞紐、地涵泥沙問題等，代表性的課題有“新疆烏魯瓦提水庫泥沙模型試驗研究”、“廢黃河地涵整體泥沙模型試驗”等近十項。

5.2河道泥沙

主要針對河道治理、河床演變、港口航道、河口泥沙、碼頭抗沖防淤措施等方面的工作進行研究。在航道整治中，多年來結合生產需要對丁、順壩等整治建筑物作用下的水力學問題進行了系統(tǒng)試驗研究，包括實體丁壩及網壩的不同壩長、壩高、壩間距、壩與水流交角等情況下的水面形態(tài)和平面流場的研究，取得的成果為我國東南各省的水利工程及航道整治作出了貢獻，受到工程單位的好評，代表性的課題有“珠江蓮沙容水道八塘尾航道整治模型試檢研究”，“贛江南昌河段航道整治動床模型試驗研究”，“閩江圍墾航道整治”等十余項。

5.3工業(yè)取排水口泥沙防治

近10年來，我校與華東、西北等多家電力設計院合作，通過現場調查與模型試驗相結合等方法，提出了一種新的曲線河床式取水口，充分利用山區(qū)河流上常見的卡口、磯頭附近的深潭河段，準確地確定取水口位置。與此同時，對下游河口段也進行了較全面的研究，提出掌握主流變化規(guī)律，根據河勢避開暗沙運動范圍，利用深水區(qū)，配合合理的進出水口平面布置等措施取得成功。由于在河口、海灣等取水口的選址和防沙問題上積累了比較豐富的經驗，從而能在大亞灣核電站取水口研究中作出重大貢獻，獲國家科技進步一等獎。如“上海石洞口電廠排水口動床物模研究”，“漳平電廠擴建工程取水口局部動床模型試驗研究”和“黃埔電廠浪沙回淤試驗研究”等。

6量測技術及測控系統(tǒng)研究

近10年來，我校不僅在泥沙基礎理論及生產問題的研究中取得了一定成績，同時通過多年泥沙研究工作的實踐，還開發(fā)研制成功諸多用于泥沙研究的儀器設備，如：NSY-1型光電顆分儀；NSY-2型寬域粒度分析儀；光電反射式地形儀；自動往復推移質加沙機；大型實體模型試驗計算機全流場圖象測速分析系統(tǒng)；多邊界潮汐非恒定流數據自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)。這些儀器及系統(tǒng)的研制為研究課題成果質量提供了保證，部分儀器設備處于國內領先水平。

6.1光電反射式地形儀

針對已有地形儀(光電對射式、電阻式、超聲波式、測針或鋼尺)會破壞測點地形，產生的誤差大等問題，唐洪武、李瑾等研制出光電反射式地形儀，該儀器在測量過程中探頭不必插入泥沙界面，也能對1mm厚度以下的淤積層進行測量，光電反射式傳感器自身理論控制精度可達0.01mm，不受外界光的干擾，還可進一步推廣應用于測壓管水位的測量，尤其在微壓變化情況下使用，更顯其優(yōu)越性。

6.2大型實體模型計算機全流場圖象測速分析系統(tǒng)

近10年來，先后開發(fā)出CCD氫泡低流速測量系統(tǒng)、粒子圖象測量系統(tǒng)和用于大型實體模型研究的圖象測速分析系統(tǒng)。CCD氫泡低流速測量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的氫泡測量的基礎上，引入CCD面陣攝象技術，通過計算機進行氫泡圖象自動采集、處理與分析，做到準實時，減少了人工工作量；粒子圖象測量系統(tǒng)的特點是操作方便，設備成本低，約為國外進口設備的1/10，工作環(huán)境要求不高，獨創(chuàng)之處是將微光象增強技術和聲光調制技術引用至該系統(tǒng)，使該系統(tǒng)實現在低功率連續(xù)激光照明條件下，滿足高清晰度、測速變化范圍大的要求，已用于多項國家基金、縱向、橫向科研課題中，取得明顯的社會經濟效益；工程實體模型圖象測速分析系統(tǒng)，則是針對工程模型的特點，特別是渾水泥沙模型中流速場的測量困難而提出的，其特點是可實現記錄整個模型現場，不需要錄象機參與就可以實現多幅畫面的拼接，流速測量精度高(5‰級)，系統(tǒng)的分析軟件功能強。代表性成果有唐洪武等完成的“數字圖象技術在雙射流混合流場中的應用”和“數字圖象測速技術及在進水口漩渦流場中的應用研究”等。

6.3多邊界潮汐非恒定流數據自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)

多年來通過河工模型工作實踐，在學校“211工程”建設資助下，徐夕榮，周汝盛等完成了多邊界潮汐非恒定流數據自動采集、控制、監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用PID原理自動調節(jié)尾門，能準確模擬各邊界的水位和流量過程，同時檢測64個測量流速，32個測站水位和32路模擬量輸入(如含沙量等)。各測量數據可隨時從計算機顯示器上觀看，并打印輸出。為配合自動控制系統(tǒng)的運行，還在該系統(tǒng)上配上監(jiān)視系統(tǒng)，工作人員可在與模型現場隔離的控制室內對模型的運行過程進行監(jiān)視、錄象，遇有緊急情況還可隨時通過話筒通知模型現場工作人員，因此該系統(tǒng)的成功應用，不僅提高模型試驗成果的質量，還節(jié)省了大量人力和物力。

6.4河流泥沙顆分儀

盧永生等自1977年開始研究河流泥沙顆分儀，先后研制出(1)GDY-1型光電顆分儀；(2)NSY-1型光電顆分儀；(3)NSY-2型寬域粒度分析儀。三種儀器共推廣約150臺。NSY-2型寬域粒度分析儀于1990年通過水利部鑒定，創(chuàng)新之處在于：(1)使用長管渾勻沉降原理進行顆粒分選，使儀器和傳統(tǒng)的水沉法具有可比性；(3)用IBM計算機完成采樣、繪圖任務，實現量測自動化。

7水流泥沙運動的多媒體動態(tài)演示

水流泥沙運動和河床演變過程貫穿于一個動字，特別適合于用多媒體進行動態(tài)和過程的描述。但如何把水流泥沙模擬過程中大量枯燥的數據、圖表以生動、活潑、直觀、友好的方式表現出來，并不是一件易事，這是泥沙研究工作者為之努力的方向之一。

7.1水流泥沙運動過程動態(tài)演示系統(tǒng)

該系統(tǒng)就是把水流泥沙運動狀況或河床邊界的變化過程，在計算機屏幕上逼真地表現出來。近年來，我校在這方面進行了嘗試。紀元、張東生研制完成了南中國海潮波傳播的動態(tài)變化，污染物質擴散過程的動態(tài)變化，熱污染溫度場的動態(tài)變化；金忠青、王玲玲等研制出三峽庫區(qū)三維地形俯視動態(tài)系統(tǒng)，湯立群、王加虎等完成了潮汐河口潮位動態(tài)變化和潮流仿真動態(tài)演示系統(tǒng)等。

7.2模擬結果的多媒體演示系統(tǒng)

該系統(tǒng)就是利用多媒體技術把數模結果以文字、圖片、圖象、音效、動畫及視頻等形式表現出來，通過觀看多媒體電影，可以直觀地了解研究區(qū)域的概況，水文氣象特性，水流泥沙特性和河床演變特性，可以了解數模的建立方法和基本問題的處理，直觀地表現模型的驗證結果及方案計算結果。自1998年以來，湯立群、楊濤等用Authorware等一批比較專業(yè)的多媒體編輯軟件開發(fā)了贛江(樟樹～南昌)河段航道整治數模結果多媒體演示系統(tǒng)。