第41卷第4期2010年2月
人 民 长 江
Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ
Ｖｏｌ.41,Ｎｏ.4
Ｆｅｂ.,2010
收稿日期:2010-01-05
作者简介:潘庆燊,男,长江委长江科学院原副总工程师,教授级高级工程师,国务院特殊津贴专家。
文章编号:1001-4179(2010)04-0087-04长江水利枢纽工程泥沙问题研究进展
潘庆
焱
木
(长江水利委员会长江科学院,湖北武汉430010)
摘要:对长江水利委员会成立以来有关长江干支流水利枢纽泥沙问题研究的主要成果作了简要综述。包括丹江口水利枢纽水库淤积和坝下游河道冲刷,葛洲坝水利枢纽河势规划与枢纽布置,三峡水利枢纽水库长期使用、枢纽布置和坝下游河道冲刷等方面的研究成果。关 键 词:水库淤积;枢纽布置;河道冲刷;水利枢纽工程中图法分类号:ＴＶ14 文献标志码:Ａ
20世纪50年代以来,为配合水利枢纽工程的规划设计,长江科学院和水文局开展了长江干支流水利枢纽工程泥沙问题研究,其中重点是汉江丹江口水利枢纽、长江葛洲坝和三峡水利枢纽的库区泥沙淤积、枢纽各项建筑物防沙和坝下游河道冲刷问题,采用水文与河道演变观测分析、河工模型试验和数学模型计算相结合的研究方法
[1]
。
1 丹江口水利枢纽泥沙问题研究
丹江口水库初期正常蓄水位为157ｍ,相应库容为174.5亿ｍ3
,设计低水位139ｍ,相应的库容为72.3亿ｍ3
,防洪限制水位为149～152.5ｍ。工程于1958年开工,1968年第1台机组发电,1973年初期工程建成。
丹江口水利枢纽规划设计阶段,泥沙研究方面主要进行水库淤积计算,预测水库淤积部位、淤积数量、淤积年限以及回水范围变化。1958年以来,系统观测收集了大量库区和坝下游水文与河道演变资料,并分阶段加以分析总结
[1-2]
。
1.1 水库淤积特点
1960～2003年,丹江口水库泥沙淤积总量为16.18亿ｍ3
,占总库容的9.4%,其中汉江库区淤积量为13.89亿ｍ3,占总淤积量的85.8%。
汉江干流库区平面形态特点是上、下段为狭谷段,中段为宽谷与狭谷相间。受库区形态及调度运用方式的影响,汉江干流库区全长177.4ｋｍ,1960～2003年共淤积泥沙11.89亿ｍ3
,库容损失21.7%,其淤积有3个特点:①库区两头淤积少、中间库容淤得多,中段长60.4ｋｍ,河谷宽阔,淤积6.52亿ｍ3
,库容损失43.5%;②水库汛期按防洪限制水位运用,干流库区有效库容损失相对较小,1960～2003年139～157ｍ水位之间的有效库容内淤积2.66亿ｍ3,库容损失9.5%;③变动回水区长60.3ｋｍ,位于狭谷段,1960～2003年仅淤积0.55亿ｍ3
,且无淤积上延现象
[3]
。
1.2 水库不平衡输沙研究
水库发生泥沙淤积和河床变形,大都是由于水流不平衡输沙所致。长江科学院在20世纪60年代后期开展了不平衡输沙问题研究,与丹江口水利枢纽水文实验站协作,在丹江口水库变动回水区油坊沟至神定河口长约25ｋｍ库段进行不平衡输沙测验,系统收集不平衡输沙资料。1972年长江科学院提出了不平衡输沙研究报告,阐明不平衡输沙理论可能解决的3个问题:含沙量的沿程变化;悬移质级配的沿程变化和床沙级配的变化。给出了相应的计算公式作为不平衡输沙计算的基本公式。将其与水流连续方程、水流挟沙力方程联用,组成水库不平衡输沙冲淤计算方程
人 民 长 江2010年
组
[4]
。1974年与武汉大学数学系协作编制了电子计
算机的计算程序[5]
。利用丹江口水库等实测资料对
该计算方法进行验算,结果较好。该计算程序已推广应用于葛洲坝、三峡等水利枢纽的水库淤积计算。
1.3 变动回水区河道演变
变动回水区河道演变主要表现为:分汊型河段向单一河槽河型转化;弯曲型河段的弯道平面形态趋向规顺,边滩淤高展宽和上下延伸,滩槽高差增大;顺直过渡段年内为汛淤枯冲,年际为累积性淤积,滩槽高差加大。
1.4 坝下游河道演变
丹江口水库下游丹江口至碾盘山河段属分汊型河段,碾盘山至河口属蜿蜒型河段。丹江口水库运用后河道演变有如下特点:
(1)水库蓄水运用后,下泄水流的含沙量减少,坝下游河道经历了长时期、长河段的冲刷过程。1972年坝下游河道冲刷长度已达464.7ｋｍ。
(2)坝下游河道冲刷过程中,枯、中水期同流量的水位较建库前有不同程度降低,洪水期则变化不大。
(3)坝下游河道冲刷过程中,河型基本不变,局部河段河势有较大调整。分汊型河段仍保持原有河型,个别汊道发生主支汊易位现象。蜿蜒型河段仍保持原来河型,弯道发生撇弯切滩,弯道之间的长顺直段深泓摆动。
2 葛洲坝水利枢纽坝区泥沙问题研究2.1 坝区河势规划与枢纽总体布置
河势是指河道演变过程中水流与河床的相对态
势,一般以河段内主流线与河岸线的相对位置来表示[6]
。坝区河势规划基于河道演变学的观点提出了修建枢纽后坝区河段的河势调整趋势及主流线的位置。对于具有泄洪、排沙和通航要求的水利枢纽,特别是低水头枢纽,坝区河势规划是确定枢纽总体布置的主要依据之一。
葛洲坝水利枢纽位于长江三峡南津关峡谷出口处江面突然加宽、河底急剧上升的急弯下游段。1971年长江流域规划办公室主任林一山提出在进行枢纽布置设计的同时,开展葛洲坝工程坝区河势规划研究,对坝区河段的河势采用“一体两翼”的规划布局,即在拦河建筑物上游2100ｍ宽的河面中,两岸利用防淤堤与河岸形成各300ｍ宽的引航道,中间是800ｍ宽的主
泓河床[7-8]
。
根据葛洲坝水利枢纽坝区河势规划确定的枢纽布置方案为:建坝后坝区上游河势主流线左移居中,枢纽的主体工程是面迎主流且作为主要泄洪建筑物的二江泄水闸,同时为了增大泄洪、排沙效益,减少泄水闸的单宽流量并有利于施工截流,将葛洲坝江心洲挖除,以扩大泄水闸宽度;二江电站和大江电站分别位于泄水闸的左侧和右侧;枢纽右侧的大江布置1号船闸,枢纽左侧的三江布置2号和3号船闸(图1)。
2.2 船闸引航道防淤清淤措施
为减少船闸引航道泥沙淤积和便于清淤,采取“静水通航、动水冲沙”的工程措施,分别在大江和三江上游引航道内修建防淤隔流堤和冲沙闸,汛期发挥泄洪、排沙作用,汛期末可以引流冲沙,引航道内的大部分淤积物得以被水流冲走,
剩余的碍航淤积物则辅
图1 葛洲坝水利枢纽坝区河势与枢纽布置
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第4期 潘庆燊:长江水利枢纽工程泥沙问题研究进展
以机械措施加以清除。2.3 电站的防沙措施
为了防止泥沙淤积影响大江电站和二江电站安全
运行,除了充分发挥防淤隔流堤改善电站进流形式和减少电站前泥沙淤积外,大江、二江电站均设置导沙坎和排沙底孔,大江电站还设置排沙洞。
综上所述,葛洲坝枢纽布置从研究坝区河势入手,提出坝区河势规划,确定采用“一体两翼”的枢纽总体格局,航道按2条航线、3座船闸的布置方式和“静水通航、动水冲沙”的防淤清淤措施,电站设排沙孔等设施,从总体上解决了泄洪、排沙、通航和发电的矛盾,使各项建筑物均能安全、正常运行,枢纽的航运、发电效益得以充分发挥。枢纽经过20多年的运行检验,证明坝区河势规划和枢纽总体布置是合理的。
3 三峡水利枢纽泥沙问题研究3.1 水库长期使用研究
20世纪50年代三峡水利枢纽规划过程中,毛泽
东主席于1958年夏听取了长江流域规划办公室(长江水利委员会的前称)主任林一山关于三峡水库寿命问题的汇报,对三峡水库寿命表示担心
[9]
。1964年8月
林一山亲自带领科技人员到华北、东北、西北地区,对多沙河流的7座水库和浑河大伙房水库进行考察。长江科学院通过大量实际资料分析和理论研究,对长期使用水库的泥沙淤积相对平衡形态、水库长期使用与水库运用方式的关系以及水库长期使用与水库效益关系等方面均取得进一步的认识,认为三峡水库长期使用具有如下的有利条件
[10]
:
(1)长江水量大、含沙量小,库区河床主要为基岩、卵石组成,河床平均坡降约为2.0 ,水流挟沙力不饱和程度大;
(2)三峡水库属河道型水库,大部分库段的水面宽度不超过1000ｍ,水库的有效库容主要为槽库容组成,滩库容很小;
(3)三峡水库上游来水来沙主要集中在汛期,来沙以悬移质为主,推移质输移量很小;(4)三峡水利枢纽是长江中下游防洪体系的关键性控制工程,汛期须降低库水位,腾出防洪库容,此时弃水多,有利于排沙。
三峡工程初步设计阶段根据防洪、航运、发电和排沙的综合要求,确定水库调度运行方式为:每年5月末至6月初坝前水位降至防洪限制水位145ｍ,汛期6～9月一般维持此水位运行,超过电站过流能力的水量,
通过泄洪坝段下泄,仅当入库流量超出下游河道安全
泄量时,水库拦蓄洪水,库水位抬高;洪峰过后,坝前水位仍降至145ｍ运行;10月份水库蓄水,坝前水位逐
步升高至正常蓄水位175ｍ;11月至次年4月底,水库尽量维持较高水位,水电站按电网调峰要求运行;4月末以前坝前水位不低于枯水期消落低水位155ｍ,以满足水库变动回水区通航要求。
根据长江科学院水库淤积数学模型计算成果,按上述水库调度方式运用,在未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程拦沙效果的条件下,三峡水库运用100ａ后,防洪库容可保留约86%,调节库容可保留约92%
[11]
。
3.2 水库变动回水区泥沙问题研究
三峡水利枢纽运用各时期水库变动回水区的范围,从坝址上游约440ｋｍ的丰都,至嘉陵江入汇口以
上的油溪,长约270ｋｍ(图2)。变动回水区河道流经丘陵和山区,平均比降约0.2‰～0.3‰。河道由宽谷和峡谷相间,河床由基岩和卵石组成。通过长江科学院等单位采用原型观测资料分析、泥沙数学模型计算与河工模型试验相结合的方法进行研究,结果认为:建库后变动回水区各河段均有不同程度的累积性淤积;局部河段发生河势调整,淤滩留槽,河道向单一、规顺、微弯形态发展;航道、港区较建库前有较大改善,少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况,可采取优化水库调度,结合港区改建和整治、疏浚措施加以解决。
图2 三峡水库变动回水区示意
3.3 坝区泥沙问题研究
1984年以来,为配合三峡工程可行性论证和工程设计,长江科学院等单位进行了大量坝区河段水文与河道演变观测、坝区泥沙模型试验和数学模型计算工作。坝区河势与枢纽布置见图3。
根据坝址地形、地质、水文特性、建筑物运行要求以及坝区河势等方面综合比较,选定枢纽总体布置为:溢流坝段位于主河槽,设23个溢流深孔和22个泄流表孔,满足泄洪、排沙和河势方面的要求;溢流坝左侧布置左电厂,右侧为右电厂和地下电站;坝区上游段汛
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图3 三峡水利枢纽坝区河势与枢纽布置
期主流线呈左向微弯,根据三峡工程通航标准并考虑到上下游引航道进出口与主流线的平顺衔接,五级双线船闸和升船机布置在左岸。
通航建筑物的引航道布置选定为:船闸和升船机共用上、下游引航道,上、下游引航道均设置防淤隔流堤。引航道的清淤措施为:口门外采取机械清淤;口门内采取机械清淤为主、冲沙闸引流结合松动冲沙为辅的综合措施,冲沙闸位于升船机右侧,冲沙流量为2500ｍ3/ｓ;在船闸与升船机之间布置两条冲沙隧洞,视今后需要可再建。
电站防沙措施为:左、右电厂共布置7个排沙孔,地下电站布置3条排沙洞。
3.4 坝下游河道冲刷研究
三峡水利枢纽建成运用后,水库下泄水流的含沙量减少,坝下游河道将经历长河段、长时间的冲刷过程。根据长江科学院坝下游河道演变分析和数学模型计算,得到如下认识[12-13]。
(1)三峡水库运用后,宜昌至大通河段累计最大冲刷量为31.81亿ｍ3,出现在第60年。其中宜昌至城陵矶段冲刷量最大,且冲刷主要集中在建库后30ａ内,相应冲刷量为18.17亿ｍ3,单位河长冲刷量达4621ｍ3/ｍ;同流量水位下降,宜昌站流量5500ｍ3/ｓ的水位较建库前1993年实测水位下降0.95ｍ。
(2)荆江与洞庭湖关系调整,表现在三口分流分沙量减小,洞庭湖淤积量相应减小。三峡建库后10ａ,湖区年淤积量为0.422亿ｔ,约为1981～1995年平均年淤积量的一半。
(3)三峡建库后长江中下游河道基本河型不变,各河段的河势有不同程度的调整。长江中下游河道经过近50多年来实施护岸工程,总体河势已基本稳定,必须加强河道演变监测,及时调整河势控制工程布局和加固已建护岸工程,保持河势长期稳定。
三峡水利枢纽2003年6月初期运行以来,实测资料分析表明,水库泥沙淤积、船闸引航道与电站泥沙淤积以及坝下游河道冲刷与水位降低状况总体上尚在预计同期值范围内。
4 结语
60年来,长江河流研究工作取得了重大进展,进一步认识了长江水沙变化和河道演变规律,通过对丹江口水库泥沙淤积及其坝下游冲刷的系统观测研究,为解决葛洲坝、三峡水利枢纽的泥沙问题,提供了重要依据。葛洲坝水利枢纽20多年来运行良好。三峡水利枢纽2003年6月初期运行以来的实测资料分析表明,水库泥沙淤积、枢纽运行和坝下游河道冲刷状况总体上尚在预计同期值范围内。
在水利枢纽工程泥沙问题研究实践过程中,研究水平得到较大提高,研究方法也有较大改进。在泥沙测验和河道演变观测方面,新的观测技术逐步得到应用。河工模型和泥沙数学模型的模拟技术取得重大进展,并能相互结合解决长时段、长距离的河道演变预报问题。随着长江流域经济和水利水电事业的持续发展,水沙资源的综合利用和梯级水库泥沙输移与调控等问题,有待进一步研究。
(下转第106页)
发展观,建设一流水利科研强院的本质要求。
(1)要转变观念,树立以创新为导向、创新为动力、创新为检验各项工作成效的新思维、新观念。以治水治江重大战略需求为导向,全面优化科研力量的布局和科技资源配置。在巩固加强现有优势专业的同时,抓紧机遇发展新专业,开拓新的研究领域,制定并逐步落实新的学科建设与专业发展规划。
(2)要创新体制与机制,按照建设创新型科研机构要求,以促进科技创新、增强自主创新能力为目标,消除体制机制性障碍。进一步探索以水利部重点实验室和工程技术研究中心支撑有力、运作高效的管理体制。实现从传统混和型科研事业单位向现代非营利科研机构的转变。
(3)加强创新人才与团队建设,制定并完善创新人才和团队建设办法,根据治江需求,大力吸引、凝聚和培养一大批高级治江人才和重点学科领域的带头人。
(4)加强创新能力建设,抓住国家鼓励创新,支持公益性科研机构的有利时机,以重点实验室和工程技术研究中心为重点,积极改善科研条件和基础设施。提高创新发展能力,高起点、高标准科学规划和建设好九万方、沌口、宜昌三大科研基地,使之成为环境优美、功能齐全、设施先进、对外开放的治江科技创新平台。建设好基于网络环境的院综合管理信息系统,提升科技管理水平。
(5)要推进创新文化建设,营造有利于创新的文化环境,以创新文化推动创新型院所建设。
(6)要取得一批具有自主产权的创新性成果,始终围绕治江新战略目标需求和水利水电工程建设关键技术问题,进行前瞻性研究,取得一批具有国际先进水平的创新性科技成果,进一步巩固长江科技发言权。
和谐是治江科研事业发展的根本保证。科研主体中的公益科研与工程科研要相互促进、创新发展,科研主体与科技产业间要密切衔接、和谐发展。探索以科研成果为纽带,两大块间良性互动,合作共赢的新格局。其次,要做好外部环境的和谐建设。积极争取国家科技计划和治江科研课题,成为国家和治江事业不可或缺的重要力量。密切与国内有关高校、科研院所,以及流域内地方科研机构的沟通联系,共同组建实验室、研究中心、博士点等。联合申报国家、部委重大项目,做到强强联合,成为国内水利科研的重要依靠力量。密切与委内科研机构、企事业单位的沟通联系,以作为主要依托单位建设长江水利科技创新中心为契机,整合与聚集委内科技资源,把中心建设成为长江水利科学研究和技术开发基地,成为治江科技跨越式发展的创新平台。通过实行“开放、融合、协作、共享”的运行机制,与委属单位共同构建起以中心为平台的战略联盟关系,成为治江科研龙头力量。
(编辑:喻伟)
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(编辑:徐诗银)
长江口水体表层泥沙浓度的遥感反演与分析 【摘要】：水体悬浮泥沙浓度监测在海岸带环境管理中有重要的意义。常规船测法的成本较高，并且覆盖空间范围小，同步站点较少。卫星遥感数据具有明显的时间与空间优势，成为近岸Ⅱ类水体悬浮泥沙浓度反演与动态分析的重要数据源。本文以长江口及其附近水域为研究区，主要开展了以下工作：1)现场水体光谱测量。用ASDFieldSpec 光谱仪现场测量长江口Ⅱ类水体的反射率高光谱，同步采集表层0.5m 深处的水样，带回实验室用过滤称重法计算水样的泥沙浓度；同步测量流速、水体浊度等要素。2)对光谱数据进行处理，去除天空光等影响，计算水体的遥感反射率。光谱数据筛选，取平均以及一阶微分导数处理。3)分析水体反射率光谱的特征及其对表层泥沙浓度响应；基于最小二乘法，分别建立光谱反射率与泥沙浓度之间的指数形式和幂函数形式的拟合方程。选择对应常用卫星传感器波段，并且对泥沙浓度敏感的波长，建立泥沙浓度和光谱反射率之间的统计回归模式。4)对卫星遥感数据进行处理，然后从遥感数据中反演水体表层悬浮泥沙浓度；借助多期A VHRR和TM遥感影像反演的结果，对长江口泥沙分布进行遥感监测和分析。取得的成果和结论：1)水体反射光谱曲线随泥沙浓度不同而变化，并且存在两个反射峰(560～720nm和790～830nm)；波长大于500nm的光谱反射率与悬浮泥沙浓度之间具有明显的相关性，特别是690～830nm的相关系数大于0.8，对泥沙浓度较为敏感。2)基于最小二乘法，建立水体泥沙浓度和反射率之间的统
计回归模式，结果表明，利用715nm波长的光谱反射率与泥沙浓度的指数拟合回归方程对泥沙浓度估算的效果优于幂函数形式；用670nm、715nm和800nm波段建立的指数方程比810nm和860nm波段的指数方程的拟合程度高。参照常用卫星传感器的波段设置，建立了泥沙浓度和A VHRR、MODIS和TM对应波段反射率之间的统计回归模式。3)选择A VHRR、MODIS和TM数据作为主要数据源，对水体表层的泥沙浓度进行反演。根据不同时相遥感数据的结果，分析了长江口泥沙的分布受季节变化、潮流和径流影响的模式。特别是通过多年数据的分析发现，1998年、2004年和2006年分别为径流来水特丰、平水和特枯年，径流量变化对长江口泥沙分布格局有显著影响。【关键词】：遥感高光谱悬浮泥沙浓度长江口II类水体 【学位授予单位】：华东师范大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2007 【分类号】：P237;TV148.1 【目录】：摘要7-8ABSTRACT8-10附图10-12附表12-13目录13-15第一章绪论15-241.1选题背景和研究意义15-181.1.1选题背景15-181.1.2研究意义181.2国内外研究进展18-211.3研究思路和全文内容21-24第二章水色遥感的理论基础24-362.1水色遥感的原理
基金项目 华东师范大学 作者简介 从事河口海岸水动力及泥沙运动研究 通讯作者 长江口浑浊带近底泥沙浓度变化何青刘红 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室 上海上海河口海岸科学研究中心上海 摘要基于近底边界层四角架系统观测的水沙过程完整资料对近底悬浮泥沙浓度的变化及其动力响应关系 起动和沉降作用及床面泥沙的供应率对近底层悬浮泥沙浓度和动力响应变化的四个过程进行了详细的 关键词泥沙近底边界层长江口 中图分类号 前言 等四次风暴期间沙质床面近底水流和泥沙过程进行了分析发现悬浮泥沙浓度峰值出现在低流速阶段并 等 根据 等并应用于美国弗吉尼亚的 等用这种定常侵蚀率模型研究了 等 河口的悬浮泥沙浓度的涨落 他们的观测数据表明悬浮泥沙浓度和流速大小存在很强的正相关关系即在涨落河口的他们的观测数据为近底离床面 和观测等仪器研究了美国南卡罗来纳州泻湖
对泥沙浓度和动力的响应研究中他们发现最大的悬浮 但是由于影响悬浮泥沙浓度的因素很 三级分汊四口入海 时也是最大浑浊带活动区域 野外观测及数据处理 观测站点及仪器布置 月 观测站点平均水深为表层 沉积物实验室分析得到的中值粒径为 砂含量分别为悬浮水样和表层沉积物的粒径分析结果表明它们的粘土含量比 然而表层沉积物粉砂含量有所减 图观测站位示意图
图 底边界层观测系统及仪器布置示意图 测 的 垂向水流变化过程的 探头高度距离床面 离床面的高度分别为 和以 的采样间隔均为 的采样间隔为分 观测系统的东北面 的安全进行监测 观测内容主要包括 测量 整点采集垂向六点悬浮水样 利用 实时连续测量 数据处理 浊度率定 由于底边界层观测系统上面没有自动采水系统 的浊度探头进行观测得到的 进行现场水样率定见图 值为 间的相对误差为这表明在假定现场悬浮水样的率定曲线是可信的前提 尤其是悬浮水体的粒径 正因为表层沉积物的颗分粒径 分粒径 图 为了更好地反映正常的悬浮水体浊度变化过这里采用的筛选方法是通过的标准偏差值来进设定一个临界标准偏差值下文所用来分析和讨论的浓度值都是 已经通过该方法处理后的
河流泥沙研究进展及发展趋势 李义天孙昭华 （武汉大学，水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072） 摘要：河流泥沙研究包括泥沙运动力学、河床演变学及以此为基础的河流模拟，是水利、地学及生态环境等学科的重要基础之一。近些年来各大流域中出现的多种泥沙相关问题，使泥沙研究扩展到区域及流域泥沙及工程及环境泥沙问题等方面。由于河流泥沙研究的许多理论还有待完善，而江河治理开发实践中遇到的实际问题异常复杂，现有理论和方法还难以使所有问题得到圆满解决。因而，今后在继续深入研究泥沙基本理论的同时，应加强水沙变异条件下河床演变规律的研究，并从流域整体的角度，扩展研究的时间尺度、空间尺度，分析泥沙输移的规律及其造成的环境影响，探索水沙调控的理论与技术。 关键词：河流泥沙研究进展发展趋势 Review and perspective of river sediment research Yitian Li Zhaohua Sun
(State key laboratory of water resource and hydropower engineering science, Wuhan University, Wuhan 430072, China) Abstract:As the foundmantal theory of hydraulic engineering, geomorphology science and hydro-environment，river sediment research is developed to reveal the rule of sediment transport and to understand or predict fluvial processes. The goals of river sediment research have been broadened in recent years due to sediment related problems appeared in river management of large basins, which includes sediment problem of region or basin scale, interactions between hydraulic projects and environment. Since the basic theories underlying sediment movement and fluvial process still need to be improved, the sediment problem arose in engineering practice of river exploitation cannot be solved perfectly with current knowledge and technology. Consequently, it is argued that more efforts should be made in some key problems besides basic theoretical researches, such as channel responses to
海洋工程中悬浮泥沙源强的确定 摘要：随着各类海洋工程的施工建设，各类海洋工程施工均会引起周边海域悬 浮泥沙剧增，会对项目周边海域的环境产生不利影响。目前国内没有对海洋工程 中涉及的悬浮泥沙源强作出完整的归类，总结在海洋环评中多年的工作经验，本 文对海洋工程中悬浮泥沙源强类型进行了总结归纳，为海洋环评中悬浮泥沙源强 的选取提供参考和依据。 关键词：悬浮泥沙源强海洋环境影响 近年来，随着我国海洋经济的迅速发展，各类海洋工程的施工建设，包括填 海造地、港口建设、航道疏浚、跨海桥梁、各类透水构筑物及非透水构筑物等， 均会引起周边海域悬浮泥沙剧增，会对项目周边海域的环境产生不利影响。其中 悬浮泥沙的扩散输移对海洋环境影响较大，主要表现为悬浮泥沙的扩散输移范围 和浓度变化对海水环境和海洋生态环境的不利影响。针对国内外学者对海洋工程 中的悬浮泥沙源强确定缺乏比较全面系统的论述，为此，本文根据笔者工作中经 验对海洋工程中涉及的悬浮泥沙源强的确定进行了总结，可为海洋工程环境影响 评价悬浮物污染开展综合分析，根据工程的底质条件合理选择设备类型提供理论 依据。 1悬浮泥沙源强类型 海洋环评中数值模拟分析和悬浮泥沙污染源的存在形式密切相关，悬浮泥沙 源强一般在空间上分为：点源、线源、面源和体源；根据持续时间可分为瞬时源 和连续源。根据海洋工程施工计划和施工特点的不同，在海洋环评数值模拟中对 泥沙源强的处理方式也不同。一般疏浚挖泥及疏浚土抛投时采用设置固定点源或 瞬时源的方式进行模拟；溢流及抛石采用设置连续固定点源的方式进行模拟；爆 破挤淤一般采用瞬时点源；管道及航道的开挖根据施工线路的特点采用移动点源 的方式进行模拟。 2悬浮泥沙源强计算方法 针对不同的工程类型，由施工引起的泥沙源强确定方法也不同，目前泥沙源 强的确定一般采用公式计算结合同类工程经验或现场监测数据进行推算。本文根 据笔者的工作经验对海洋环评中涉及的源强方法进行了总结。 2.1疏浚源强 项目工程类型为疏浚，采用的施工机械一般为绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、抓斗船，悬浮泥沙发生量按照《港口建设项目环境影响评价规范》中提出的公式 计算源强。 Fs—悬浮泥沙源强（kg/s）； m泥—一天爆破抛泥量（kg）； V水—受纳水体体积（m3）； t—一天实际施工的时间（h）。 2.8类比分析法确定源强 根据Mott MacDonald 1990年进行的疏浚泥沙再悬浮系统试验数据，绞吸式挖泥船泥沙
基金项目 作者简介 湖北人副研究员博士 主要从事河口海岸动力过程研究 沈焕庭 严以新 王永红 海洋学院江苏南京 河口海岸学国家重点实验室 上海 山东青岛 摘要 将历史海图的基准面进行统一换算采用实现了长江口及杭州湾通过百年时间尺度的大范围冲淤分析建立了长 江口泥沙收支平衡模式 以此为基础关键词 计算通量 引言 外力作用或边界条件变化对海洋物质通量的影响是计划 全球海洋联合通量研 究 密切相关的研究课 据 陆地入海物质通量中占有重要的地位大河河口及其陆架颗粒物质输移过程是揭示陆海相互作用和估中起重要作用有吸附效应泥沙输移对污染物的迁移和循环也起重要作用 因此研究河口入海泥沙通量及河口泥沙运动规律研究区域与研究资料 长江来水来沙进入河口以后泥沙冲淤的结果往往通过地形变化来反映长江口地区 本次研究主要目的在于弄清楚百余年来长江口及杭州湾泥海图资料选择要考虑充分利用长江口 同时兼顾考虑长江口地形演变重
吴淞原图系英国海军测量吴淞原图系英国海军测量吴淞旧中国海关海道测量资料 吴淞旧海军水道图吴淞 航保部长江下游航行图 吴淞 上海航道局 号海图系华东师范大学河口海岸研究所于 年代将不同比例尺海图统一转化而成的 表 拦门沙海图资料一览表 序号 年份 范围比例尺 说明吴淞原图系英国海军测量吴淞原图系英国海军测量吴淞原图系英国海军测量吴淞旧海军水道图吴淞伪海军水道图吴淞 上海航道局资料吴淞 上海航道局 浏河口 横沙岛万 中华人民共和国交通部安监局 号海图系华东师范大学河口海岸研究所于 年代将不同比例尺海图统一转化而成的 表 长江口或口外大范围海图资料一览表 序号 年份 范围 比例尺 说明长江口与杭州湾 系英国海军测量 中国人民解放军航海保证部中华人民共和国交通部安全监督局图 长江口部分潮位站分布图 研究方法 基准面换算关系研究 图采用的多种基准面与目前使用的理论深度基准面的语言实现了对海图理论深度基准 面的人机交互式计算验证表明基于年实测潮位资料计算获得的调
毕业论文（设计）开题报告 题目：上海滩附近的悬浮泥沙浓度遥感分析学院：海洋科学与技术学院 学生姓名： 专业：海洋技术 班级： 指导教师： 起止日期： 年月日
毕业论文（设计）开题报告 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1、国内外研究动态 国外学者在海洋水色遥感方面的研究大致可以分为以下几个方面： 遥感数据的定性应用，这个阶段，遥感技术开始应用于海洋监测，但技术并不是很成熟，限于定性的分析。2004年，Kale等利用LANDSATI(ERTS1) MSS数据对Delaware Bay的海岸植被、土地利用等进行解译，并提出用对数统计模型来探测海湾悬浮泥沙浓度的方法[1]。Holler (2008)在研究实测光谱数据与同步悬浮泥沙浓度数据基础上，发现两者之间相关性高，因此，提出了利用遥感数据来监测悬浮泥沙的想法[2]。 Calnter(2001)在研究澳大利亚东南部实测数据的基础上，证明了利用LANDSAT多光谱遥感数据构建多重线性模型来预测悬浮物浓度、叶绿素浓度的可行性[3]。 统计回归经验模型是海洋水色反演最常用的算法，敏感波段及波段组合的选择，回归模型的选择，是学者们研究的重点。Philpot等(2001)研究发现陆地卫星LANDSATMSS 数据的第5波段和TM数据的第3波段对悬浮泥沙浓度变化最为敏感[4]。Tassan等(1994)基于地中海夏季Gulf of Naples实测数据，提出反演海岸带水体中悬浮泥沙、浮游植物和黄色物质吸收系数的模型，并利用Sea WiFS数据进行反演[5]。Froidefond等(2002)研究认为SPOT影像的第二波段为敏感波段，并建立了一种指数关系式来反演估算法属Guiana海岸的悬浮泥沙浓度[6]。Doxaran等(2002)在实测高浑浊水体法国Gironde河口光谱特性基础上，建立了经验关系式来反演悬浮泥沙浓度，研究表明近红外波段与泥沙浓度相关性差，而近红外波段与可见光波段的比值组合与泥沙浓度相关性高，它认为波段比值可以减少光照条件和泥沙物理性质等外界因素对模型建立的影响[7]。 V olpe等(2011)提出一种简化的辐射传输模型来反演泥沙浓度，该模型基于交叉验证方法和引导技术确定模型参数，并将该模型应用于Venice咸水湖[8]。Nina等(2012)提出了基于先验知识的遥感逼近模型来反演洪水状态下河流中的泥沙浓度，该模型利用光学理论以及辐射传输理论，模型精度良好[9]。 近些年来，随着水色遥感的不断发展，理论研究的不断深入，遥感反演的模型正越来越多样化。唐军武等(2010)在黄东海海域，根据现场实测数据，分别建立了反演水色三要素(悬浮泥沙、叶绿素和黄色物质)的统计反演模型和神经网络模型，研究表明神经网络模型同时反演三要素精度低于经验统计模型，而单独反演其中一种要素精度要高于经验统计模型[10]。丛王福等(2009)利用TM数据建立了大连湾海域悬浮泥沙神经网络反演算法，结果表明神经网络算法相比于传统的统计回归算法要好[11]。高中灵(2006)在台湾海峡建立MERIS数据反演悬浮泥沙和叶绿素浓度模型，结果显示采用R510，R490与R560比值波段的统计分析算法反演精度要好于神经网络模型和半分析模型[12]。许大力等
藕池(康)站基本持平，其他站偏大8%～36%；湘潭、桃江、桃源、石门和城陵矶各站年输沙量偏大8%～257%，其他站偏小28%～66%。鄱阳湖区各站径流量偏大16%～61%；各站年输沙量偏大8%～101%。与上年度比较，2016年洞庭湖区各站年径流量增大13%～306%；湘潭站年输沙量减小22%，城陵矶站基本持平，其他站增大76%～727%。鄱阳湖区饶河虎山站和修水万家埠站年径流量分别减小19%和11%，梅港站基本持平，其他站增大18%～34%；虎山站年输沙量减小54%，湖口水道湖口站基本持平，其他站增大24%～62%。 2016年三峡水库继续进行175m试验性蓄水，库区淤积泥沙0.334亿t，水库排沙比为21%；2016年丹江口水库库区淤积泥沙50.2万t。2008年9月至2016年12月，重庆主城区河段累积冲刷量为0.1653亿m3。1998年10月至2016年10月，张家洲河段总体冲刷，平滩河槽总冲刷量为1.3527亿m3。2001年8月至2016年10月，澄通河段总体冲刷，总冲刷量为4.3547亿m3。 2016年主要泥沙事件包括长江流域继续实施国家水土保持重点工程，长江干流、主要支流及尾闾河道局部地点发生崩岸。 二、黄河 2016年黄河干流主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，各站偏小24%～72%；与近10年平均值比较，各站偏小22%～52%；与上年度比较，各站减小10%～39%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小65%～99%；与近10年平均值比较，龙门站偏大21%，兰州站基本持平，其他站偏小29%～91%；与上年度比较，唐乃亥、兰州、龙门和潼关各站增大15%～131%，其他站减小19%～66%。 2016年黄河主要支流水文控制站实测径流量与多年平均值比较，窟野河温家川站基本持平，其他站偏小8%～58%；与近10年平均值比较，皇甫川皇甫、温家川和无定河白家川各站偏大20%～158%，其他站偏小10%～43%；与上年度比较，洮河红旗站基本持平，皇甫、温家川、白家川和延河甘谷驿各站偏大33%～16590%，其他站偏小7%～35%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小72%～100%；与近10年平均值比较，皇甫、白家川和北洛河头各站偏大6%～89%，其他站偏小14%～100%；与上年度比较，温家川站减小99%，洮河红旗站基本持平，皇甫站从近似0增加至0.073亿t，其他站增大89%～955%。 2015年10月至2016年10月，内蒙古河段石嘴山站和巴彦高勒站断面略有淤积，三湖河口站和头道拐站断面略有冲刷；下游河道除艾山至泺口河段略有淤积外，其他河段均表现为冲刷，总冲刷量0.507亿m3。2016年黄河下游全年引水量109.4亿m3，引沙量1001万t。 2015年10月至2016年10月，三门峡水库总体表现为淤积，总淤积量为0.614亿m3；小浪底水库总体表现为淤积，总淤积量为1.324亿m3。 三、淮河 2016年淮河流域主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，淮河干流息县站和鲁台子站基本持平，干流蚌埠站偏大6%，颍河阜阳站和沂河临沂站均偏小78%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小65%和69%，其他站偏大26%～32%；与上年度比较，蚌埠站基本持平，阜阳站减小27%，其他站增大13%～647%。 2016年淮河流域主要水文控制站实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小42%～100%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小98%和近100%，干流各站偏大31%～132%；与上年度比较，息县站和鲁台子站分别增大121%和96%，蚌埠站和阜阳站分别减小27%和74%，临沂站年输沙量仍近似为0。 2016年淮河干流鲁台子水文站和蚌埠水文站测验断面冲淤变化不大，前者主槽略有淤积，后者主槽略有冲刷。 四、海河 本期公报新增漳河观台水文站和卫河元村集水文站，以控制海河南部部分水系的径流量和输沙量。2016年海河流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，漳河观台站实测年径流量偏大18%，其他站偏小11%～84%；各站实测年输沙量偏小49%～100%。与近10年平均值比较，2016年海河流域各站实测径流量偏大19%～290%；桑干河石匣里、下会和海河闸各站年输沙量偏小57%～100%，响水堡站近10年输沙量均近似0，其他站偏大220%～902%。与上年度比较，2016年石匣里站和响水堡站实测径流量基本持平，其他站增大33%～1610%；石匣里站年输沙量减小83%，卫河元村集站增大3083%，雁翅、张家坟和观台各站均从近似0分别增加至0.541万t、9.09万t和368万t，其他站仍近似为0。2016年引黄入冀调水2.531亿m3，挟带泥沙11.15万t。 观台水文站测验断面近20年来，仅在遭遇1996年和2016年特大洪水时发生了一定的冲淤变化，其他年份冲淤变化不大。 五、珠江 2016年珠江流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，南盘江小龙潭、红水河迁江和郁江南宁各站实测径流量偏小6%～25%，其他站偏大7%～71%；北江石角站和柳江柳州站实测输沙量分别偏大17%和208%，其他站偏小11%～98%。 835附录
谈谈对水库泥沙的认识及国内外研究现状 水库泥沙淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积。拦河筑坝后抬高了水位, 形成了在建筑物前近似水平、而在上游末端与天然河流原水面线相切的水面曲线。水流进入库区后, 由于水深沿流程增加, 水面坡度和流速沿流程减小, 因而水流挟沙能力沿流程降低, 出现泥沙淤积。水库淤积是水库设计和管理中的一个难题。在河道上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态, 使泥沙在水库库区内淤积, 从而降低水库的使用效益, 甚至导致水库失效报废, 所以, 对水库泥沙淤积问题的研究就显得尤为重要。一、水库淤积观测和资料分析 水库淤积的观测和资料收集是水库淤积研究的基础。我国最早开展的系统性泥沙淤积观测是对20 世纪50 年代建成的永定河官厅水库、60 年代初建成的黄河三门峡水库和汉江丹江口水库的泥沙观测，从中积累了大量的资料。从60年代开始，水利部科技司针对黄河流域和北方多沙河流的水库淤积，选择了官厅、三门峡等12 座大型水库作为重点淤积观测的水库，并建立了“黄河泥沙研究协调小组”，组织了攻关研究和成果交流。后来又将其扩展到包括南方水库在内的20 个大型水库。以这20个水库为骨干，我国已有一支数量较大的水库淤积观测队伍，收集了大量第一手资料。不论从收集资料的数量、内容、深度和可靠性看，在世界上都是首屈一指的。 二、水库变动回水区泥沙问题研究 三峡水利枢纽运用各时期水库变动回水区的范围，从坝址上游约440km 的丰都，至嘉陵江入汇口以上的油溪，长约270km。变动回水区河道流经丘陵和山区，平均比降约0.2‰～0.3‰。河道由宽谷和峡谷相间，河床由基岩和卵石组成。通过长江科学院等单位采用原型观测资料分析、泥沙数学模型计算与河工模型试验相结合的方法进行研究，结果认为：建库后变动回水区各河段均有不同程度的累积性淤积；局部河段发生河势调整，淤滩留槽，河道向单一、规顺、微弯形态发展；航道、港区较建库前有较大改善，少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况，可采取优化水库调度，结合港区改建和整治、疏浚措施加以解
长江口水动力学及其泥沙运输规律 一、长江口概况： 长江河口地处我国东部沿海，受到来自流域径流、泥沙和外海潮流、成水入侵、风、波浪及河口科氏力和复杂地形等绪多园了的影响，动力条件多变，泥沙输运复杂。从陆海相互作用的角度看，长江河口至少存在几个水沙特性不同的典型河段，而每个典型河段又存在不同性质的界面，如：大通河段(潮区界)、江阴河段(潮流界)、徐六径河段(盐水入侵界)、拦门沙河段(涨落潮流优势转换界面)、口外海滨区(泥沙向海扩散的外边界和长江冲淡水扩散的外边界)。每个典型河段及关键界而都涉及到物质和能量的传输；每个典型河段及关键界面都有其固有性质，且相互影响，可以说河口过程在很大程度上被发生在每个典型河段的界面上各种现象所制约。 二、水动力方程及验证 1、长江口水动力过程的研究进展（长江口水动力过程的研究进展） 在过去20多年中, 长江口水动力过程研究成果大量来自河口海岸学家、物理海洋学家、海岸工程师、环境流体力学家的文献、著作。本文的目的是力图把这些文献(以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口潮流、余流、波浪、盐水入侵的研究进行总结, 究竟我们对长江口水动力过程了解多少?究竟长江口水动力过程还有哪些问题值得研究? 1.1 长江口余流、环流、水团、长江冲淡水 基于现场实测资料, 胡辉等1985年对长江口外海滨余流的运动变化特性进行了一定的研究。研究结果表明: 长江口外余流约为潮流的1/ 2～1/ 5 , 上层余流以向东为主, 中层余流多偏北, 底层余流有偏西的趋势。径流是长江口外上层余流的重要组成部分,并以冲淡水的形式存在; 中、下层余流则与台湾暖流的顶托和牵引有关。王康、苏纪兰1987年研究了长江口南港的横向环流、垂直环流及其对悬移质输运的影响。在前人基础上导出了长江口相对观测层次的物质断面传输公式,增加了反映环流及振荡切变的各种相互关系的有关项。基于现场观测资料,Wang等1990年研究了长江口水团、长江冲淡水团等的基本特征。根据1996年长江口南港水道枯、丰水期大、中、小潮两次各26 h的全潮水文实测资料,杨许侯等[1 ]统计分析了实测潮流的特征和潮流类型、运动形式、潮流垂直变化、余流、分潮对涨、落潮流不等的影响。崔茂常1984年, 张庆华等1993年, 朱建荣、沈焕庭1997年对长江冲淡水进行了研究。 1.2长江口潮流数学模拟 长江口水域开阔, 口内多浅滩和沙岛, 流场分布规律比较复杂。在长江口水域建立平面二维数学模型, 有利于对长江口的水动力特性从宏观上加以研究。同时, 河口平面二维数学模型的差分求解方法已比较成熟, 且运算量相对较小。采用平面二维数学模型能够利用现有的计算设备, 并在较短的运算时间内完成对长江口水域内流场平面分布特性的数学模拟。对平面二维数学模型的有限差分解法中, ADI法由于其较好的稳定性且计算量相对较小,赵士清1985年,刘上煊、叶永1987年,韩丕康、黄国玲1987年,刘世康、徐建益1987年,刘上煊、陶学为1987年,王船海、程文辉1991年,徐建益、袁建中1992年,许朋柱、毛锐1993年, 刘桦[2 ]等已将此法应用于长江口。此外,汪德等1987年用特征线法、破开算子法等差分方法进行长江口平面二维潮流数学模型求解。除有限差分法外, 唐苓等1992年将边界元法用于平面二维数学模型的求解;易家豪、叶雪祥1983年; 成安生等1987年采用有限单元法及限体积法等, 赵士清1985年采用三角形网格, 并将局部的有限元法和有限差分法结合起来, 在保证计算稳定性的同时,减少了计算量。参照国外学者的方法, 刘上煊、叶永1987年将长江口平面二维潮流方程分别划分为: 动量平流项、水
浅谈河流泥沙的运动规律 摘要：泥沙在河流水流的作用下，有一定的运动形式，沿河底滑动、滚动或跳跃，这种运动形式称为推移质；被水流挟带随水流悬浮前进，这种运动形式称为悬移质。由于天然河道同一河段流速随时间、沿程发生变化，各河断及各时段在流速较小时，细沙也可呈推移质形式运动；而流速增大时，粗砂也可转化为悬移质。因此，实际情况中推移质和悬移质处于不断调整中，情况很是复杂。本文着重讨论了悬移质泥沙的运动规律。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。 关键词：河流泥沙；运动；规律；挟沙能力；脉动 该式结构特点表明，河流流速大、泥沙颗粒小、水深浅，则挟沙能力强。水流挟沙能力一般指各级颗粒的沙源均为充足条件下的平衡含沙量，并不代表水流的实际含沙量，各级颗粒的沙源不充足会出现非饱和输沙，条件特殊时也会出现超饱和输沙。但是，水流挟沙能力仍是分析河床冲淤或平衡问题的常用概念，当水流挟带的悬移质泥沙超过河段的水流挟沙能力时，这个河段必将发生淤积；反之，则会发生冲刷。 2悬移质的时空分布规律 2.1河流泥沙变化的影响因素 河流从流域挟带泥沙的多少与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化，降雨强度以及人类活动等因素有关。河流泥沙随时间的变化，也就取决于这些因素随时间的不同组合和变化。来源于地势、地形、土壤性质和植被状况等下垫面条件不同的地区河流的洪水，挟带的泥沙将会有显著的差别，多沙河流与少沙河流与流域下垫面状况紧密相关。另外，对于冲积性河流，其承水河床由长期冲积的泥沙构成，水流流经这样的河段，常会挟带或沉积大量泥沙。季节性的气候变化对河流泥沙的变化也有一定的影响。汛前由于降水少，土壤疏松、干燥、抗冲能力差，因此，初夏的暴雨洪水常挟带较多的泥沙，秋末洪水含沙量较少。降雨强度对河流泥沙的影响是：雨强大，则侵蚀能力强，从而使河流挟带的泥沙增多。河流输沙量集中在汛期，而且主要集中在几次大洪水中，其原因也在于此。人类活动使流域产沙条件发生变化。如修建道路、毁林垦荒，将导致河流泥沙增加；而封山育林、开展水土保持，又可减少河流泥沙；修建水库，常会沉积泥沙。这种影响将使河流泥沙发生系统性变化。 2.2泥沙的脉动 脉动是忽大忽小不停波动变化的现象。悬移质泥沙悬浮在水流中，与流速脉动一样，含沙量也存在着脉动现象，而且脉动的强度更大。在水流稳定的情况下，断面内某一点的含沙量是随时变化的，它不仅受流速脉动的影响，而且与泥沙特性等因素有关。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。 2.3悬移质泥沙的垂直分布 悬移质含沙量在垂线上的分布，一般从水面向河底呈递增趋势。含沙量垂向的变化梯度还随泥沙颗粒粗细的不同而异，颗粒较细的泥沙，其垂直分布也均匀，而对于较粗泥沙，则梯度
工程泥沙问题研究综述 工程泥沙问题可以简单的定义为受人类活动影响而发生河床或海床变形及有别于自然情况下的泥沙问题。在实际工程中对泥沙研究目的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。研究方向主要分为河流航道工程泥沙问题和海岸工程泥沙问题两大类，其中河流泥沙研究起步较早，而海岸工程泥沙问题是由前者衍生而来的一门新的分支学科，早在公元前256年的战国末期,当时李冰父子在修建都江堰工程时巧妙地利用了水流泥沙运动规律,工程布局完全符合现代泥沙运动力学原理,使都江堰工程至今已经成功运行至今。 泥沙运动涉及侵蚀、输运、沉积等地貌过程，各种过程涉及的时空尺度变化范围极大。在一些情况下必须考虑地质构造的上升、下降等大尺度、长时期的过程，有时又必须考虑泥沙起动、悬移等微尺度和瞬时的过程。正是由于这些特点，河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，因而尽管国内外在河道治理方面不乏成功的例子,但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。19世纪末期,法国的DuBoys第一次提出推移质运动的拖曳力理论。泥沙学科研究初期，Gilbert在20世纪初通过水槽试验研究推移质泥沙的运动规律,最早建立了推移质运动的模式和计算公式。Rouse等在20世纪30年代初类比分子扩散理论,导出了著名的悬移质泥沙浓度分布公式,至今还在广泛应用。而后Einstein、Bagnold、Engelund 等人奠定了泥沙学科的基石Einstein首创用统计方法研究悬移质输沙率和推移质输沙率,导出泥沙挟沙力的计算公式。特别突出的是能进行非均匀输沙的计算。此外,Einstein还定义了冲泻质和床沙质的概念,提出了冲积河流阻力划分与计算方法。Bagnold注重泥沙运动的物理本质,用基本物理概念和物理过程描述方法来研究泥沙运动规律,所建立的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式,物理概念明确、理论分析合理,具有较好的计算精度。特别是关于颗粒作用的同心圆筒试验研究,揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性(碰撞)作用的机理,深刻地揭示了颗粒作用的实质。这一试验成果不仅对泥沙研究起到了重要的推进作用,而且也是80年代兴起的快速颗粒流研究的基础。Bagnold提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被称之为拜格诺数(Bagnold Number)。 在我国,张瑞瑾、沙玉清、钱宁等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础，在理论研究上取得了国际领先水平的成果;在应用上成功地解决了许多重大工程泥沙问题,如长江葛洲坝工程、三峡工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。 1河流泥沙动力学研究基础 河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，可将泥沙基本理论分为泥沙运动力学和河床演变学。河流泥沙动力学的研究范畴包括：泥沙颗粒的基本性质、泥沙起动与沉降、河道水流特性以及泥沙对水流的影响、水流与泥沙输移机理及其定量描述等。但这种规律性认识大部分只具有定性性质，人们对河床演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的，对资料的综合分析使人们逐步形成了对具体河段和整个河流以至不同河流之间河床演变现象的规律性认识，河流模拟是在对微观水流、泥沙运动深入认识基础上，建立描述水沙运动及河床变形的控制方程，从而模拟出宏观河床变形随时间的发展。 1.1基本理论
泥沙研究 2013年2月Journal of Sediment Research第1期 静止轨道卫星观测杭州湾悬浮泥沙浓度的动态变化及动力分析 刘猛，沈芳，葛建忠，孔亚珍 （华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062） 摘要：利用静止轨道水色遥感卫星GOCI的一天多景数据，采用基于半经验辐射传输模型（SERT），反演获得杭州湾海区悬浮泥沙浓度的时空分布；结合三维无结构三角形网格的有限体积海洋数值模型（FVCOM），模拟卫星成像时刻杭州湾水位、潮流分布状况。综合分析结果表明：潮流变化是该海区在涨落潮、大小潮悬沙分布变化的主要影响因素；风浪作用导致杭州湾海域悬沙浓度枯季明显大于洪季。 关键词：静止轨道卫星；悬浮泥沙；动态变化；海洋数值模拟；杭州湾 中图分类号：TV148.5文献标识码：A文章编号：0468-155X（2013）01-0007-07 1引言 杭州湾位于浙江省北部，港口航道、滩涂及水产资源丰富。上海、宁波等经济开发区环绕南北，经济开发利用价值巨大［1］。杭州湾地形特殊，具有潮大、流急、含沙量高等特点，而高浓度含沙水体对港口影响巨大。因此，掌握杭州湾海区悬浮泥沙的变化规律，无疑对海区以后的工程决策、区域地形演变、沉积侵蚀速率有着重要意义［2］。多年以来，为了更加深入地了解杭州湾悬浮泥沙运动规律，很多学者以站点实测资料为基础，探讨了该海域悬沙变化问题。陈吉余等［3，4］依托长江口南汇嘴的实测泥沙和流速资料，分析了长江口到杭州湾的泥沙输移途径；针对杭州湾内浅滩、岛屿等的泥沙变化规律其他学者也进行了分析［5－8］。然而基于测船的实地调查，获得的数据比较离散，很难了解整个湾内的悬浮泥沙分布及变化全貌。由于卫星遥感具有覆盖面积大、多次重访的特点，有利于探测海域悬浮泥沙的连续分布和变化。早期，陈夏法［1］利用NOAA卫星影像对杭州湾悬浮泥沙进行了多实相的遥感分析；陈鸣等［9］利用Landsat和NOAA遥感资料联合监测了杭州湾的悬浮泥沙。21世纪以来，更多学者采用了Sea-WiFS、MODIS、MERIS海洋水色卫星数据观测杭州湾悬浮泥沙的分布［2，10，11］。 然而受卫星重访周期的限制，极轨卫星遥感反演最多只能获得每天某一时刻的悬沙分布，无法获得一个潮周期时间内悬沙分布的变化过程。由于潮周期内的流速变化和水位变化是杭州湾悬浮泥沙浓度变化的主要影响因素［12］，故结合连续时刻的悬沙遥感反演及卫星成像时刻海区的潮流情况，可为杭州湾海区悬浮泥沙分布及变化规律的揭示开辟一个新的途径。本文收集了覆盖杭州湾海区每小时重访的静止轨道水色卫星数据GOCI，利用Shen等［13］半经验辐射传输模型（SERT）反演杭州湾海域悬浮泥沙浓度；同时采用基于有限体积海洋数值模型FVCOM，模拟了卫星成像时刻前后的杭州湾海域的潮流分布，综合分析了杭州湾海域悬沙的浓度随不同潮情和季节的变异特性。 收稿日期：2012-09-07 基金项目：海洋公益性科研专项（200905001-9）；国家自然科学基金项目（50939003，41271375）；高等学校博士学科点专项科研基金（20120076110009）；河口海岸学国家重点实验室科研业务项目（2012KYYW02，2011RCDW03）作者简介：刘猛（1989－），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事海岸带遥感及地理信息系统研究。 E-mail：liumeng_824@126．com 通讯作者：沈芳。E-mail：fshen@sklec．ecnu．edu．cn 7
泥沙运动力学 Sediment Transport Mechanics 第一章概述 1. 泥沙运动力学—泥沙在流体中，冲刷（scour）、搬运（transport） 和沉积（deposition）的运动规律。 二相：固、液 运动：河流、渠道、荒漠、水库、海滨、管路中，在流水、风、波浪作用下运动。 2. 著名产沙河流： 黄河：16亿吨/年、土壤剥蚀1.6毫米/年。总沙量和平均含沙量世界第一。
印度、孟加拉国的恒河：14.51亿吨/年，世界第二。 孟加拉国的布拉马普特拉河：7.26亿吨/年，世界第三。 3. 国内外著名泥沙研究机构： （1）国内大学：清华大学、北京大学、河海大学、武汉大学、大连理工大学、四川大学、天津大学、西北农林科技大学、 西安理工大学、华东师范大学、郑州大学、华北水电学院、 新疆大学、长沙理工大学、重庆交通大学… （各大学研究侧重点不同） （2）国内科研院所：中国水电科学研究院、南京水利科学研究院、黄河水利科学研究院、长江科学研究院、淮河水利委 员会水科所、天津水运工程科学研究院、西北水利科学研 究所、…（各单位研究侧重点不同） （3）国家重点实验室：四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（1990）、大连理工大学海岸及近海工程国家 重点实验室（1990）、华东师范大学河口海岸国家重点实验 室（1995）、武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室 （2003）、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验 室（2004）、河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验 室（2007）、天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 （2011） （4）国外：Colorado State University, The University of Iowa, The
长江口细颗粒泥沙絮凝主要影响因子及其环境效应研究 【摘要】：河口海岸水域环境中细颗粒泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙沉积的主要影响因素之一。由于径流和潮流的相互作用，及盐淡水交汇等因素的影响，河口区细颗粒泥沙发生絮凝(吸附)—沉降—再悬浮—解絮(解吸)—扩散—沉积等复杂的变化过程。由此对河口泥沙的聚集和输移、河槽和浅滩的发育演变等有着重要的影响。在河口生物地球化学过程中对许多重金属元素和有机物的化学行为、迁移和归宿等也有显著影响。因此，河口区细颗粒泥沙的絮凝研究，对揭示河口“过滤器”本质和阐明河口沉积动力学过程具有重大的科学意义。作为国际地圈生物圈计划(IGBP)第六核心计划(海岸带陆地—海洋相互作用计划LOICZ)中的基础性科学问题之一，河口区细颗粒泥沙的絮凝和其影响因子及环境效应的研究引起了广泛关注。尽管已有的大量研究揭示了盐度在絮凝中的重要作用，但国内外一些研究者认为：实际河口环境中有机物的影响可能比盐度影响大得多。由于河口泥沙絮凝受到多种因素的影响，内在机理十分复杂。鉴于在理论上和实验技术上的某些局限，直到目前人们对此问题认识还不够清楚，河口界面化学的发展以及先进的现场观测仪器的应用为解决这一问题提供了契机。在国际LOICZ计划中已将长江河口列为专门的调查区域(LOICZNo.72)，以研究其在全球陆海相互作用所扮演的角色。长江河口细颗粒泥沙中有机性颗粒占总颗粒的60％—75％，细颗粒物质主要为粘土矿物，粗颗粒物质(＞8μm)主要为有有机附着或具有有机
裹层的粘土矿物集合体。同时由于河口的特殊地理位置，盐度的变化由口内径流至口外近海逐渐增加，各种阳离子浓度也出现相同的变化趋势。河口区丰富的有机质和离子浓度变化对泥沙絮凝都会产生较大影响。因此有必要将它们结合起来综合研究河口泥沙絮凝机理。本论文依托国家自然科学基金(No.50579021)资助项目和973国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412405)，利用国家重点实验室先进的现场观测仪器及室内测试分析方法，分别于2006年2月(枯季)和8月(洪季)进行了二次现场观测，主要观测项目有水体含沙量、流速、流向、水温、盐度、pH值、絮凝颗粒粒径、浮泥层容重、浮泥层厚度等。同时定时分层次取水样，现场过滤分离，冷冻保存，用来测定水相和悬沙中金属离子和有机碳等化学元素以及悬沙颗粒粒径等，定时采取河床浮泥和沉积物样，用于化学元素和粒径分析。二次现场观测目的性较强，使用的仪器较先进，取得了一批质量较好的原始数据和样品，为本论文深入地研究絮凝机理奠定了基础。同时对各种金属阳离子以及有机质等絮凝影响因子作了详细的室内絮凝实验分析研究，依据絮团粒径、电位和絮凝率等参数变化以及电镜分析其微观机构研究了各絮凝影响因子对细颗粒泥沙不同的絮凝机理。通过现场观测和室内分析相结合的方法，揭示了长江口C-P-OM(C代表粘土，P代表阳离子，OM代表有机化合物)复合絮凝形成过程及变化机理，并对颗粒态金属污染物在细颗粒泥沙作用下的分布规律作了详细探讨。(1)长江河口实测期间絮凝颗粒粒径均值为63.2μm，是分散单颗粒粒径的10倍多，实测最小絮凝颗粒粒径为27.4μm，最大为107μm；在盐水入侵
第三节河流泥沙的基本特性 一、几何特性 泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。 泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。 对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛 径。采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静 水中的沉降速度，按照粒径与沉速的 关系式((3-2))反算出粒径。 泥沙的组成常用粒配曲线表示。 即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒 径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙 的总重量，算出小于某粒径的泥沙占 总沙样的重量百分数，在半对数纸上 图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线 绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。 据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗 细及其组成的均匀性。如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。 根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。 二、重力特性 1．泥沙的容重与密度 泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。