探寻河流泥沙的研究历程

传统的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。解决水利工程中的泥沙问题,与人们的治水治沙实践分不开。我国古代李冰父子早在公元前256年左右修筑都江堰引水工程时(见图6-1,徐幕菊,1981),已经充分掌握了弯道水流泥沙的运动规律,体现在:

图6-1　都江堰引水工程图

(1)修筑鱼嘴分流分沙。小水时流路走弯,较多的水量分入内江;大水时流路走直,较多的洪水通过主河道即外江泄洪,保证了位于内江的宝瓶口始终分得较为稳定的流量和较少的沙量。

(2)利用弯道环流作用。底部粗颗粒泥沙从凹岸向凸岸运动,把引水口(宝瓶口)布置在弯道的凹岸,减少了进入引水口的泥沙。

(3)在宝瓶口的上游修筑飞砂堰,连通内外江。小水时不过流,大水时分流分沙,使得大洪水时泥沙通过飞砂堰排入外江。此外,由于宝瓶口的壅水作用,大部分泥沙沉积在宝瓶口前,便于在枯水期清理。(www.xing528.com)

(4)鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三者结合一体,使灌区只引进挟沙较少的清水,而岷江挟带的大量砂卵石则由排洪河道的外江宣泄,每年冬末岁修淘淤。

研究表明,都江堰工程在设计与工程布置中都巧妙地利用了水流泥沙运动特性,完全符合现代泥沙运动力学原理。这是都江堰工程运行2260年,历久不废的根本原因和基本经验。

至于黄河的治理,早在公元69 年东汉王景治河时期,就采取了“防遏冲要,疏决壅积”的“防”、“疏”兼施的办法;至16世纪中叶,明代潘季驯治黄期间,黄河上的堤防系统,“有缕堤以束其流,有遥堤以宽其势,有滚水坝以泄其怒”,已达到了相当完备的地步。特别值得提出的是,潘季驯在长期治河实践中提出的“水分则势缓,势缓则沙停,沙停则河饱”,“水合则势猛,势猛则沙刷,沙刷则河深”等关于水沙关系的科学论断,与近代水流挟沙力的概念是完全一致的。他在此基础上提出的稳定河道,坚筑堤防,束水攻沙,借清刷黄的治河方针,在当时的历史条件下,也是有一定的见地的。

尽管国内外河道治理不乏成功的例子,但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。早在19世纪末期,法国的DuBoys(1879)第一次提出推移质运动的拖曳力理论。Gilbert(1914)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(1938)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,至今还在广泛地应用。

一门学科通常都是在人们长期实践基础上,由科学家不断提炼和升华而建立的,泥沙学科也不例外。在欧美,Einstein、Bagnold、Engelund等奠定了传统泥沙学科的基石。泥沙运动既是确定的也是随机的,Einstein(1950)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。特别突出的是该计算公式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,基于对泥沙运动物理过程的深刻理解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,具有较高的计算精度。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20世纪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后人称之为拜格诺数(Bagnold Number)。Engelund(1966、1974、1982)基本上遵循Einstein 和Bagnold的概念和体系,结合经验总结进行了深入研究。

在我国,张瑞瑾(1961)、沙玉清(1965)、钱宁(1983)等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础。随着20世纪50年代以来大江大河治理的推动,我国的泥沙专家逐步发展与完善了泥沙学科体系;在理论研究上取得了国际领先水平的成果,如非平衡输沙理论、高含沙水流运动理论、水库泥沙控制理论等;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。特别是在老一代科学家的培养和带领下,泥沙学科人才辈出,成为水利诸学科中最活跃的学科之一。