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一、主要研究内容 该项目主要以黄河和长江等流域为例，研究大江大河泥沙灾害的形成机理以及相应的防治措施。整个项目分为6个课题。 1．流域系统中泥沙产生与致灾机理 以黄河流域和金沙江下游为研究区域，探讨了泥沙侵蚀、输移及泥沙沉积类型与地貌类型及其形态过程的关系，并据此进行泥沙灾害综合类型的划分及孕灾环境分析，从宏观角度把握微观泥沙运动及其致灾机理，实行地貌学与泥沙运动力学相结合，建立了不同流域系统中泥沙运动数学模型，揭示了泥沙运动的人类活动影响及空间尺度效应，为防治流域泥沙灾害提出了科学建议。 2．流域泥沙灾害过程规律 将地貌学的宏观研究方法和泥沙运动力学研究方法结合，应用相邻学科近年来发展的新理论进行泥沙灾害过程规律研究。采用人工神经网络、自组织理论、生物快速评估方法、层次分析优化方法、数据流机集成方法、泥沙灾害数学模型、遥感和CIS等方法和技术，重点研究了泥沙灾害理论体系、泥沙灾害的时空分布规律、泥沙灾害的评估方法、泥沙灾害的预测模型、泥沙灾害信息系统、人类活动与泥沙灾害的关系等。 3．泥沙运动对江河洪水灾害特性的影响机理研究 主要研究河床淤积过程对过洪能力的影响及萎缩性河道演变机理、高含沙水流形成机理和长距离输送的影响因素、河道疏浚防洪减淤效果及对环境的影响，以及水沙变化对河口萎缩的作用机理及防治措施。具体包括：河床淤积过程对过洪能力的影响及萎缩性河道演变机理、输水输沙能力的变化规律及防洪对策，人类活动对黄河泥沙淤积规律和行洪能力的影响及防治，高含沙水流形成机理和长距离输送的研究，以及高含沙水流和一般洪水交替作用下的河床演变规律，河道疏浚防洪减淤效果及对环境的影响。 4．泥沙运动对江河洪水调节能力的影响机理 以“荆江洞庭湖区”为背景，以该区域的蓄滞洪区，人湖尾闾泥沙淤积，土地利用对洪水调节能力及下游河道淤积与行洪能力的影响为研究对象，将河网数学模型、资料分析及概化模型试验结合起来，建立适应研究符合河网水沙运动的数学模型，据此研究泥沙运动对江河洪水调节能力的影响问题，为蓄滞洪区的治理提供科学依据。具体包括：蓄滞洪区泥沙淤积对下游河道淤积及泄洪能力的影响，蓄滞洪区土地利用对防洪调节能力的影响，蓄滞洪区泥沙淤积及土地利用对洪水的影响，防治洪水和泥沙灾害的对策。 5．江河泥沙灾害防治理论与方法 以江河泥沙灾害防治研究为目标，以多学科联合攻关的方式，并结合黄河防灾兴利试验区研究，探索泥沙侵蚀规律及防治方法、淤积机理及其泥沙灾害防治；研制和开发泥沙灾害防治的决策支持信息系统。具体包括：坡面泥沙侵蚀规律及其防治方法，泥沙淤积机理及泥沙灾害防治对策，防灾兴利现场试验，泥沙灾害防治的决策支持信息系统开发，同时开展了引黄灌溉兴利现场实验、实体模型试验和挖沙疏浚方案的论证模型试验。 6．泥沙灾害预测数学模型及可视化理论 对泥沙运动的基本理论进行了深入的研究，理论分析并结合实验解决非平衡输沙、滩槽泥沙交换、分流分沙计算等问题。以先进的泥沙运动理论为基础，开发出预报江河泥沙灾害的数学模型，并进行数学模型与CIS一体化集成的理论与技术研究，实现数学模型的高度可视化。具体包括：不平衡输沙的基本问题，滩槽交换机理、分流分沙关系，高精度、高稳定的计算方法，江河泥沙灾害数学模型程序的开发、验证及应用，数学模型与GIS的集成及三维可视化技术，以及两相流基础理论研究。 二、技术路线和创新点 该项目以泥沙在流域系统中的运动为线索，以江河泥沙灾害为研究对象，以流域中各类典型泥沙灾害成因及其内在规律的研究为基础，通过对泥沙运动、江河洪水灾害特性以及江河洪水调节能力关系的研究，提出江河泥沙灾害及洪水灾害的防治方法，并在泥沙灾害预测数学模型等方面取得突破。流域系统中泥沙运动过程和影响需要综合各类宏观地学因子酌影响，包括气候、地质、植被、土壤、地形和人类活动等，并反映流域系统中泥沙的不同运动方式和泥沙致灾的关系，属于泥沙运动力学与地貌学交叉的研究。 在基金委和水利部以及众多专家的支持下，通过5年的努力，顺利完成了项目预期的研究目标，在理论、方法、机理、技术和工程应用等方面取得了创新成果。在理论上，构建了灾害学的理论体系，提出了非恒定水流输沙过程中的“河床惯性”概念并通过实验进行了验证。在方法上，建立了三维数学模型，在三峡库区泥沙冲淤应用方面取得了较好的效果；建立了河网神经网络水沙数学模型，在洞庭分汊水流研究方面得到了有效的应用；提出了分洪区洪水风险快速预测和快速反馈方法，在荆江分洪区内安全区附近洪水风险应用方面取得了预期的效果，比基于常规水动力学模型的预测速度大幅度提高；提出了泥沙灾害的快速评估方法，并应用到水土流失的快速评估和尺度效应研究中；建立了黄河下游溃堤数学模型，并实现了基于四叉树的高效数值解法。在机理研究方面，分析了水保减沙效益的临界特性，得到了不同目标条件下应实施的流域最小水保规模；揭示了全新世以来黄河下游自然与人类加速沉积的机理，给出了1.3万年以来各个阶段黄河下游沉积变化规律的定量研究结果。在技术开发方向，结合各课题需求，重点对GIS与数学模型的集成技术进行研究，实现了基于数据流机的GIS模型集成。在工程应用方面，获得了一批有价值的研究成果，提出了利用水库调节减缓库区及其下游河道泥沙淤积的措施，对黄河下游挖河固堤效果有了初步认识。在总体上，对泥沙灾害学的理论体系的各个方面取得了突破性成果，完成了专著《江河泥沙灾害形成机理及其防治研究》。 三、成果特点 河流地貌过程与泥沙的侵蚀、沉积密切相关。过去对河流地貌的研究多停留在定性或半定性的阶段，随着近年来水力学、泥沙运动力学、颗粒流力学及流变学的进展和先进测试技术的出现，已有可能对河流地貌学，尤其是对地貌“过程”进行定量的描述。注意到现代过程与历史过程的复杂响应关系，国际上许多优秀的学者都在力图寻找这种关系。欧美在这方面的工作已开展多年，但真正由地学家与水利学家结合进行的跨学科研究并不多。在我国也基本上是由地学家与水利学者从两方面进行平行的研究。目前，在这一领域存在的主要问题是：如何将相邻的力学研究领域的最新成果用来描述地貌过程?如何将泥沙在短时间尺度内的运动规律用于解释时间尺度相对较长的地貌形成与发育的历史过程?如何合理地考虑地貌类型对水沙运动规律的影响?这些问题伴随着整个泥沙运动的过程，即泥沙的侵蚀、搬运和沉积过程。 无论是从泥沙微观运动还是从泥沙运动的宏观效应来看，过去相当长的时间里流域泥沙运动被看成是二种独立的自然过程。真正使人们从全新的角度看待流域泥沙运动及其结果是在20世纪80年代以后。80年代后期，全球性“国际减灾十年”活动的开展，极大地丰富了泥沙研究的内容，江河洪灾问题、水土流失问题、荒漠化问题、泥石流和滑坡问题、河口海平面变化和泥沙沉积相互关系问题都在泥沙研究中得到了体现。进入90年代后，全球关注的环境问题和可持续发展的战略对泥沙研究提出了新的要求，泥沙运动从纯自然过程不可避免地变成了与社会、经济和环境密切联系的综合问题，成为区域可持续发展中的一个活跃因子，并已成为国内外学者从诸多视角关注的目标。 纵观国内外以往进行的泥沙研究工作，具有下列特点：关于局部地域泥沙微观运动机理和流域地貌系统的研究较多，而将泥沙运动纳入流域系统考察“微观运动”与“宏观效应”响应关系的则较少；关于流域系统局部区域泥沙灾害的研究较多，而关于流域泥沙灾害过程或将流域系统中各类泥沙灾害关联考虑的研究则较少；关于泥沙自身运动规律的研究较多，而关于泥沙沉积这一重要过程引起的江河洪水灾害过程的研究则较少。 江河泥沙灾害系由泥沙的冲刷与淤积造成。为了有效地防治灾害，将水动力学、泥沙运动力学、地貌学和灾害学结合来研究泥沙运动及其与流域江河洪水灾害过程的关系无疑是最佳途径。该项目研究成果的特色主要表现为： ①将现代水沙两相流理论与地貌学理论结合，对时间尺度跳跃较大的微观水沙运动过程与宏观地貌过程建立关系，切实体现了微观与宏观的结合、现代与历史的结合以及水利与地学的鲒合。 ②将泥沙运动过程和流域系统中泥沙灾害过程结合，对各类泥沙灾害及其间关系进行对比研究，使得流域系统的泥沙灾害防治从单一区域、单一类型的防治理论发展为全流域优化防治理论，这方面的研究还很少见到。 ③将灾害学理论与泥沙运动学结合，以江河泥沙灾害作为主要研究对象，使得泥沙基础理论与当前最迫切需要解决的灾害防治问题相结合，在理论上取得了重大创新，丰富了灾害学的内容，拓宽了泥沙运动学的内涵。 ④将江河泥沙灾害预测数学模型和可视化技术以及灾害防治决策支持信息系统结合，使得本项理论研究具有很高的实用价值。 四、意义及推广情况 1．项目的意义 流域泥沙灾害从根本上来说是泥沙在其侵蚀、搬运和堆积过程中给人类社会带来灾祸的自然现象和过程。在流域泥沙灾害中，江河泥沙灾害尤为突出。近年来，连年的江河灾害已为世人瞩目，有效地进行江河泥沙灾害防治已迫在眉睫。 进入20世纪90年代以来，我国洪水灾害造成的损失令人触目惊心，洪涝灾害造成的损失逐年增加，“小水大灾”的现象不断出现。近年来江河灾害的主要特点是“流量小、水位高、流速慢、范围广、灾情重”。除防洪意识、防洪管理和防洪工程建设方面尚存欠缺外，造成江河灾害的直接原因主要有：①流域水土流失使得大量泥沙进入河道；②河道淤积使得同流量下水位越来越高；③泥沙淤积使得洪水推进速度明显减慢；④围垦和泥沙淤积使得河湖蓄滞洪水的能力减弱。类似的问题在不同的江河都不同程度地存在。由此可见，江河泥沙运动已成为近年来加剧江河洪灾的根本原因之一。因而，从深层次揭示泥沙灾害形成规律并寻找相应的防治理论和方法已成为当前摆在我们面前的最迫切的基础性研究课题。年复一年，江河灾害频发，灾害范围越来越广，灾害损失越来越大。以往大洪水引发大灾，而今洪水不大却也常常带来大灾。其根源何在?大灾后水利工作者在反思，政府部门在反思，关心我国国民经济建设的人们都在反思。 关于泥沙的“微观运动”和流域地貌的“宏观效应”对应关系的探索正越来越受到重视，关于流域系统中不同区域的各类泥沙灾害及其成因正被越来越多地关联考虑，同时泥沙沉积这一重要过程在经济高速发展的新的历史时期加剧的江河洪水灾害过程和“小水大灾”现象已越来越受到关注。此外，人类活动的影响也越来越紧密地被纳入传统的自然过程研究中来。为了有效地防治灾害，将水动力学、泥沙运动力学、地貌学和自然灾害学结合来研究泥沙运动及其与流域江河洪水灾害过程的关系，无疑已成为今后研究的必然趋势。 2．项目成果的推广情况 一些成果已经得到推广应用。例如，小流域水土保持生态建设决策支持系统已在四川和重庆得到了初步应用，表明该研究具有很好的应用前景；有关天然河流洪水冲刷深度的计算公式已经应用于中国石油天然气穿河埋设管道的技术规范中；有关复杂河网区水沙数学模型以及蓄滞洪区二维水沙数学模型已经在洞庭湖区、长江杜家台、永定河泛区、淮河等复杂河网地区推广运用，取得了较好的经济效益；有关水土流失防治模式已在东营至香港(口岸)国家重点干线公路建设中得到应用。成果完成后正在被更加广泛地推广使用。 ■
主要成员简介： 王兆印 1951年10月生，1979年毕业于中南工业大学，1985年在中国水利水电科学研究院获博士学位，现为清华大学水利系教授、国际泥沙研究培训中心副秘书长。主要从事非恒定流输沙理论和高含沙水流研究。 王光谦 1962年4月生，1982年毕业于武汉水利电力学院，1989年在清华大学获博士学位，现为清华大学水利系河流海洋所所长，长江学者奖励计划特聘教授，全国政协常委。主要从事水力学与河流海岸动力学研究。 责任编辑
王晓平 |