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

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(长江科学院 河流研究所，武汉 430010)

自20世纪80年代《长江科学院院报》创刊以来，发表在该刊的有关水流泥沙运动规律、河流泥沙与河道治理方面的论文共计达300余篇，其中2000年以后发表的论文数占到了70.8%。按发表人员所属单位统计，长江科学院河流研究所共发表论文256篇，占83.11%；从发表的论文内容来看，有关水流泥沙基本理论研究有80篇，有关河流工程实践有200篇，设备仪器研发有16篇，软件开发有12篇。

在长江科学院(以下简称“长科院”)河流研究所发表的论文中，集中反映了：①紧密结合长江流域防洪规划、长江中下游干流河道治理规划、长江中下游干流河道采砂规划与长江流域综合规划等方面的研究成果；②三峡、葛洲坝、丹江口等枢纽坝区、库区及下游河道泥沙，以及南水北调和长江其他支流枢纽泥沙问题的成果；③长江河道崩岸机理与防治技术、重点河段河道整治及水利血防技术方面的成果；④长江防洪模型建设与应用方面，以及在桥梁、电厂、港埠码头、跨江管道、隧道等方面的研究成果。现从长江河流泥沙、河流模拟及河道治理研究3个方面的成果进行分述。

1 长江河流泥沙研究成果

1.1 水流运动基本规律研究

河道水沙运动基本理论研究不仅有助于推动本学科的发展，而且可以深入认识与解决长江治理开发利用中的工程泥沙问题。长科院河流研究所在长江河道天然水流运动特性及水工建筑物局部水流运动规律方面开展了进一步的研究。

(1) 在河道水流运动规律方面，张植堂等[1-2]分析了荆江、水库库区的水流特性和运动规律，提出了河湾水流垂线平均流速公式、水流动力轴线弯曲半径以及河湾主流顶冲部位的表达式，对长江上游河床卵石起动流速表达式进行了讨论；卢金友[3](1990)推导了适用于长江中下游河道的流速分布公式；姚仕明等[4](2005)采用ADCP设备观测了三峡黄陵庙水文断面的流速分布；徐海涛等[5](2005)对天然弯道的雷诺应力进行了分析；刘同宦等[6](2007)对有一定交汇角度的汇流水域的水流结构进行了实验观测研究；朱代臣等[7](2008)等实验观测了Y型加糙物周围水体的运动规律。

(2) 在水流运动数值模拟研究方面，董耀华[8](1996)采用数值模拟的方法研究了弯道水流的基本特性；周宜林[9](2001)采用大涡模拟的方法从更精细的角度揭示丁坝局部水流结构及运动规律；张细兵等[10](2006)采用平面二维模型模拟了溃坝洪水的演进过程。

通过以上实测及模拟研究，迅速掌握了长江的水流运动特性及典型涉水建筑物附近的水流结构，为进一步了解其泥沙运动及河床变形规律打下基础。

1.2 泥沙运动基本规律研究

在泥沙运动基本规律研究方面，长科院河流研究所对长江天然泥沙起动、推移质输沙、各类模型沙起动与沉降、长江泥沙来源等方面集中开展了研究，对深入了解长江泥沙输移规律、准确模拟长江河道有重要意义。

1.2.1 泥沙起动研究

在泥沙起动研究方面，卢金友[11-12]等对长江中下游的泥沙起动公式进行了探讨，并对长江上游的推移质起动和输移进行了研究；姚仕明等[13](2001)研究了弯道水流中的推移质起动输移；徐海涛等[14](2011)研究了不连续宽级配推移质的输移规律；金中武等[15](2014)研究了壅水条件下的推移质起动和输移。

1.2.2 泥沙来源分析

在泥沙来源分析方面，刘毅等[16](1995)对长江上游流域的地表侵蚀与河流泥沙输移进行了定量分析；董耀华等[17](2008)对长江中游干流河道的输沙特性和变化趋势进行了初步分析；胡向阳等[18](2010)对长江中下游在三峡水库蓄水前后的输沙变化规律进行了研究。

1.2.3 泥沙特性研究

在泥沙特性研究方面，师哲等[19](2000)和孙贵洲等[20](2007)分别对粉煤灰模型沙和亲水性树脂基复合模型沙的力学特性进行了研究；孟震等[21](2011)从数学公式推导的角度对床沙的二维相对隐蔽度和起动特性进行了研究。

1.2.4 工程泥沙研究

在工程泥沙研究方面，为治江事业提供科技支撑，紧密结合水利工程开展科学研究，先后对三峡、穿黄、南水北调等工程泥沙问题开展了大量的研究。如张植堂[22](1988)系统研究了水库淤积末端相对高度问题；殷瑞兰等[23](1989)对葛洲坝枢纽三江下引航道水流结构及淤积规律进行了研究；叶树森等[24](1989)分析了葛洲坝工程三江航道“动水冲沙”的效果；梁中贤等[25](1997)研究了三峡工程二期施工通航和泥沙等问题；魏国远等[26](2001)研究了三峡水利枢纽坝区泥沙问题；范北林等[27-28](2002)研究了穿黄工程与河势防洪的关系，以及南水北调中线工程调水后对汉江中下游河势的影响。

可见，长科院河流研究所对泥沙运动基本规律的研究，主要集中在泥沙起动输移规律和模型沙物理特性2方面，而且将研究成果直接的应用于解决实际工程中的泥沙问题，既丰富了学科基础内容，又具有较大的工程价值。

1.3 河流动力学交叉学科研究

近年来河流研究所通过引入新的科学研究方法对河流水流泥沙、河流生态及环境泥沙等方面的研究，取得了较多的成果。

1.3.1 非线性科学分析方法

非线性科学分析方法包括分形理论、神经网络、小波分析及熵理论等。周银军等[29](2011)采用分形理论研究床面分形特性及其物理涵义；王洪虎等[30](2012)采用分形理论研究宽级配泥沙分形特性及其输移规律；李健等[31](2007)采用极值原理与熵理论研究河道演变；张慧[32](2004)应用概率神经网络预测河床床面形态变化；蔺秋生[33](2009)应用小波理论分析宜昌站的水沙径流量变化的周期性，这些研究为非线性科学深入河流泥沙研究提供了思路和实践经验。

1.3.2 血吸虫防治研究

血吸虫涉及到生态水利领域，为当前研究的重点问题。张威等[34](1994)参考泥沙起动流量模式研究了钉螺起动流速；童凡等[35](2007)进行了沉螺池的拦螺墙布置试验；王家生等[36](2007)讨论了环境变化对钉螺扩散的影响；在此基础上，魏国远等[37](2009)对中层取水防螺措施进行了优化研究；卢金友等[38](2011)则探讨了“平垸行洪、退田还湖”对血吸虫病扩散的影响及对策。目前，从动力学和生态学角度开展水利血防研究已经成了长科院河流专业特色之一。

2 河流模拟研究成果

2.1 物理模型

物理模型作为河流模拟重要的研究手段，长期以来在工程泥沙领域发挥着关键作用，长科院河流研究所科研人员在进行大量物理模型试验工作的同时，亦对物理模型的一些基础问题进行了研究，如：殷瑞兰[39](1990)研究了河工模型的阻力相似问题；姚仕明等[40](1999)研究了实体模型变率问题；孙贵洲等[41](2010)、廖小永[42](2010)分别研究了长江防洪实体模型垂线流速的相似性及悬移质泥沙运动的相似条件；李发政等[43]则分析了长河段河工模型时间变态影响及水沙过程控制方式。上述研究丰富了河流研究所在河工模型方面的研究成果，促进河流研究所成为了国内河工模型研究的权威单位，并编制了国家行业标准《河工模型试验规程》。

在河工模型测控设备方面，黄建成等[44](1998)进行了河工模型自动加沙控制系统设计与应用；龙超平等[45](2002)对长江防洪模型中关键技术问题进行了初步探讨，指出了模型测控方面有待加强的地方。近年来，河流研究所与高校合作，对新型实验设备研发进行了探索，研发了大量实用的模型设备仪器，主要有：范北林等[46](2006)河工模型三维地形测量系统；林木松等[47](2007)河工模型专用智能水表；吴新生等[48](2010)潮汐模型变频生潮与量测控制系统；许明等[49](2012)河工模型试验供水供沙系统的自动化控制设备，以及胡向阳等[50](2014)基于医用B超技术的含沙量测量仪器。

2.2 数学模型

在数学模型研究方面，范北林[51](1993)研发了河道平面二维泥沙数学模型；董耀华[52-53](1994，1995 )研究了天然河道长河段一维非恒定流数模和河口潮流河段二维非恒定流数模。这些模型具有较高的计算效率和实用价值，为河流研究所后来的数学模型研究和工程应用奠定了基础。随着计算机技术的发展和工程需要，黄仁勇等[54](2009)又相继研发了可模拟梯级水库水沙输移和河道演变的一维模型；宫平等[55](2002)做了江湖联算一维水沙数学模型研究；董耀华[56](2001)作了河势贴体河道平面二维正交网格模型研究；张杰等[57](2006)进行平面二维温排水数学模型研究；孙先等[58](2012)和胡德超等[59](2013)进行了立面二维模型和三维水沙模型研究；万远扬等[60](2008)进行了水沙数学模型在线计算；张细兵等[61](2014)作了基于Google Earth的可视化平台开发。上述数学模型不仅在模型计算方面有较好的研究成果，还重视后处理可视化和新技术的引入，这一系列模型和方法经过实践检验后成为了长科院“HL”系列模拟软件的基础。

3 长江河道治理研究成果

长科院河流研究所自成立以来，就开始应对长江河道治理与工程泥沙方面的治江科技需求，近30a来结合长江流域防洪规划、长江中下游干流河道治理规划、长江中下游干流河道采砂规划以及长江流域综合规划等方面的研究，积极参与长江重点河段河道整治、河道崩岸机理与防治以及江湖关系控制等工程实践，形成以下重要研究成果。

3.1 河道演变分析

潘庆燊等[62-63]在1997年开展了长江中游宜昌至城陵矶河段河道演变分析，2001年进一步研究了近50 a整个长江中下游的河道变迁；夏细禾等[64](2000)针对分汊河型，研究了长江中下游河道的稳定性；殷瑞兰[65](2002)则针对了蜿蜒性河流研究了其演变机理。

3.2 河道整治工程及技术研究

在河道整治工程及技术研究方面，夏细禾等[66](2001)研究了河岸窝崩灾害与治理措施；潘庆燊等[67](2005)系统提出了长江中下游分汊河段的整治原则与方法；姚仕明等[68](2006)则进行了抛石护岸工程试验研究；黄悦等[69](2013)初步提出了长江中游河床下切控制节点。

对长江中下游的典型河段，沈惠漱等[70](1990)研究了界牌河段的综合治理方案；卢金友等[71](1996)进行了武汉河段整治研究；林木松等[72](2006)分析了长江镇扬河段近期河床演变趋势及整治措施，吕丽君等[73](2009)对长江马鞍山河段河道演变及整治进行了研究。

3.3 江湖关系变化与控制措施

长江中下游水系发达，近年由于三峡水库蓄水影响，江湖关系发生变化。对此，河流研究所开展了大量研究。如罗敏逊等[74]在1998年开展了荆江与洞庭湖汇流区演变分析；唐日长[75]在2001年开展了荆江四口控制工程初步研究；宫平等[76]开展了试析荆江四口建闸控制对江湖冲淤的影响；卢金友等[77-78](2009，2014)探讨了长江中游下荆江调弦口治理方案及三峡水库运用后其下游江湖演变与治理的若干问题。

4 河流泥沙、河道治理研究与展望

随着长江以防洪为主的“治江三阶段”任务已基本付诸实施，长江水利发展进入了新的历史时期。需在认真总结以往研究工作的基础上，紧密结合未来社会经济发展的需求与科技进步因素，展望河流专业发展的未来。

(1) 应加强长江流域宏观泥沙问题研究，主要包括流域水沙分布规律及其变化、大区域大面积水沙运移规律、大型水利水电工程泥沙问题、多工程叠加累计的泥沙问题与环境效应。

(2) 深入长江流域中细观泥沙问题研究，在以往泥沙研究与工程实践的基础上，进一步开展非均匀沙输移规律、长距离不平衡输沙规律、河床地貌演变机理、江湖演变机理、崩岸机理，以及人类活动条件下河道演变特性等方面的研究。

(3) 应突出长江河道与湖泊的综合治理研究，主要研究长江河道与湖泊多功能多目标的综合治理方向、整治技术及防洪抢险与护岸工程加固技术等。

(4) 加大治江重大课题的研究力度，更好地服务于治江事业，以长江防洪模型为依托，深入开展三峡及干支流控制性水利水电工程建成后长江中下游防洪形势及对策的研究、开展大型水利水电工程运用后泥沙问题后评估与长江流域水沙多维调控理论与关键技术等方面的研究、开展防止钉螺扩散新技术以及水沙环境与江湖关系变化对钉螺扩散的影响及防治对策技术等方面的研究。

(5) 改进与完善传统的研究手段，尤其需要关注泥沙学科的新理论，借助高新技术手段研究本学科的问题。未来一段时间，只有通过加强长江流域宏观泥沙问题、深入长江流域中细观泥沙问题、突出长江河道与湖泊的综合治理等研究，方能服务于更大范围和更高目标的治江事业，提升长科院河流专业在本行业内的学术地位与影响力。

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