风雨泥沙三十年

 

清华大学水电系教授 张  仁

清华大学水电系教授  费祥俊

清华大学水电系教授  王桂仙

 

     我国是世界上多沙河流最多的国家，我国的黄河是世界上水流含沙量最高的大江大河，其年平均含沙量高达37公斤/秒立方米。在我国修建水利水电工程都会不可避免地碰到泥沙问题，工程实际的需要推动了泥沙研究的蓬勃开展。清华大学水利系是泥沙研究的一支重要力量，几十年来积极开展了黄河、长江等江河工程泥沙问题及泥沙基本理论的研究，取得了丰硕成果。

 

    一、关于集中治理黄河多沙粗沙来源区的研究

    黄河治理的关键是泥沙问题。黄河是一条多沙河流，在黄河下游河道中泥沙不断淤积，河床高出两岸地面，形成高悬于华北大平原上的地上河，一旦发生决溢，黄水泛滥，将对人民的生命财产造成巨大的损失。建国以来，虽经50多年治理，伏秋大汛黄河没有发生决口灾害，但黄河下游的洪水威胁，依然是我国经济建设和社会发展的心腹大患。

 

    黄河泥沙造成的危害在下游，而根源则在黄河的中游。黄河的中游是黄土高原，是入黄泥沙的主要来源，做好中游的水土保持工作，减少入黄泥沙，是治理黄河的根本。但是黄河中游地域辽阔，治理任务艰巨繁重，因此，通过研究黄河泥沙产生、输移、沉积的规律，认清黄河下游河道长期不断堆积抬高的原因，从而明确黄河中游水土保持的主攻方向，为治理黄河找到了一条有效的途径，获得了有关部门的肯定和国家的奖励，这就是钱宁教授等清华大学水利系教师以及有关部门同志在泥沙学科上为黄河治理工作作出一项重要贡献。

 

    钱宁教授1955年从美国学成回国后，就投身于黄河治理的研究工作。在实地考察和资料分析中，发现一普遍存在的现象，在河床深层的淤积物中，绝大部分泥沙的粒径都大于0.05毫米。这种作为黄河下游河道淤积主体的粗泥沙在黄河每年的来沙中大约占3亿到4亿吨。它们是从什么地方来的，是怎样淤积到黄河下游河道中的？后来，经过对黄河中游的地表物质组成和粗细泥沙输沙模数的地区分布进行了广泛的调查和分析，弄清了黄河中游输沙最多的（输沙模数大于10000吨/平方公里 年）的3片地区，同时也查明了其中两个地区也就是构成下游河道淤积的粗泥沙的主要产区，这样，危害黄河下游的粗泥沙是从哪里来的这个问题就得到了解决。但是，粗泥沙是在什么条件下搬运到黄河下游的呢？这个问题在钱宁教授的脑海里还是没有解决。

 

    1973年钱宁教授被调进清华大学水利系，来到黄河三门峡的教学基地工作，又恢复了对黄河治理工作的研究。钱宁组织清华大学水利系教师对三门峡水库建库以来19年中黄河下游发生的103次洪峰逐个进行了分析。一方面查明了每个洪峰通过黄河下游后，在河道中究竟造成了多少冲刷和淤积。另一方面，利用黄河中游大量水文站网的资料，查明这些洪峰是从哪里产生的。分析结果表明，在103次洪峰中，有13次洪峰来自粗泥沙产沙区，虽然洪峰次数只占总次数的12.6%，但它们在黄河下游河道中造成的淤积量却占全部洪峰总淤积量的59.8%。在黄土高原43万平方公里的水土流失区中，有80%的粗泥沙来自10万平方公里，其中5万平方公里的产沙量就占到粗泥沙总量的一半，这样就可以很容易得到结论：这个5~10万平方公里的粗泥沙来源区应该作为水土保持工作的重点，应该首先集中力量把它治理好。

 

    这项研究成果发表后，得到了主管部门黄河水利委员会的充分肯定，也得到广大学术界的赞同，被誉为是“治黄指导思想上的一个重大突破”，并于1982年获得了全国自然科学奖二等奖。从那时以来，在历次黄河中游水土保持规划中，都把“集中治理多沙粗沙来源区”作为指导方针，在工作中发挥了重要作用。

 

    二、高含沙水流运动研究

    我国北方水土流失严重，河流含沙量高，尤以黄河中游为甚，有的支流一场洪水最大含沙量有达1500公斤/立方米，这种大面积高含沙水流在国外很少见到。高含沙水流给水库、河道和所在河流的水资源开发利用带来一系列问题：由于来水含沙量高，使水库泥沙淤积严重，我国北方河流的水库寿命普遍较短，黄河三门峡水库1960年建成，虽然在水库运用方面采取很多措施来减少库区的泥沙淤积，但到1990年淤积库容达56.9亿立方米，占原始库容的59%。高含沙水流对河道泥沙淤积及带来的问题更加严重，据1960~1983年黄河下游8次高含沙洪水统计，来水来沙分别占该时段总水沙量的2%和14%，但淤积量却占该时段总淤积量的54%，淤积使河床逐年抬高，被迫用加高两岸堤防来防御洪水，天长日久，出现一条横贯华北平原，高出堤外地面的地上“悬河”，这种罕见的奇特地貌构成中华民族的心腹之患。治水先要治沙，早已是历代治黄工作者的共识，而治沙的关键之一是要解除河道中频繁出现的高含沙水流带来的危害，则是近几十年来由于黄河水资源开发利用程度提高才被人们所认识。

 

    清华大学水利系是在70年代后期开始从事高含沙水流运动的研究，1977年10月在兰州召开的黄河干流大型水库泥沙观测研究成果交流会上，钱宁教授提出“西北地区高含沙水流运动机理的初步探讨”，是第一次关于高含沙水流运动的研究，随后引起我国很多有关单位投入研究。1980年美国华盛顿州圣海伦火山爆发，火山灰进入下游河道引起高含沙水流造成严重后果，因而我国这方面的研究又引起国外同行的密切关注，通过互访交流又促进了我国的研究。1980年以来，清华大学水利系泥沙研究室对高含沙水流的形成与汇流过程，高含沙水流的流变特性，细颗粒泥沙的絮凝与沉速，以及高含沙水流的阻力与流速，高含沙水流的输沙特性与研究取得较系统的成果，在学术刊物和国际学术交流会上发表有关论文20余篇，1984年泥沙研究室组织国内的高含沙水流研究成果交流会，1985年9月还在北京召开由美国，加拿大，西德和中国参加的国际高含沙水流运动学术讨论。由钱宁主编，夏震寰、费祥俊、张仁、宋根培、杨美卿、王兴奎等参加编写的《高含沙水流运动》专著，集中地反映这一阶段的研究成果，该书出版后受到学术界的普遍重视与好评，先后被评为第六届全国优秀科技图书一等奖，高教出版社科技著作特等奖，同时这一研究项目还获国家教委科技进步一等奖，发表的有关论文和专著被科研人员和设计单位广泛引用，个别单篇被引用次数，据不完全统计在30次以上。

 

    1986年以后，研究进一步深化，把重点转移到高含沙水流的两相非均质流的特性上来，这项研究具有以下特色：

   （1）更紧密结合实际。以黄河为背景，研究高含沙水流对黄河下游河床演变的影响，高含沙洪水的异常高水位及洪峰流量沿程递增现象，高含沙水流的挟沙能力与调整机理，以及高含沙水流远距离输沙参数的计算等等，这方面的研究成果除在学术刊物上发表的论文以外，还反映在“八五”国家重点科技攻关项目“黄河治理与水资源开发利用”有关专题报告及《黄河下游河道演变基本规律》一书中，其成果获水电部科技进步二等奖。

   （2）与其它学科相互交叉和渗透。一方面将河道明渠高含沙水流研究与管道中高浓度浆体输送相结合，使我国浆体管道输送技术得到很快发展，在大量试验基础上建立了管道输沙的阻力及不淤流速计算模型，从而可以摆脱传统的单纯依靠环管试验来确定上述参数的经验方法，设计中的我国山西盂县到山东潍坊，再至青岛的长距离输煤管道，年输煤能力700万吨，由泥沙研究室提供的管道输送流速和阻力计算的结果为设计单位所采纳，也得到国外合作设计者的好评。关于管道浆体输送的研究成果，也已有专著《浆体与粒状物料输送水力学》于1999年出版。

 

    另一方面是将颗粒组成相对较细的高含沙水流研究与不仅有细颗粒、还有大量粗颗粒的山区泥石流运动机理研究相结合，通过与有关单位共同申请科学基金，到泥石流现场观测等方式进行合作，取长补短使泥石流运动机理的研究从定性描述，逐渐进入量化，清华大学水利系提出的细颗粒含量对泥石流运动的影响的研究，已得到泥石流界普遍的认同；第一次应用泥沙运动力学方法求解粘性泥石流的运动流速与阻力，也获得初步成功，这为泥石流防治工作的规划设计提供依据，但泥石流的固体颗粒组成小至粘粒大至巨石，其运动机理远比高含沙水流复杂，要取得突破性进展还有很多工作要做。

 

    目前，我国西部开发的战略已开始起动，我国西部水土流失较重，水资源又短缺，同时西部也是我国泥石流频发地区，如何保护环境，减轻自然灾害，如何在缺水地区合理开发利用水资源，处理好泥沙问题，这些都需要本项研究提供技术支撑。

 

    三、长江葛洲坝水库回水变动区泥沙问题的研究

    葛洲坝工程是长江干流上的第一座大型水利枢纽。1970年开工后，因工程规模与设计标准，泄洪、导流、截流及枢纽整体布置，泥沙防治与通航条件等一系列问题当时没有解决，工程无法正常进行。1972年11月周总理带病主持会议，决定暂停施工，要求集中力量多作试验研究和修改设计。从1972年底起，水文、勘测、设计、科研、施工、航运部门和高等院校等50多个单位的工程技术人员参加了葛洲坝工程重大技术问题的科研协作和技术攻关。

 

    长江是我国东西交通大动脉，兴建葛洲坝工程必须保证不致对长江航道造成阻碍，航道内淤积和碍航的流速、流态分布，必须妥善地加以解决。泥沙淤积对航道影响，涉及到库尾、库区、坝区和下游4个部分。

 

    在修改初步设计阶段，由长江流域规划办公室、清华大学等单位派人到库区进行了多次调查研究，基本上查请了库区现状并探讨了水库蓄水后可能出现的主要泥沙问题。经过科研协调计划安排，由清华大学水利系负责库区回水变动区泥沙模型试验，长江水利委员会科学院负责进行库区泥沙淤积计算。

 

    由于长江三峡河段地形复杂，两岸溪沟众多，因此除了研究长河段泥沙冲淤的现象和规律以外，还要研究各个河段泥沙运动的不同的特性及泥沙冲淤的分布规律，以及这些冲淤变化对水流及航运条件的影响。

 

    长江三峡系峡谷与宽谷相间的河段，河床断面宽窄、深浅沿程变化很大，由于峡谷段汛期壅水，三峡区间洪枯水位变幅很大，峡谷段汛期壅高水位达40米。三峡区间汛期、枯水期河道沿程水流强度变化很大，洪水期峡谷上游的宽谷段水流减弱，而峡谷内水流汹涌，枯水期由于峡谷的壅水作用消失，峡谷上游宽谷段的流速又较大于峡谷内的流速。

 

    三峡区间河床由基岩及卵石组成，在自然情况下，水流挟沙能力远未饱和，但由于三峡区间汛期、枯水期河道沿程流速变化的特点，使推移质泥沙呈现逐段运移的特点。汛期在峡谷上游的宽谷河段落淤，汛后又从宽谷段搬运到下面的峡谷段，泥沙淤积常给航运带来困难，甚至出现断航，几天以后才能刷出航槽。汛期落淤的泥沙，要经过一个冬天才全部冲完。

 

    需要解决的主要技术关键有：三峡河段天然河道地形及水流特性的调查和实测资料的收集与分析；模型试验主要任务及模型相似准则的选定；模型设计和模型比尺的计算；模型沙的选择及其性能的测定；模型的验证和模型的系列试验及试验资料的分析等。

 

    试验研究工作自1972年到1978年共进行了7个年头。研究工作一直在钱宁教授指导下由惠遇甲和王桂仙主持进行的，参加试验的教职工10余人；两届在校的大学生50余人，以及其它试验人员共计110余人。

 

    试验研究工作以河流动力学和相似理论为指导，解决了以下几个重大技术难题。首先，解决了在同一个水库模型中同时进行悬移质和推移质泥沙试验的问题。在一般的水库模型中同时做到悬移质和推移质运动的相似是比较困难的，根据对葛洲坝水库回水变动区水沙运动特性的分析，对葛洲坝水库回水变动区来说，悬移质运动和推移质运动对航运的影响具有同等的重要性，悬移质运动关系到峡口滩的淤积和航运，推移质的运动关系到回水末端及沿程支流溪口滩的淤积和航运。因此，把这两部分泥沙运动所造成的冲淤变化都在模型中反映出来，是葛洲坝枢纽回水变动区模型试验的关键问题之一。根据资料分析和掌握了天然情况下试验河段中悬移质和推移质冲淤过程和部位是不同的，前者多是在峡口滩处大量落淤，后者汛期落淤于峡口壅水区末端。这为将悬移质和推移质分开进行试验提供了依据，使得能用不同的模型沙在一个模型上进行试验，以解决葛洲坝库区泥沙淤积及对航运的影响的问题。其次，根据试验河段泥沙运动的性质，整个河段都存在着显著的冲淤交替的现象，这一特征并不因枢纽的修建有根本性的改变，因此必须满足悬移质冲刷和淤积的同时相似，在模型设计中通过调整模型比尺和采用轻质塑料沙模拟悬移质泥沙，达到了悬移质泥沙冲刷和淤积同时相似的要求，在我国开创了在模型试验中应用轻质塑料沙先例。第三，充分发挥了轻质模型沙的优越性，为进行长系列年和多方案综合比较的试验开辟了道路，由于模型沙质量轻，活动性强的特点，加大了时间比尺，加快了模型中河床变形的速度，缩短了模型试验的周期，有利于进行重复和多方案的比较试验，提高了模型试验的效率。

 

    研究成果表明，由于葛洲坝工程是一座低水头水利枢纽，运用几年以后，库区悬移质泥沙可达到相对平衡，巴东以上河段悬沙冲淤变化规律较建坝前并没有发生本质变化，臭盐碛河段因非汛期水位略有壅高，走沙时冲沙强度减弱，冲开航槽的时间增长，但在走沙时，滩面水深仍有4米左右，可以保证一定的航深和航宽。扇子碛河段建坝以后主槽淤积，航道移到滩面，但因枯水季水位壅高，滩面水深加大，流量7000立米/秒时，仍能维持大于5米的航深。

 

    库区航道泥沙问题的研究，了解了枢纽蓄水后水流泥沙运动变化的普遍规律，为葛洲坝工程建设提供了科学的依据，同时也为泥沙学科的发展和动床河工模型试验的理论和技术的提高作出了重要的贡献，该研究成果被枢纽建成后实测资料证明是正确的。研究工作及其主要参加人员获得了国家科技进步特等奖的奖励。

 

    四、长江三峡工程泥沙研究

    长江三峡工程是治理开发长江的关键性骨干工程，有许多关键性技术问题，其中泥沙问题是最关键的技术问题之一，它的重要性主要表现在：长江三峡坝址处每年泥沙输移量为5.3亿吨，其中有细沙、粗沙也有卵石，修建坝高185米的三峡工程后，泥沙会不会很快淤满库区，使水库失去作用？在水库变动回水区内泥沙淤积是否会影响航道和港区，重庆港是否会变成死港？因泥沙淤积会使水库洪水位抬高多少，会造成上游移民的范围有多大？泥沙对枢纽船闸，升船机和电站正常运行有何影响。大坝下游由于清水冲刷，河床下切，枯水位下降对航运、取水以致堤防安全会不会造成不利影响。所有这些问题其研究的范围是大坝上下游1000多公里的河道，清华大学水利系泥沙研究室从70年代初在钱宁教授的领导下即开展了长江泥沙研究工作，建成了当时国内规模最大的室内泥沙模型――长达375米，模拟长江140公里长河段的物理模型。其后的20年中清华大学水利系连续承担了“六五”、“七五”、“八五”、“九五”国家重大科技攻关和研究工作，在三峡工程问题研究的每一个阶段都做出了贡献。

 

    80年代初期，在研究三峡工程150米方案时，清华大学水利系承担了其变动回水区的一个主要淤沙碍航河段――兰竹坝河段的试验研究，提出了用跳跃式试验方法进行长系列模拟试验的途径，使试验取得成功，并被国内兄弟单位采用。试验中首次提出了分汊河道在水库水面比降减缓到合适的数值时，河道会从分汊向单一河型转化，该成果得到三峡工程泥沙专家组肯定，本项目获得1987年度国家教委科技进步二等奖。

 

    在研究三峡工程不同正常高水位方案时，我们提出了172-142米和汛后推迟蓄满水库的方案，使汛期长江泥沙顺畅下泄，汛末水流可以冲刷前期淤积的泥沙，使重庆港能保持良好的运行状态。同时，建议在水库调度运行中，规定枯水期消落水位不低于155米，使重庆港在枯水期处于回水范围之内，保证万吨船队有半年时间可以直航重庆。为此我们写出了“关于长江三峡枢纽工程正常蓄水位和运用方式的论证”，在三峡工程论证会议上发言，得到了肯定。重庆港区泥沙研究列入“七Ÿ五”攻关的重点课题后，我们承担了该模型的试验研究，于1989年和1991年两次获得国家计委、国家科委和财政部颁发的《为完成“七Ÿ五”国家重点科技攻关专题做出优异成绩的集体荣誉证书》，该项试验研究被三峡泥沙专家组评为国际先进水平、部分国际领先，并于1993年获国家教委科技进步一等奖。

 

    三峡坝区因枢纽布置复杂，要兼顾防洪，通航，发电等功能，正确测定泥沙在坝前淤积的部位、数量非常重要。此前，国内两家科研单位已建有两座大型坝区模型在进行研究，但因成果存在差异，影响决策。由国务院三峡领导小组办公室批准于1992年由清华大学水利系建造第三座三峡坝区模型进行比较研究。该项目的主要难度是坝前淤积的泥沙是经水库上段淤积后进入坝前地区的极细泥沙，为选择模拟这种极细泥沙的模型沙，清华大学水利系投入了极大的精力，最后成功地用常温粉碎法制备了几百吨精细颗粒的轻质塑料沙，解决了这个难题。同时因坝前流态复杂，通航建筑物对水流条件要求又极高，试验中必须随时大面积地采集流场数据进行实时分析，为此又研制了S´T-1流场图象采集及处理系统，在国内首次用摄相机和计算机图像处理方法对大面积流场进行观测分析，得出了大批有价值的流场图形及参数，为通航条件改善起了决定性作用。该仪器经不断完善已被国内几乎所有同行单位引进使用。在进行实体模型试验同时，还承担了坝区数模计算的任务，在国内首次采用二维数模对三峡坝区水流和泥沙进行计算研究，取得了大量成果。

 

    经过长达近十年的各种方案的试验研究和数模计算，使三峡坝区泥沙淤积规律已基本清楚了，对枢纽各种建筑物，特别是通航建筑物和冲沙建筑物的布置提供了修改方案，均已被采纳并进入实施，该项研究获得1998年国家教委科技进步二等奖。

 

    三峡水库蓄水后清水下泄造成葛洲坝下游河道冲刷，宜昌水位下降问题也是威胁葛洲坝船闸通航的关键问题，在“九Ÿ五”期间清华大学水利系又承担了该项试验研究和数模计算任务，至今已对该河段冲刷数量、分布及因此造成的宜昌水位下降提出了成果，并为解决该问题提出了整治工程方案，在“十五”期间该项研究工作还将继续进行。

 

    作为泥沙实验室的创始人钱宁院士，是使清华大学水利系以高水平进入三峡泥沙研究的学术带头人，他无论在学术研究水平上，还是队伍的培养上起到了至关重要的作用，钱宁先生不但负责了葛洲坝回水变动区的泥沙模型试验，主持了清华大学对三峡工程中泥沙问题的论证工作，指导了三峡工程中兰竹坝、重庆港的模型试验，在病危期间还指导写出了“关于长江三峡的几个泥沙问题”的论文，被国内外多家刊物采用，转载和引用。他的学识和人格魅力已成为泥沙研究室集体的精神力量。

 

    清华大学水利系泥沙研究室作为一个优秀群体，在近30年的研究工作中始终保持了实事求是、团结奋斗、不断创新的优良作风。在整个研究工作中，无数次现场查勘、收集资料时的风雨兼程，无数长系列年试验的不眠之夜；多少次的山穷水尽，多少次的峰回路转，30年的岁月中老一辈科学家钱宁院士、惠遇甲教授已经离去，一批当年风华正茂的研究者也已双鬓飞霜，但更多的年轻学者又进入了三峡泥沙研究的行列。巨大的付出也得到了巨大的收获，这收获不仅仅是大量的论著和一本本红色的获奖证书，更主要的是多年的积累已使我国泥沙研究水平居于世界的前列，清华大学水利系的一项项研究成果都将伴随着三峡的建设成为凝固的丰碑。

 

　　在以三峡工程泥沙专家组组长、清华大学兼职教授林秉南院士和副组长水利系张仁教授的带领下，这支朝气蓬勃的队伍仍在继续奋斗着。