浅谈河流.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,浅谈河流,河流的科学问题,河流的伦理问题,2012,年,11,月,19,日,河流的研究：力学与地理学的交叉,用力学的原理对地理学的经验归纳进行定量化和理论推导,(,理论演绎,),，力求建立精确的科学。,地质、地貌现象极其丰富繁杂，科学家对不同的现象分别归纳演绎出了不同的理论，目前还不可能用某个统一理论体系贯穿始终来解释所有的现象。,1.,河流的科学问题,3,清华大学水利系河流动力学概论,河源区,(,侵蚀,erosion),山区河道,(,下切河道,incised channel),平原河道,(,冲积河道,alluvial channel),河口,径流形成,径流运动,径流消散,水文,水资源,侵蚀产沙,泥沙输移,泥沙沉积,河流动力学,河谷下切,河道摆动,河型变化,河流地貌学,1,年,100,年,110,万年,多重时间尺度问题,特,征时间尺度越大,样本越有限,研究难度越大,水的运动,地表物质的运动,地貌变化,把一个复杂的体系,分割到不同学科里研究,4,上善莫若水,而能为大灾,1.,河流的科学问题,6,7,古人摸索出来的经验，被后人赋予绝对权威地位,1945,年美国土木工程兵团实验室的模型河流试验,清水恒定流,(Friedkin,1945,，,US Corps of Engineers),1.,科学实验把河流研究纳入现代科学体系，趋于定量和严谨,1.,河流的科学问题,40 hours,模拟沉降运动,(,比降变大,),对冲积过程的影响,1.,河流的科学问题,St Anthony Falls Lab,University of Minnesota,(2002),70 hours,模拟沉降运动,(,比降变大,),对冲积过程的影响,1.,河流的科学问题,St Anthony Falls Lab,University of Minnesota,(2002),河流有达到平衡状态的趋势,2,.,河流动力学理论的建立，标志着河流研究真正成为精确科学,1.,河流的科学问题,河流动力学中多年的研究表明，平原冲积河流比较稳定的平面形态是弯曲河道，因为此时由于河道的弯曲，使得流路较长，在整条河流两端高差不变的条件下，达到能够输运来沙的最小比降,(,单位河长上水流所提供的功率最小,),河槽形态处于稳定状态。,河流最小功率原理,15,河口延伸,河床抬高,河道剖面线,水土流失和河流泥沙输运沉积,下游河床抬高,由于河口延伸造成的沿程淤积,(aggradation),黄河河口悬河问题的原理：河流能自动维持河道比降,1.,河流的科学问题,由于输运泥沙的需要，河流能够“自动”维持沿程比降不变。,16,“长江纵剖面成因研究”,极值假说的实际应用：,1.,河流的科学问题,18,i,+1,i,河道高程,Z,i,流量,Q,i,河道高程,Z,i,+1,流量,Q,i,+1,Q,J=,Z/,x,_,_,D,Q,D,x,微分方程离散后成为代数方程，从中求解得到河流沿程的理论高程曲线,Z(x),其形状取决于流量与距离的关系,Q(x),。,1.,河流的科学问题,19,已知沿程流量,Q(x),，从上式解出沿程的高程,Z(,因为,J=dZ/dx),可见，根据这个理论，长江中下游河道应正在经历一个淤积过程。,1.,河流的科学问题,河流最小功率原理,经典力学,矢量力学,(,牛顿力学,),标量力学,热力学定律,极值理论,控制方程组,有人认为，经典的牛顿力学无法完全解决河流动力学问题,1.,河流的科学问题,21,事物运动的表面现象背后，必有一个动力原因；现象与原因之间必有一种因果关系，可以用数学形式严密地表达出来。,科学理论应该不仅能解释某种现象；同时还能预测该现象未来的发生、发展。,牛顿力学方法研究河流：寻找定量的因果律,1.,河流的科学问题,河床物质处于运动状态时，它的运动规律,河床物质在静止状态和运动状态之间转换的规律,1),演变现象,动力原因,(,寻找因果关系,),；,2),因果关系,表达成数学形式。,河流研究的,动力学方法,边界组成物质：泥沙颗粒的运动特性,原因之二：,河道的可动性,水流作用力,原因之一：工程尺度上的作用力,流体力学,这些,规律,主要由颗粒物性,(,成分和大小等,),决定；,这些规律能够决定河床和河型演变的趋势,不考虑长时段上的作用力如地质构造、全球气候的变化、海平面的升降,不同的河流，都是同一组偏微分方程的解,:,初始、边界条件不同，解也不同,。,比如：,黄河下游河道为什么游荡？,长江下游河道为什么稳定？,为什么长江的水量是黄河的,20,倍，但黄河输沙量却达长江的三倍？,1.,河流的科学问题,24,用数值方法求解非线性偏微分方程组，通过设定不同的初始和边界条件，就能够把河流各种形态演算出来。,1.,河流的科学问题,以下是水利系河流所一个博士研究生的论文工作内容：用数值方法求解水流和输运动力学方程组，求解不同的河型，研究河型变化的影响因素。当给定了初始的河道，用模型计算水流冲刷,200,多天后，形成的最终河道形状。当河谷比降、流量、上游来沙量、河岸抗冲性取不同的数值时，模拟得到的河型也不同。,3,为什么有的河流冲刷下切，有的河流堆积抬高？,为什么有的河道辫状、散乱，也有的河道单一、蜿蜒？,初始河道形状,一定条件下,形成弯曲河道,1.,河流的科学问题,加大河谷初始比降,形成分汊河道,1.,河流的科学问题,河流径流量增大,形成宽阔分汊河道,1.,河流的科学问题,河流上游来沙量增大,则形成散乱游荡河道,1.,河流的科学问题,河底不是平面,模型试验预测：淤积将会出现在较陡岸坡上,防洪水位,145m,(,预测认为：泥沙淤积应沿河谷形状均匀分布,),1.,河流的科学问题,一、,Predicted deposition pattern,Lu Y.J.&Wang ZY,“3D Numerical Simulation for Water Flows and Sediment Deposition in Dam Areas of the Three Gorges Project”,ASCE J.Hydr.Engrg.135(9),pp.755-769(September 2009),1.,河流的科学问题,数值模拟也做出了与模型试验预测相同的结果,一、,Cross-section 34#,(5.6km from the dam),河底淤成平面,较陡的岸坡无淤积,防洪水位,145m,(,没有像预测的那样沿河谷形状均匀淤积,),1.,河流的科学问题,但是实测结果不同于数值模拟和模型试验的预测,一、,库尾三角洲型淤积，一般出现在非狭长型水库或粗砂河流中,蓄水初期实测的沿程淤积分布没有明显库尾三角洲，而是离坝越近淤积强度越大,1.,河流的科学问题,二、,揭示机理，深化认识，才能使理论预测符合实际,1).,需要解释原因，说明原型淤积形态产生的动力学机理。以前的预测不正确，可能是遗漏了实际中某种关键机理。,2).,以往由于软件和硬件条件限制，对原本完整的动力学方程组作了过多的简化假设，进行概化情况的模拟，这必然导致模拟结果不能反应复杂的真实情况。目前的建模技术和硬件条件下，已能够采用完善的全三维水流泥沙数学模型，还原复杂条件下的天然情况。,1.,河流的科学问题,研究方法,36,实际上，三峡坝前的淤积形态是分两步形成的：,含沙水流中携带的泥沙的输运沉降过程,采用精确的三维水流紊动、物质输移控制方程描述,(,此种方法已用于以往的研究,),；,细颗粒淤积物在固结之前、向河底深槽的聚集过程,(,以往研究中没有考虑极细颗粒的存在、没有研究极细颗粒淤积的特殊性质,),。,Final deposition pattern,2 Muddy deposits move down slope,1 Settling process in the dam area,w,1.,河流的科学问题,从理论上解释实际现象，最基本的要求就是能够复演实际过程、让理论结果与实际相符。,全三维水流模型,水流基本方程组,k-,紊流模型,C,m,=0.09,，,C,1,=1.44,，,C,2,=1.92,，,s,k,=1.0,，,s,z,=1.3,。,1.,河流的科学问题,全三维泥沙模型,悬沙输移方程,s,为含沙量,下标,k,指,泥沙粒径组；,w,为泥沙沉速；,e,s,为泥沙扩散系数。,河床变形量主要取决于底层交界面上沉降通量 以及该层面上泥沙的上扬通量：,1.,河流的科学问题,初始及边界条件,给定进口断面及悬移质含沙量的横向分布，其中含沙量沿垂线分布依据张瑞瑾、丁君松方法确定；,出口边界含沙量沿流向的梯度均为零。,水面处无泥沙交换，则该处含沙量边界条件为：,床面附近含沙量：已知床面以上某一节点的含沙量,s,p,，可推求床面附近的含沙量,s,b,如下：,床面附近挟沙能力 ：采用断面平均挟沙力（张瑞瑾公式）和含沙量沿垂线分布公式来反求底部挟沙力：,1.,河流的科学问题,三峡近坝区水沙运动三维数值模拟,坝前河段表面流场,(,流量,17700 m,3,/s,，坝前水位,135m-,模拟蓄水初期的条件,),坝前有多处支流、山脊，产生大量滞流、平面环流区。以往的简化模型无法考虑这种复杂边界条件下悬沙输运的精确过程。,1.,河流的科学问题,坝前河段典型表面流场,(,流量,35600 m,3,/s,，坝前水位,135m),（,计算出合乎实际的三维流场和紊动场，才能计算出合乎实际的悬沙输运、沉积过程。）,1.,河流的科学问题,1.,河流的科学问题,面向下游,三峡坝前水位,135m,时，遥感假彩色影像（土壤、植被红色，水体蓝色，泥沙白色）,右岸,运动到河道展宽段时,表层水流泥沙浓度降低,三峡大坝,水流方向,1.,河流的科学问题,3-D,数,值模拟准确地计算出了运动到河道展宽段时,表层水流泥沙浓度降低的现象,坝区河段断面泥沙浓度分布计算,(,流量,32100 m,3,/s,，坝前水位,135m),三峡大坝,水流方向,1.,河流的科学问题,运动到坝前时，泥沙主要聚集在左岸,面向下游,三峡大坝,2010,年,7,月,26,日卫星影像,右岸,左岸,1.,河流的科学问题,面向下游,3-D,数,值模拟也准确地计算出了运动到坝前时，泥沙主要聚集在左岸的现象,右岸,左岸,坝区河段断面泥沙浓度分布计算,(,流量,32100 m,3,/s,，坝前水位,135m),自然沉降后的淤积分布,w,1.,河流的科学问题,考虑浮泥运动后的淤积分布模拟计算结果,(,淤积物集中在深槽,),1.,河流的科学问题,S34,断面,S37,断面,1.,河流的科学问题,计算结果与实测资料符合很好,计算结果与实测资料符合很好,1.,河流的科学问题,2.,河流的伦理问题,2.,河流的伦理问题,在远古时代,大自然对人类极其残酷,;,人类至今还不能完全免于自然灾害之苦。,尽管对环境造成了影响，但人类的生存完全依赖于技术革命,(,农业技术,工业技术,),而绝不是依赖于大自然的恩赐。以保护环境为由要求放弃技术进步的说法，在逻辑上无法令人接受。,2.,河流的伦理问题,人类的生存绝不能依赖于大自然的恩赐,2.,河流的伦理问题,欧美工业化国家在河流治理中走过的历程,53,工程手段控制河流,尽可能利用全部水量,(,截流、渠化、去栖息地化,),部分恢复河流自然属性、,留出河道生态需水量,(,拆坝、拆除混石护岸、允许河流向湿地泛滥、让裁弯的河流重新弯曲、恢复栖息地和河流生态体系,),曾经 现在,2.,河流的伦理问题,54,美国一度依赖裁弯、渠化、固化河道的手段来解决洪水问题。,2.,河流的伦理问题,55,人们现在认识到河流生态恢复,是更有效的滞洪手段,佛罗里达州基西米河,1962,1971,年的河道渠化工程，将本来蜿蜒的天然河流变成了几段近似直线的人工运河，提高了局部河道的排洪能力，但破坏了沿河生态环境、加重了下游洪水。,1999,年启动了基西米河生态恢复计划,(KRRP),，进行了一系列的生态修复试验，包括改变上游水库的运用方式，塑造具有季节性变化的来流条件；修建拦河坝，人为抬高水位以恢复两岸的湿地；回填被渠化的河道，恢复其自然蜿蜒状态。该计划预计,2010,年完工。,基西米的经验告诉我们，在利用渠化工程行洪时，不可忽视其对生态影响；通过恢复河道的自然水文水力条件进而重建其生态环境是有效措施，同时也是滞洪的有效手段。,2.,河流的伦理问题,56,基西米河，渠化前的蜿蜒河道,2.,河流的伦理问题,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,57,基西米河，渠化中,2.,河流的伦理问题,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,58,渠化后：宽,100m,，深,10m,。丧失了河流的某些生态功能,2.,河流的伦理问题,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,59,部分恢复蜿蜒河道方案的模型试验,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,2.,河流的伦理问题,60,部分恢复蜿蜒河道方案的实施,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,2.,河流的伦理问题,61,向原有的蜿蜒河道放水，恢复湿地,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,2.,河流的伦理问题,62,湿地恢复后成为各种生物的栖息地,美国基西米河,(Kissimmee River),生态恢复工程,2.,河流的伦理问题,63,可持续发展概念,(sustainable development),重点在于“发展”，,目的是长远利用自然；,2.,维护的是未出生者的权利，即应该为后代留有发展余地,3.,整体目标是延续人类在地球上长远生存下去的可能性,而不是为保护环境而保护环境,在全球性的环境问题上，中国不应围着发达国家的指挥棒转。,人类保护自然是出于利己目的，而绝非出于利它,(,自然界,),目的,2.,河流的伦理问题,在原始社会，生存无法保证时，造就了人类疯狂积累财富和消耗资源的行为模式；,现在，人们意识到这种方式不能普及到全人类。,问题在于,少数发达国家经历了疯狂集敛财富和奢侈消耗资源的发展模式后，意识到对地球环境可能有灾难性影响，目前要求穷国不要仿照这种模式发展。这对仍处于贫穷的国家来说,存在不公平。,2.,河流的伦理问题,65,我国河流的不同治理程度,1.,基本处于自然状态,:,青藏高原河流、界河,2.,部分开发和控制的湿润地区河流,:,长江、珠江,3.,基本开发和完全控制的干旱地区河流,:,塔里木河、黄、淮、海等,将第,2,和第,3,类已开发的河流恢复自然状态等于对国民经济基础设施的摧毁，是不可能的。第,1,类河流地区由于经济发展也需要开发。,可行的方法是对干旱区的退化河流进行部分生态修复，在开发河流时应顾及对自然功能的保护。,2.,河流的伦理问题,让河流完全恢复自然状态是不可行的,66,以往的思维方法,-,两个极端：治河,(,以河为敌,)/,对河流的原始崇拜,(,母亲河,),现代的思维方法,-,了解河流,维持河流,了解其动力学特性,生态环境特性,;,在防范、利用河流的同时,保护其生态特征、顺从其动力,特性。,随着社会的发展,本学科的定位在发生变化,1.,人与河流关系的定位,;,2.,人类行为的伦理规范,;,3.,可持续发展原则,;,4.,技术层面的细节问题,;,2.,河流的伦理问题,