河道型水库泥沙分选沉积及粗沙对淤积作用实验研究

河道型水库是主要的大型水库类型，泥沙问题没有很好解决，影响工程效益和水库可持续性。不均匀泥沙沿程分选沉积是决定淤积强度和形态的重要结构特征，不同粒径泥沙的力学和冲淤性能相差很大，占入库比例很小的粗沙对水库平衡淤积坡降和淤积量影响很大。分选淤积是一个明显的物理现象，但受水库运行方式、水沙条件、水库断面变化、淤积过程和回水变化等复杂因素影响，实际水库分选情况非常复杂。同时，水库淤积形态和坡降受泥沙粒径影响很大，分选沉积与淤积坡降是同一过程的微观与宏观表现。准确认识沿程泥沙分选沉积规律及粗沙作用对合理管理水库泥沙、减少淤积和下游影响、提高工程效益都具有重要意义。因此，本研究拟利用长实验水槽模拟理想水库回水条件下不均匀悬沙分选沉降、不平衡输沙和坡降变化，分析粗沙对水库淤积和冲淤平衡坡降的影响，认识水库淤积规律，为研究淤积控制、淤积泥沙利用和为检验数学模型等提供提供科学依据。

当前，大坝已彻底改变下游河流泥沙等通量。2003年以来，三峡下泄泥沙减少91%(长江入海减少70%，而且将继续减少)，2000年以来黄河入海沙量减少96%。水库拦沙的直接后果是清水冲刷引起下游河流地貌格局变化，河流环境和生态条件改变或导致环境容量降低，水库淤积使工程可持续性受到挑战。因此，认识水库淤积机制对流域科学开发和河流保护具有重要意义。我们研究发现，三峡等大型河道水库具有明显分选淤积规律，这一特征对水库淤积控制和下游河流生态修复都具有重要意义。在自然科学基金项目支持下，主要开展了大型水槽悬移泥沙分选淤积实验、不均匀泥沙悬浮动力机理实验、不平衡输沙理论研究、水库淤积粗泥沙对下游河流作用及应对策略、水库挖粗沙减淤对策和水库分选淤积对下游河流磷及营养结构影响等方面工作。除大型水槽实验因遇到很多问题(目前多数具体问题已解决)还在继续进行外，本研究取得下列主要结果：1) 通过机理实验，提出一个比原来平衡泥沙浓度更能反映不均泥沙挟沙能力的动力度量指标—沉降通量()，实验表明给定紊动动能悬浮不同泥沙的是不变量。由这一认识可推导出分组挟沙能力，对构建符合不均匀特性的不平衡输沙模型具有关键意义。采用上述实验认识，提出一个新的不平衡输沙模型(尚需严格检验后发表)。对比大型水槽实验数据，过程模拟结果比原模型显著改善。应用到平面二维数学模型后，成功刻画出多沙游荡河型变化过程。这一成果可望提高泥沙数学模型理论水平。2)提出了冲积河流中关键少数粗沙对水库和下游河道平衡坡降影响的经验关系，表明在水库特定位置挖粗沙可大幅度降低淤积、在下游适量增加这种粗沙则可显著抑制清水冲刷幅度。提出三峡下游抛少于3000万t/a粗沙可抑制荆江持续冲刷，利用三门峡和小浪底拦截并转移粗沙5000万t/a可使黄河下游河床不抬高。这些认识对研究江河长远治理策略有重要理论价值。3)研究了大型水库分选细沙和磷淤积规律及其对下游河流磷通量影响。表明河流磷与泥沙高度相关、磷密度决定于泥沙面积浓度，三峡蓄水后进入长江中下游总磷减少75%，水库调节永久改变下游河流磷过程节律，非汛期下游将永远处于清水和少磷状态，河流和河床磷补给/调节机制破坏。同时，水库拦截大幅度提高下游水域氮磷比、改变营养结构，不利于水域生物提取营养，进一步抬高已不断增加的河流碳、氮等物质相对量。这些结果有助于完善我们对大坝生态效应认识、保护下游生态系统。