【正文】 岸、濕地、湖泊 沼澤、閘壩等 資源功能 發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)及居民生活用水等 水庫、攔水閘、壩及其他水利設(shè)施 生態(tài)功能 棲息地、氣候調(diào)節(jié)、吸收噪音、空氣及水的凈化 水體、水面、岸邊植被等 環(huán)境功能 自凈、輸沙、景觀娛樂、場(chǎng)所及形象功能 河流、水體、濱水公園等 河流的演變 河流系統(tǒng)是一個(gè)包含河流水文、河床邊界、泥沙、水環(huán)境、水生態(tài)等在內(nèi)，多組織組成的復(fù)雜系統(tǒng)。河流系統(tǒng)內(nèi)部存在大量的關(guān)系鏈，在外界條件作用下系統(tǒng)內(nèi)個(gè)組織不斷改變，并且相互制約和作用。水沙條件變化后，河流水文、輸沙、水力、河床形態(tài)等發(fā)生相應(yīng)的改變，從而引起河流環(huán)境的變化。即河流、泥沙和河床之間變現(xiàn)為一個(gè)整體聯(lián)系和相互影響的關(guān)系。自然情況下，水沙過程和河床演變表現(xiàn)出其固有的特性，它們之間維持著一種平衡，河流系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，都能適應(yīng)于這種平衡。一旦水沙過程被干擾超過一定的限度，就會(huì)打破原有的平衡，引起河流系統(tǒng)的整體響應(yīng) 。 水流、泥沙是河流系統(tǒng)的動(dòng)力因素，它在輸移過程中塑造著各種河流地貌形態(tài)，并通過與河床互相作用，對(duì)河床演變起控制作用。如圖 圖 河流洪水 洪水給人類正常的生活生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的禍患與損失，但洪水又是河流的必要組成成分。在一般情況下，河流決定著洪水的前進(jìn)方向，而洪水有時(shí)又要淤積或沖刷河床，甚至讓河流改道。自然洪水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)也有好的影響。正是洪水與河流的互相影響，河流生態(tài)系統(tǒng)才逐漸進(jìn)化，生物才得以保持多樣性，生態(tài)環(huán)境也朝著有利人類發(fā)展生存的方向演替。洪水根據(jù)水流量大小劃分為：一般洪水、較大洪水、大洪水、特大洪水、特罕見大洪水等。 較小的洪水在干旱地區(qū)的干旱季節(jié)有著和重要的生態(tài)意義。它刺激著魚類產(chǎn)卵，輸沙，改善水質(zhì)等。它們重新設(shè)定了一系列河流條件，引 起了上游魚類和植物種子的遷移。同時(shí)還能對(duì)河岸重新浸潤(rùn)，沖擊河口淤泥。 3 泥沙的運(yùn)輸及模擬 三 泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)下游河道的影響 降低下游河道穩(wěn)定性 在河床上的沙質(zhì)，在水流的強(qiáng)度較小的時(shí)候，河床很有可能會(huì)產(chǎn)生水壟或者是沙紋。隨著水流強(qiáng)度的逐漸增大，沙壟的尺寸會(huì)慢慢的增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到一定的程度后又會(huì)漸漸的減小，直到消失不見。這是重新回到比較夾帶的狀況，理論上講，河床上常常會(huì)有很大的泥沙輸移的強(qiáng)度，一般情況下稱其為動(dòng)平床。水流每進(jìn)一步增強(qiáng)，整個(gè)床面將會(huì)被為巨大尺度的沙浪慢慢所代替。沙浪與水面波動(dòng)幾乎是一模一樣 ,傳播方向也可能為逆行、順行或者是停滯不動(dòng) ,對(duì)應(yīng)的分別稱為逆行沙波、順行沙波和駐波。床面形態(tài)的也會(huì)隨著不同階段和情況 ,河床水流阻力也會(huì)變化 ,主要的原因是由于沙波阻力的所影響的的。不同的水流會(huì)形成不一樣的沙波 ,當(dāng)水流條件的被改變以后 ,床面的形態(tài)相應(yīng)變化也會(huì)改變。但是 ,由于慣性產(chǎn)生的作用 ,水流條件的變化往往會(huì)在沙波的變化形成之前產(chǎn)生 ,兩者存在一定的時(shí)差。對(duì)懸移質(zhì)來說 ,泥沙如果存在于水中 ,會(huì)增加水的容重。在流速在增大的過程中 ,上舉力也會(huì)逐漸的增大 ,水的紊動(dòng)也會(huì)增強(qiáng) ,水中也會(huì)夾帶著更多的泥沙。在遇到彎道或者是障礙物 時(shí) ,水流會(huì)因?yàn)閼T性的作用保持著原來的方向運(yùn)動(dòng) ,進(jìn)而增加了對(duì)轉(zhuǎn)彎處以及兩側(cè)及凹岸的下游段的沖刷。當(dāng)然某些岸邊區(qū)域也可能有時(shí)浸泡在水中 ,有時(shí)又會(huì)裸露在陽光下暴曬 ,導(dǎo)致了岸邊巖石由于熱脹冷縮、浪壓力、化學(xué)反應(yīng)等原因而風(fēng)化。導(dǎo)致河道中含有比原來更多的泥沙。由于含沙量較高的泥沙會(huì)破壞下游河道的穩(wěn)定性 ,使下游的泥沙含量不斷的增大 ,并最終保持穩(wěn)定。并且 ,在平原地帶的夾沙水流在一般情況下通常會(huì)形成一個(gè)三角洲。如我國(guó)的長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、黃河三角洲等等。在流路改道形成了新的流路之后 ,河道會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸使淤積抬高并慢慢的延伸 ,當(dāng)河槽淤積到了一定程度之后 ,會(huì)使得河床高程高出兩岸地面 ,直到最后改道為止。黃河在近代三角洲上實(shí)際已經(jīng)在行水約年 ,并且共改道余數(shù)次 ,平均大約每年改道一次圖。 對(duì)下游河道沖淤的影響 當(dāng)水流輸沙能力多余河道上游來沙量 ,水流的程度不足以讓床沙所有的粒徑級(jí)泥沙起動(dòng)的時(shí)候 ,床面就會(huì)因?yàn)檫x擇性的侵蝕而逐漸變成粗化層 ,并隨著床面推移質(zhì)的不平衡慢慢輸移 ,床沙粗化與不平衡輸沙是粗化問題相互影響的兩個(gè)方面。在水流輸沙能力多于供水量，并且床面泥沙發(fā)生了選擇性輸移即部分動(dòng)輸或者是分選輸移的條件下 ,比較細(xì)的顆?？赡軙?huì)變成懸移質(zhì)或者是推移質(zhì)導(dǎo)致被沖刷而逐漸下移 ,而較粗的顆粒則會(huì)留在床面上保持基本不動(dòng) ,使得床面在下切的時(shí)候使得組成物質(zhì)不斷的變粗 ,并且最終形成以不動(dòng)的粗顆粒為主體粗化的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) ,稱之為粗化保護(hù)層 ,用來限制河床的持續(xù)侵蝕。若是水流強(qiáng)度繼續(xù)擴(kuò)大 ,則可讓沙粒粒徑范圍慢慢擴(kuò)大 ,粗化層中又有以部分相對(duì)較細(xì)的顆粒以層移質(zhì)或者是接觸質(zhì)的形式而導(dǎo)致被沖刷下移 ,并形成一種新的級(jí)配更粗的粗化層 ,一直到出現(xiàn)極限粗化層或者是臨界粗層除險(xiǎn)的出現(xiàn)。若是此后再增加流量 ,則顆粒全會(huì)被沖走 ,粗化層則會(huì)完 全破壞露出下層的原始配床沙 ,使得床面再一層刷深。在非均勻沙尤其是卵石所組成的河流中 ,粗化層的現(xiàn)象是最為常見的。在上游無泥的沙所補(bǔ)給的情況下 ,會(huì)隨著床沙不斷沉降 ,輸沙率也會(huì)隨著粗化過程的發(fā)展而慢慢的減少 ,直到床面會(huì)形成粗顆粒保護(hù)層 ,這時(shí)輸沙率會(huì)無限的趨于零 ,這是由于沖刷粗化的過程中輸沙率所變化的正常趨勢(shì)。因?yàn)楦黝w泥沙所處床面的位置和所受作用的流速的隨機(jī)性 ,導(dǎo)致了泥沙的起動(dòng)和輸移會(huì)帶有一定的隨機(jī)性 ,而單位床面上可動(dòng)的沙粒數(shù)和輸移的泥沙數(shù)也是不一定的 ,即可動(dòng)的沙粒數(shù)和輸移的顆數(shù)是一個(gè)不確定的過程 ,有些生物滅絕的過 程，優(yōu)勝劣汰。而床面的泥沙與水中懸移質(zhì)是不可分割的一個(gè)整體 ,他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中會(huì)遵循運(yùn)動(dòng) — 靜止 — 再運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)原則。而在水體流動(dòng)過程中 ,會(huì)因?yàn)榱魉偈冀K達(dá)不到起動(dòng)速度或在某些細(xì)顆粒泥沙會(huì)被嵌套或者是淹埋 ,導(dǎo)致河道有局部性的淤積。若是如果出現(xiàn)在河口 ,則會(huì)引起泥沙的回溯 ,反而會(huì)使的淤積更加的嚴(yán)重。 對(duì)下游河道生物的影響 當(dāng)河流流速降低的時(shí)候 ,河中懸移質(zhì)會(huì)逐漸減少 ,泥沙在水庫中慢慢沉積時(shí) ,泥沙當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)也會(huì)會(huì)慢慢沉積在水庫中 ,有機(jī)質(zhì)對(duì)于下游的食物鏈來說有著相當(dāng)重要的作用 ,假如失去了這些有機(jī)質(zhì)也就意味著失去了下游的河流生態(tài)。因當(dāng)當(dāng)懸移質(zhì)泥沙逐漸減少的時(shí)候 ,下游的河床及河岸會(huì)被沖刷直至出現(xiàn)出新的平衡。而不論是沖刷降低還是對(duì)河床造成影響河岸以及及水濱帶 ,這些都有可能是許多生物體的棲息地。如果沒有新的泥沙的補(bǔ)充 ,沙洲以及其靠之生存的物種及其棲息地都有可能會(huì)一同消失。并且 ,河道下切也會(huì)導(dǎo)致地下水位線發(fā)生一些變化 ,對(duì)河流廊道植物群落可能會(huì)帶來的不利的變化。由于泥沙顆粒帶有一定的負(fù)電荷 ,而分子間的極性差異則會(huì)產(chǎn)生一種相互吸引的作用 ,導(dǎo)致了泥沙會(huì)被一層水薄膜包裹。在某些地方 ,若水體中含有某 些物質(zhì) ,在濃度梯度作用下泥沙會(huì)吸附污染物。在水體一定的流動(dòng)作用下 ,泥沙會(huì)攜帶污染物并且同時(shí)對(duì)下游的生物帶來不利諸多不利的影響。同時(shí) ,水體中的細(xì)沙則會(huì)堵塞和磨損魚的呼吸系統(tǒng) ,影響了魚類在水體中攝取氧的能力 ,進(jìn)而破壞了生物之間的多樣性。 泥沙防治措施 懸浮物濃度在河口濁度最大的主要原因是沉降和沖刷滯后。泥沙細(xì)顆粒在運(yùn)輸和沉積過程中沉降速度一般砂慢，因此，懸浮物的濃度不會(huì)隨水利條件的改變立刻調(diào)整。換句話說，在一定時(shí)間和地點(diǎn)的懸浮物濃度取決于該位置的上游在之前的水利條件。從地質(zhì)地貌學(xué)的觀點(diǎn)來看，流域系統(tǒng)可 以劃分為流域上部的侵蝕區(qū)、中部的泥沙運(yùn)輸區(qū)和下部的泥沙沉積區(qū)。由于河流上游流域的水土流失受到水流搬運(yùn)能力的限制，有一部分的泥沙堆積在山前、坡腳、岸邊等區(qū)域，需要較長(zhǎng)時(shí)間的來搬運(yùn)，其余一部分則以懸移質(zhì)的形式迅速向下游地區(qū)搬運(yùn)。除了輸送部分沉積物進(jìn)入海里外，大部分的泥沙則以邊灘或心灘的形式沉積在中下游的河湖體系當(dāng)中。從這里可以看出，流域和河湖體系是一個(gè)由“侵蝕→搬運(yùn)→沉積”組成的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。在這個(gè)演化的過程中，河湖系統(tǒng)的流量、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、沉積與搬運(yùn)條件及整個(gè)系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境等，都是限制這一系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的重要因素。河道上游的快速侵蝕將會(huì)導(dǎo)致中下游河湖體系的泥沙沉積速度加快，并對(duì)防洪、航運(yùn)、灌溉引水等帶來一系列的問題。例如長(zhǎng)江流域的泥沙主要來自于上游，由于濫砍亂伐，植被被破壞，過度的開墾陡坡和荒地，森林覆蓋面積大大減少，降低了水源的涵養(yǎng)能力。降水就直接形成了地表徑流從而加重了河流的泄洪壓力，同時(shí)也造成了水土流失的嚴(yán)重化。如果河道的宣泄能力不能下泄來自上游的大量水沙，那么河床就會(huì)通過其他的方式來重新獲取水沙的平衡，要么大量淤積泥沙來抬高河床造成潰口讓大量的水沙分流注入低洼的地區(qū)以便形成新的湖泊來沉沙，要么通過迅速淤積抬高 河床上端調(diào)整河床的縱向比降來加大水流的攜沙能力，使河道形態(tài)與上游的水沙來量相適應(yīng)等。泥沙在整個(gè)流域的輸移，會(huì)造成中下游河段的洪水位抬高、湖泊的面積萎縮，給防洪帶來不利的影響。 對(duì)于泥沙的沖淤，主要的防治措施應(yīng)該是綜合治理，上游、中游、下游聯(lián)合整治。河道上游的水土流失是河道中泥沙的主要來源，過弱或過強(qiáng)的下泄沙能力都將造成中下游河道的淤積或沖刷。因此，水土保持是解決河流泥沙問題的根本措施。對(duì)于中下游河道的局部河段的沖淤，主要可以采取工程加固的措施來加以防治。對(duì)于淤積，一是可以通過疏浚來處理，也可以通過適當(dāng)?shù)囊?放淤等手段來將泥沙資源化，除害的同時(shí)可以興利，一舉多得。對(duì)于沖刷，主要可以通過護(hù)岸或護(hù)底工程加以控制。 四 泥沙運(yùn)動(dòng)模擬對(duì)河道影響 二 泥沙運(yùn)動(dòng) （公式） 為了在建模系統(tǒng)中包括細(xì)粒物料的運(yùn)輸和沉積過程，通用模型是通過水流量對(duì)對(duì)流擴(kuò)散方程的描述的整合。細(xì)顆粒的運(yùn)移模擬必須平均深度，泥沙過程也必須應(yīng)用適當(dāng)?shù)膮?shù)。如在 MIKE 21 模型中，細(xì)顆粒（泥）的運(yùn)輸已被列入泥漿輸送模塊與水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊，如圖 所示 圖 MIKE 21 數(shù)據(jù)流和物理過程 泥漿運(yùn)輸模塊中包含的進(jìn)程盡可能保持通用 該模塊包括以下幾個(gè)過程 *多泥的分?jǐn)?shù) *多床層 *波流相互作用 *絮凝 *受阻沉降 *一粒砂率 *滑動(dòng) *加固層 *簡(jiǎn)單的形態(tài)學(xué)運(yùn)算 上述的可能性覆蓋大多數(shù)的二維建模情況下。在特殊情況下的應(yīng)用程序所需的如模擬高含沙濃度對(duì)水流量的影響建模需 MIKE 3 泥漿輸送模塊。 對(duì)流擴(kuò)散模塊 輸沙公式是建立在 邁克 21 對(duì)流擴(kuò)散模塊，解決所謂的對(duì)流擴(kuò)散方程 ShCQychDyhxchDxhycvxcutc LLyx ?????????? ??????????? ????????????? 111 公式中符號(hào)的意義 。 c:深度平均質(zhì)量濃度（ kg/m3） u,v:水深平均流速 (m/s) Dx,Dy:離散系數(shù) (m2/s) h:水深 （ m） S:侵蝕期 (kg/m3/s) QL:排放單位水平面積 (m3/s/m2) CL:排放濃度 (kg/m3) 在多個(gè)沉積物級(jí)分的情況下，該方程擴(kuò)展到包括幾部分，而沉積和侵蝕過程連接到的級(jí)分的數(shù)目。在對(duì)流擴(kuò)散方程使用一個(gè)明確的，三階解決有限差分格式。該方案是基于已知的最快方案。該方案已在處理各種論文描述建模，環(huán)境建模，涉及其他問題對(duì)流擴(kuò)散方程它擁有比其他幾個(gè)方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是它避免了相關(guān)的“晃動(dòng)”，穩(wěn)定性問題與平流項(xiàng)中央分化 ,同時(shí)它大大降低了數(shù)值阻尼，這是這方案的特性向上纏繞方法，該方案它取消了截?cái)嗾`差項(xiàng)由于時(shí)間差異達(dá)一個(gè)一定的順序，在最快的情況下，通過使用基本方程本身解決問題，侵蝕和沉積方程解很簡(jiǎn)單而且不需要特殊的數(shù)值方法。 泥沙沉降速度和絮凝 細(xì)泥沙的沉降速率取決于顆粒 ,絮狀物的大小 ,懸浮物和有機(jī)含量溫度，材料濃度。通常泥沙沉降速度隨著泥沙濃度（絮凝）的增加而增加，其沉降速度隨濃度增減少而降低。后者被稱為受阻沉降。繼 Rijn（ 1989）咸水中的沉降速度（ 5 個(gè)百分點(diǎn)）即可通過沉降速度公式表示： ?kcws ? 其中 c? 10kg/m3 ws 絮體沉降速度 (米 /秒 ) c 質(zhì)量濃度 K,? 為系數(shù) ? 取 1 到 2 之間 泥沙濃度分布 泥沙濃度分布有兩個(gè)表達(dá)式可以應(yīng)用，其中是基于一個(gè)近似解得到的垂直表達(dá)式，沉積過程中沉積通量或表達(dá)式假定上下沉積物通量之間的平衡。其公式 rdrce CCp ? 其中 Crc 為對(duì)流柯朗數(shù) 三 泥沙運(yùn)動(dòng)與淤積模擬 MIKE 21 建模過程 模型分析