水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金綜述

董耀華，周 若，盧金友

水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金綜述

董耀華a，周 若b，盧金友a

（長江科學院a.水利部江湖治理與防洪重點實驗室；b.科研計劃處，武漢 430010）

概述了水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金14個資助項目的主要研究成果與進展，對14個資助項目進行了驗收綜合評價；給出了重點實驗室發(fā)展規(guī)劃的4個研究方向和20個重點研究領域。14個資助項目的主要研究成果包括：撰寫成果報告14份，發(fā)表論文25篇，申請2項國家自然科學基金，完成1篇博士論文，出版專著1部，申請實用新型專利1項等；項目驗收綜合評價是6A和8B。重點實驗室發(fā)展規(guī)劃的4個研究方向是：江湖治理，防洪減災，大型水利水電工程關鍵問題研究，以及流域水土資源保護與利用。

江湖治理；防洪；水利部重點實驗室；開放研究基金

1 項目概況

水利部江湖治理與防洪重點實驗室依托于長江科學院，2004年通過水利部評審，2006年正式掛牌成立。重點實驗室以河流泥沙專業(yè)和長江防洪模型項目為基礎，涵蓋河流泥沙、防洪減災、水文水資源、水土保持、水力學等學科或專業(yè)，主要涉及長江科學院河流、水資源綜合利用、水土保持、空間信息技術應用和水力學等5個專業(yè)所，下設3個主要研究方向：①江湖治理與水沙資源綜合利用研究；②防洪減災研究；③大型水利水電工程建設對流域防洪及環(huán)境生態(tài)影響研究［1］。

2007年重點實驗室啟動第1次開放研究基金項目的申請與資助，“申請指南”明確提出：開放研究基金重點資助本實驗室有關學科的基礎理論和學科前沿問題、江湖治理和防洪及大型水利水電工程建設中的關鍵水沙問題的研究。資助范圍為：①江湖治理；②防洪減災；③水資源綜合利用；④流域侵蝕、產沙與調控；⑤大型水利水電工程建設對流域防洪及生態(tài)環(huán)境影響機理；⑥大型水利樞紐工程水力學關鍵技術［2］。

經過自由申報、同行專家評議、專家評審、實驗室核準、院領導批準等系列程序，從29個有效申請項目中批準資助14個，項目第1負責人分別來自武漢大學、四川大學、武漢理工大學、湖北大學、日本株式會社建設技術研究所、清華大學、遼寧師范大學、中國水利水電科學研究院和長江科學院等國內外高校與水利科研單位（表1）。截止2009年底，14個項目全部提交了研究報告與研究成果。2011年12月2日，實驗室在武漢對14個資助項目進行了驗收與綜合評價。

本文首先概述了水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金14個資助項目的主要研究成果與研究進展，然后對14個資助項目進行了驗收綜合評價，最后初步提出了重點實驗室規(guī)劃的4個研究方向和20個重點研究領域，以供未來申請開放研究基金時參考。

2 主要研究成果與進展

2.1 R2007－01“壤中流對紫色土坡耕地侵蝕產沙及養(yǎng)分流失的作用機理”

2.1.1 研究成果

提交“壤中流對紫色土坡耕地侵蝕產沙及養(yǎng)分流失的作用機理”報告1份，發(fā)表學術論文3篇，成功申請國家自然科學基金1項“紫色土坡耕地壤中流養(yǎng)分輸出特征及模型研究”項目1項。

2.1.2 研究進展

（1）以南方紫色土為研究對象，以人工模擬降雨為實驗手段，研究了壤中流作用下紫色土坡耕地養(yǎng)分輸出特征及侵蝕產沙過程。

表1 水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金14個資助項目Table 1 Fourteen projects supported by the open research fund 2007 of Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR

（2）闡明了紫色土坡面的產流方式及影響因素，分析了紫色土坡面壤中流總量隨坡度、雨強的變化規(guī)律，建立了實驗條件下紫色土坡面的產流模型。

（3）實驗條件下紫色土坡面壤中流養(yǎng)分含量為地表徑流養(yǎng)分含量的4.32～63倍，壤中流攜帶而流失的總氮量占坡面總氮流失量的0.36%～7.82%，表明：控制紫色土坡面磷素流失關鍵是控制坡面侵蝕產沙。

2.2 R2007－02“含沙水流二維流場B型超聲成

像測量技術研究”

2.2.1 研究成果

提交“含沙水流二維流場B型超聲成像測量技術研制”報告1份，發(fā)表學術論文1篇。

2.2.2 研究進展

（1）研究了基于粒子運動圖像的流場信號分析與重建方法，包括緩變流場的圖像處理、局部渦流場的圖像處理、二維流場的重建方法、針對超聲信號特殊性的圖像去噪和優(yōu)化處理。

（2）實驗研究了不同水沙條件對成像測量效果的影響，包括流速、沙粒的材質好粒徑、含沙量等因素對B超掃描成像效果的影響。

（3）實驗研究了粒子跟蹤性及其誤差修正方法，包括粒子濃度、比重對粒子跟蹤流速性能的影響。

（4）以B超掃描成像技術為基礎，研制出了一種適合于河工模型含沙水流條件下的二維流場圖像采集裝置以及相應的信號處理軟件，實現(xiàn)了水下流體運動的二維可視化顯示與二維流場的自動重建。

2.3 R2007－03“山區(qū)卵礫石河流梯級水庫變動回水區(qū)河床地貌演化試驗研究”

2.3.1 研究成果

提交“山區(qū)卵礫石河流梯級水庫變動回水區(qū)河床地貌演化試驗研究”報告1份，發(fā)表學術論文2篇。

2.3.2 研究進展

（1）采用室內模擬試驗研究了U形河流建閘、壩對水庫變動回水區(qū)水流結構、卵礫石運動特性、河床地貌演化及其沖淤防治措施。（2）彎道上建閘或壩使得彎道不同位置水位變幅產生顯著差異，凸岸壅水影響最大。（3）不同流量及壅水條件對彎道水流動力軸線、環(huán)流位置及其強度具有一定影響，中部環(huán)流強度在彎道各個斷面的變化不大，近床面和近水面環(huán)流強度則變化顯著。（4）河段不同位置床沙粗細化現(xiàn)象極為顯著，環(huán)流強度較大斷面床面沖淤也較為嚴重，環(huán)流強度較小斷面床面沖淤也較輕。（5）丁壩群能改變、改善彎道內水流流態(tài)與床面沖淤，對于彎道沖淤防治具有較好的價值。

2.4 R2007－04“區(qū)域水資源可持續(xù)利用SD模擬技術研究”

2.4.1 研究成果

提交“區(qū)域水資源可持續(xù)利用SD模擬技術研究”報告1份，發(fā)表學術論文3篇。

2.4.2 研究進展

（1）給出了可持續(xù)發(fā)展的三維復合系統(tǒng)概念模型和圖解，系統(tǒng)分析了可持續(xù)發(fā)展三維復合系統(tǒng)的調控和演化機理。

（2）提出了水資源生態(tài)經濟復合系統(tǒng)的定義、特點、結構和功能，分析了水資源復合系統(tǒng)的耗散結構特征與非平衡演變機制，提出了水資源復合系統(tǒng)的熵的表達式，推導了水資源復合系統(tǒng)的可持續(xù)利用機理。

（3）進行了SD模擬模型和動態(tài)仿真研究。

（4）以湖北省為例對區(qū)域水資源可持續(xù)利用SD模擬模型進行了應用研究。

2.5 R2007－05“基于VOF方法的潰壩洪水數(shù)值模擬研究”

2.5.1 研究成果

提交“基于VOF方法的潰壩洪水數(shù)值模擬研究”報告1份，發(fā)表學術會議論文1篇。

2.5.2 研究進展

（1）采用VOF方法跟蹤自由表面，湍動模式采用Κ－ε模型，建立了二、三維潰壩洪水波的數(shù)值模型。

（2）模擬了二維瞬時全潰壩水流，洪水隨時間推進的距離與試驗值符合較好，液面演化過程也與前人計算結果吻合較好。

（3）模擬了收縮－擴散渠道干底和濕底的三維瞬時潰壩水流，計算描述了潰壩波的傳播及反射過程。

（4）模擬了繞障礙物的三維瞬時潰壩水流，揭示出繞障礙物潰壩水流的基本特征，分析了液面變化過程，觀測點水位隨時間變化規(guī)律，流速分布特點，壩址流量過程，以及潰壩水流對障礙物和剩余壩體的作用力。

2.6 R2007－06“涉河建筑物防洪評價若干基礎問題研究”

2.6.1 研究成果

提交“涉河建筑物防洪評價若干基礎問題研究”報告1份。

2.6.2 研究進展

（1）通過水槽試驗與分析比較，合理地描述了橋墩影響區(qū)壅水、跌水、渦旋流等一系列典型的現(xiàn)象，試驗結果能夠對橋墩附近水流的影響規(guī)律進行大致的闡釋。

（2）建議不要在碼頭寬度3倍距離內的上游河道中新建碼頭，應使兩碼頭間距大于碼頭寬度的3倍以上。

（3）介紹和運用了2種不同的橋墩概化方法，比較發(fā)現(xiàn)了2種不同概化方法的優(yōu)缺點和適用范圍。

2.7 R2007－07“重度富營養(yǎng)化河流治理技術試驗研究”

2.7.1 研究成果

提交“重度富營養(yǎng)化河流治理技術試驗研究”簡要報告1份，發(fā)表學術論文4篇，獲得專利1項（實用新型專利：復合生態(tài)浮島凈水裝置），受理專利1項，出版專著1部《清江水污染防治研究》。

2.7.2 研究進展

（1）以武漢市沙湖港為例，探討了沙湖港富營養(yǎng)化水平和防治對策。

（2）選用浙江縉云產顆粒狀天然沸石為材料對氨氮和磷進行吸附動力學和吸附等溫試驗，考察初始濃度、振蕩時間對吸附量、去除率的影響。

（3）研究一種新型的浮島結構（復合生態(tài)浮島），首次采用陶粒和親水性礦物纖維作為載體，高羊茅作為浮島植物，對重度富營養(yǎng)化水進行了處理。

（4）采用上向流生物沸石濾池處理重度富營養(yǎng)化水體，考察了掛膜階段濾池對濁度、CODCr和TP等的去除效果，重點研究了系統(tǒng)中各形態(tài)氮素的變化情況。

2.8 R2007－08“淹沒丁壩附近局部沖刷機理的試驗研究”

2.8.1 研究成果

提交“淹沒丁壩附近局部沖刷機理的試驗研究”結題報告1份，發(fā)表學術論文1篇，成功申請國家自然科學基金（青年科學基金）“淹沒丁壩誘導局部河床變形研究”（51109167）項目1項。

2.8.2 研究進展

（1）分析了影響淹沒丁壩局部沖刷的因素。

（2）提出了適用于淹沒丁壩的繞流擠壓流動模式。

（3）建立了淹沒丁壩局部沖深公式，并分析了公式特性與參數(shù)。

（4）進行了淹沒丁壩水槽試驗，觀測了淹沒丁壩局部沖刷的水流結構、沖刷過程、沖坑形態(tài)等，并對公式進行了驗證。

2.9 R2007－09“藍藻收集與分離技術研究”

2.9.1 研究成果

提交“藍藻收集與分離技術研究”報告1份。

2.9.2 研究進展

（1）研究了藍藻的分類、細胞特征、繁殖特性、生活習性、在生物鏈中的地位以及藍藻的危害、水華形成的藍藻對環(huán)境生態(tài)和人類的影響。

（2）研制并優(yōu)化了適合我國國情的藍藻高效收集與處理的除藻機，將除藻機與船體結合，研制出了快速處理藍藻的除藻船，優(yōu)化了除藻船的整體結構。

（3）進行了多次除藻機、除藻船現(xiàn)場試驗，除藻處理后水體中的葉綠素含量降低了約45%，濁度降低了60%左右，含氧量分別降低了50%和44%，各項指數(shù)均達到考核目標。

（4）提出了藍藻無害化分離方案，分析和研究了藍碎屑的無害分離及后續(xù)處理技術。

2.10 R2007－10“水電站多機組進水口水流模擬的研究”

2.1 0.1 研究成果

提交“水電站多機組進水口水流模擬的研究”報告1份。

2.1 0.2 研究進展

（1）建立了高效的水電站進水口三維水動力模型，推導了電站進水口的弱壓流方程組，采用二階精度有限體積法（FVM）與顯示MacCormack預測－校正數(shù)值格式離散求解，選用Smagornsky子渦模型計算紊動黏度，利用非規(guī)則網格的流動標點法計算自由面運動。

（2）模擬了某電站進水口八個進水室水流流場，分析了進水口水流的流速、壓力、水頭損失及渦量等水力特性，連續(xù)性誤差能達到0.1%量級，所建立的數(shù)模表現(xiàn)出較好的數(shù)值穩(wěn)定性與收斂性。

2.11 R2007－11“挾沙水流三維數(shù)值模擬的研究”

2.1 1.1 研究成果

提交“挾沙水流三維數(shù)值模擬的研究”成果報告1份，項目負責人依托該項目，完成博士論文“基于天然河道紊動特性的河流數(shù)值模擬”，通過了論文答辯。

2.1 1.2 研究進展

（1）分析探討了天然河道水流的脈動過程、脈動周期、流速的概率分布、紊動強度和雷諾應力及其垂線分布特征、空間相關矩、紊動尺度等紊動特性，以及典型河段的垂線流速分布和雷諾應力分布規(guī)律；建立了σ坐標系下的三維數(shù)學模型及其計算方法，計算值和實驗值符合較好。

（2）采用近似解算子和通量計算方法，通過FVM離散方程和界面法向通量求解，解決了控制單元面兩側U值不同（不連續(xù)）問題，采用Frazao潰壩實驗進行了檢驗，模型計算值與實測值較為接近。

（3）分析了螺旋流的物理機理，推導了螺旋流的泥沙輸運公式，采用da Silva彎道實驗，計算了推移質運動，驗證了二次環(huán)流對推移質橫向搬運的作用。

2.12 R2007－12“南水北調中線工程水量實時調

度方法和模型研究”

2.1 2.1 研究成果

提交“南水北調中線工程水量實時調度方法和模型研究”報告1份，發(fā)表學術論文3篇。

2.1 2.2 研究進展

（1）總結了現(xiàn)有調度方案的編制方法，分析了南水北調中線工程的特點，提出了中線水量調度的原則，建立了南水北調中線調度模型。

（2）建立的模型是調出流域和調入流域統(tǒng)一的調度模型，在對南水北調中線跨流域調水區(qū)域進行規(guī)劃的基礎上，將實際的流域水系進行了系統(tǒng)概化，屬于閉環(huán)系統(tǒng)模型。

（3）模型分為丹江口水庫可調水量模塊和中線工程受水區(qū)水量調度模塊，模型能較好地按照平衡需求對中線工程的水量調度進行調節(jié)。

2.13 R2007－13“基于魚類保護模擬自然水力形

態(tài)和水文情勢的水庫泄流方式研究”

2.1 3.1 研究成果

提交“基于魚類保護模擬自然水力形態(tài)和水文情勢的水庫泄流方式研究”報告1份，發(fā)表學術論文2篇。

2.1 3.2 研究進展

（1）實地調查和分析確定河道內代表性魚類維持生存的生態(tài)流速和生態(tài)水力半徑，再根據(jù)水力半徑與流量之間的關系，估算河流所需生態(tài)用量。

（2）方法不僅考慮水生生物對生境的要求，同時因地制宜考慮河流形態(tài)、水力坡度、糙率等水力參數(shù)對河流流速和流量的影響。

2.14 R2007－14“渭河下游河道主槽斷面對洪水水沙響應關系研究”

2.1 4.1 研究成果

提交“渭河下游河道主槽斷面對洪水水沙響應關系研究”報告1份，發(fā)表學術論文5篇，應用證明1份。

2.1 4.2 研究進展

（1）提出渭河下游河道微淤類型、大淤類型、沖刷類型和萎縮后新變化關系類型等4種泥沙沖淤調整形式。

（2）分析得到了在以渭河來水為主的大洪水、涇河來水為主的大洪水及大含沙量小水等條件下，渭河下游不同河段主槽平灘水位下斷面形態(tài)的變化特點。

（3）提出渭河大洪水對抑制潼關高程上升具有重要作用。

（4）提出需要加大力度解決渭河下游行洪排沙治理對策研究的建議。

3 綜合評述

表2匯總給出了水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金14個資助項目的主要研究成果與驗收綜合評價。主要包括：①全面完成項目任務書的研究內容，提交成果報告14份；②發(fā)表論文25篇，部分論文已被刊物錄用；③成功申請2項國家自然科學基金，完成1篇博士論文，發(fā)表專著1部，成功申請實用新型專利1項等；④項目驗收綜合評價為6A和8B。

表2 水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金主要研究成果與驗收綜合評價Table 2 Achievements and evaluation of projects supported by the open research fund 2007 of Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR

圖1 水利部江湖治理與防洪重點實驗室發(fā)展規(guī)劃（2009—2020年）Fig.1 Planning for the development of Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR（2009—2020）

4 重點實驗室發(fā)展規(guī)劃

水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金14個資助項目的研究到達了預期目的，較大地提升了重點實驗室與項目申請人的科研能力與學術水平。為了更好地開展開放研究基金的未來申請，依據(jù)長江科學院“長江水利委員會長江科學院實驗室建設專項規(guī)劃（2009—2020年）”［3］，本文列出了重點實驗室發(fā)展規(guī)劃的4個研究方向和20個重點研究領域（圖1），以供參考。

5 結 語

水利部江湖治理與防洪重點實驗室2007年度開放研究基金資助了14個項目，主要研究成果包括：提交成果報告14份；發(fā)表論文25篇；成功申請2項國家自然科學基金，完成1篇博士論文，發(fā)表專著1部，成功申請實用新型專利1項等；項目驗收綜合評價是6A和8B。研究到達了預期目的，較大地提升了重點實驗室與項目申請人的科研能力與學術水平。列出的水利部江湖治理與防洪重點實驗室發(fā)展規(guī)劃的4個研究方向和20個重點研究領域可供未來申請開放研究基金時參考。

［1］ 長江科學院.水利部重點實驗室“水利部江湖治理及防洪重點實驗室”申請書［R］.武漢：長江科學院，2003.（Yangtze River Scientific Research Institute.Proposal for Application of the Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2003.（in Chinese））

［2］ 長江科學院.水利部江湖治理與防洪重點實驗室開放研究基金項目2007年度申請指南［R］.武漢：長江科學院，2007.（Yangtze River Scientific Research Institute.Guideline for Application of Open Research Fund 2007 of the Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2007.（in Chinese））

［3］ 長江科學院.長江水利委員會長江科學院實驗室建設專項規(guī)劃（2009—2020年）［R］.武漢：長江科學院，2009.（Yangtze River Scientific Research Institute.Special Planning for Development of the Key Laboratories of CRSRI（2009—2020）［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Overview on Year 2007 Open Research Fund of Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR

DONG Yao-hua，ZHOU Ruo，LU Jin-you
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Achievements and progresses of14 projects supported by the open research fund 2007 of the Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of the Ministry ofWater Resources（MWR）are overviewed respectively and evaluated comprehensively.Four research orientations and 20 key research domains are planned for the development of the Key Laboratory.Main achievements of the 14 projects include 14 research reports，25 published papers，2 research projects ratified and funded by the Natural Science Foundation of China，1 disssertation for PhD candidate，1 published book and 1 patent for utilitymodels.Among the 14 projects，6 are evaluated as first grade and 8 second grade.The research orientations planned for the Key Laboratory are river regulation，flood control and relief，key issues for large-scale water resources and hydropower projects，and protection and utilization of basin water and soil resources.

river regulation；flood control；key laboratory of MWR；open research fund

TV8

B

1001－5485（2012）12－0121－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.025 2012，29（12）：121－126

2011－11－07；

2012－02－23

董耀華（1966－），男，湖北蘄春人，教授級高級工程師，主要從事水力學及河流動力學研究，（電話）027－82820010（電子信箱）dong＿yh04＠hotmail.com。