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摘 要：随着我国水利水电建设事业的蓬勃发展，河流泥沙防治措施越来越多，河工模型设计理论和试验技术均获得了显著的成就，并具有自身特点，现已成为解决各种水利工程问题的一种普遍公认的有效工具，其在河流治理开发与保护中的作用也愈来愈大。
关键词：河流泥沙；淤积现象；河工模型
一、泥沙及其特性
（一）什么是泥沙
泥沙是河水挟带的岩土颗粒。天然河流中常常挟带着大量的泥沙，河流中的泥沙主要是流域表面的土壤受暴雨或融雪冲刷后，汇入河流而形成的。河槽本身的冲刷，包括河底冲刷和河岸冲刷，也是河流泥沙的一个来源。此外，风沙的沉积会使河流的含沙量增加，不过这部分泥沙所占的比重很小。
（二）泥沙的特性
有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。泥沙颗粒的特性主要有：
1、重度，单位体积泥沙颗粒的重量，以千克/米3表示，其数值随泥沙的岩性不同而异，矿物成分主要是石英和长石，泥沙的重度一般约2650千克/米3。
2、粒径，泥沙颗粒大小的一种量度，有不同方法表示。常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径；筛径，即用具有不同孔径的标准筛，对泥沙进行分筛求出的粒径；沉降粒径，即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。
3、沉速，指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度，故又称泥沙的水力粗度。沉速综合反映颗粒和水的特性，因河流泥沙而是泥沙运动的一个重要参数。
4、细粒泥沙表面的物理化学性质，主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。细颗粒泥沙的絮凝和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。
（三）影响河流挟沙的因素
影响河流挟沙的因素很多，综合起来有两个：一是气候因素，二是下垫面因素，气候因素中影响最大的是降水。干旱地区植被较差，土壤含水量不足，使土壤变得松散，很容易被地面径流冲到河中。降水强度的大小对河流挟沙也有影响。降水强度大，地面径流增加，侵蚀加剧，使泥沙增多。下垫面因素，如土壤、植被和地形等的差异，都会影响河流泥沙含量的多少。
二、泥沙淤积引发的问题
我国北方有许多含沙量较高的多沙河流，如黄河及其许多支流。由于这些河流流经黄土高原地区，气候干旱，植被很差，夏秋季节暴雨集中，故水土流失严重。对于这些河流，由于泥沙淤积而引起的工程问题是十分突出的。
（一）在河流上修建水库，在水流挟带的泥沙进入库区后，因流速降低泥沙就慢慢沉积下来，淤积库底，缩短水库寿命。如三门峡水库，由于原计划对黄河泥沙认识不足，对泥沙的控制排泄注意不够，拦蓄洪水后库区淤积迅速发展，4年竟达33.95亿立方米，以致不得不停蓄改建。青铜峡水库1967年建成蓄水运行后，由于初期运行不善，4年间库容曾减少86.9%。宁夏回族自治区自1958-1975年间建成的大中型水库，有30%-70%的库容已被泥沙淤积。水库有效库容的大量损失，导致水库防洪标准降低，保证供水量减少，使水库的综合利用效益逐年下降。另外，水库的淤积常引起水库末端研磨、浸没面积的扩大。
（二）引河水灌溉时，同时也引进泥沙，这些泥沙淤塞了灌溉渠系，影响农业生产。
（三）利用多沙水流发电，加剧了泥沙对水轮机和泄流设备的磨损，堵塞了拦污栅。
（四）利用天然河道来发展航运时，需要考虑河槽中的深槽和浅滩的冲刷及淤积问题。
（五）多沙河流中下游地区泥沙的淤积降低了江河的泄洪能力，需不断加高加固防洪堤。如黄河由于泥沙淤积而成为“悬河”，大大增加了防洪工程的费用。
三、防治泥沙危害的措施
泥沙危害主要发生在多沙河流的中下游地区，河流中的泥沙主要是上游地区的水土流失所致。因此，在上游地区防止水土流失是防止泥沙危害的根本性措施。另外，在中下游地区采取合适的水库运用方式，也是减少泥沙危害的有效措施。
1、农林牧措施。指水土流失较为严重的地区通过植树造林、栽种牧草、禁止开荒或坡地改成梯田等形式，来增加植被，减少水土流失的措施。
2、水利工程措施。指在流域内修建古坊、塘、堰、小水库等工程来减少水土流失的措施。
3、多沙河流水库的调度措施。多沙河流水库的运用，既要满足蓄水兴利要求，又要控制泥沙淤积，保持水库长期使用。
四、河工模型在河流治理开发与保护中的作用
河工模型是将河流按相似原理缩成模型，在模型内研究各有关因素（水流，地形）在不同情况下变化的一种方法。模型的分类河工模型试验可分为定床和动床两大类。模型水流为清水，在水流作用下河床不发生变形的称为定床模型；模型水流挟带泥沙，在水流作用下河床会发生变形则称为动床模型。
（一）在大型水利工程建设中的作用
我国水电资源虽然丰富，但其分布很不均匀，各地的降水量和径流量差异很大。长江流域及其以南地区，水资源占全国的82%以上，耕地占36%，水多地少。长江以北地区， 耕地占64%，水资源不足18%，地多水少，其中粮食增产潜力最大的黄淮海流域的耕地占全国的41.8%，而水资源不到5. 7%。为了解决水资源分布不均的难题，我国兴建或正在兴建的许多长距离大型调水工程，如引黄济青工程、引黄济津工程、万家寨引黄入晋工程、南水北调中线与东线工程等。这些长距离大型调水工程建设过程中经常遇到穿过河流、跨越铁路或翻过障碍物等技术难题。针对这些技术难题，国内科研院校建立了南水北调中线总干渠穿漳河河工模型、南水北调中线总干渠穿黄河河工模型、南水北调中线与安阳河交叉工程河工模型、南水北调中线一期工程总干渠安阳河渠道倒虹吸河工模型、南水北调中线引江济汉取水口河工模型等。这些模型试验成果在确定和优化交叉建筑物结构型式、保证工程安全、认识工程附近河床泥沙冲淤变化规律及其对洪水和河势影响方面发挥了重要作用。 （二）在河道整治实践中的作用
自然条件下，河道尤其是平原河道的泥沙冲淤演变较为复杂，河道存在纵横向变形。为了充分发挥河道的防洪、航运及综合服务功能，需调控河势与实施河道综合整治。河道综合整治中与防洪有关的工程措施主要有护岸、裁弯、堵汊、局部河段扩卡和河势调整等。在河道整治实践中，无论长江、黄河还是其他河流，都曾采用河工模型试验研究河道整治方案及整治技术。例如，在长江干流重点河段河道整治规划与治理的工程措施和方案中，曾采用河工模型试验对重庆主城区河段、上荆江河段、下荆江河段、岳阳河段、武汉河段、九江河段、安庆河段、铜陵河段、芜裕河段、马鞍山河段、南京河段、镇扬河段、扬中河段、澄通河段、长江口河段等进行研究。通过模型试验研究，揭示了这些重点河段在一定的空间与时间范围内的某些演变过程及其发展趋势以及河道整治工程措施实施后的作用和影响程度，为研究河段规划、设计和综合治理提供了科学依据。
（三）在河流开发利用中的作用
河道岸线与洲滩均是有限的宝贵资源，在沿江经济发展中发挥越来越重要的作用。随着长江经济带的建设发展和我国西部大开发战略的实施，沿江各部门、各地区都对河流资源开发利用提出了新的更高要求。河道岸线开发利用主要有堤防护岸、跨河桥梁、隧道、取水口、排水口、港口码头、过江水底电缆等。在河流开发利用过程中，经常采用河工模型试验的技术手段研究拟建工程河段在工程前后的水流特性、泥沙冲淤特性以及拟建工程对防洪、河势及航道的影响， 同时根据模型试验成果对岸线资源利用和工程设计方案进行优化，并对河流开发利用过程中的不利影响提出相应的改善与减免措施。围绕河流开发利用，长江科学院曾利用河工模型对长江上游川江部分河段、武汉、黄石、九江、铜陵、芜湖等河段岸线利用和跨江桥梁、武汉和南京过江隧道、红花套穿江管道、寸滩和涪陵等港口码头等进行了试验研究， 为工程设计及防洪影响评价提供了技术支撑。
（四）在河流生态保护中的作用
河工模型除在传统河流开发利用领域发挥作用外，还在河道浓度场、温度场、污染物扩散和防止钉螺扩散及河流生态修复工程等生态与环境问题相关试验研究方面发挥作用。围绕这些新兴领域带来的关键技术问题，国内外相关科研机构先后开展了国电泰州电厂、南京大陆马渡电厂、岳阳电厂、国电铜陵电厂、华电芜湖电厂、马鞍山第三电厂等温排水河工模型、攀煤集团污水排放口工程河工模型、引江济汉取水口工程涵闸的水流特性及其对钉螺扩散影响的河工模型、德国莱茵河和美国密西西比河生态修复工程等试验研究，这些研究成果均被应用到科研、规划、工程设计和决策管理中。
（五）在河口海岸利用中的作用
新中国成立后，我国的河口海岸利用取得了重大发展， 新建和在建的深水航道和港口有长江口深水航道、神华黄骅港、上海洋山深水港、河北曹妃甸港、江苏如东港等，这些港口自然条件复杂，其中泥沙问题是必须要解决的重大问题。河口海岸水沙运动虽比河流复杂，但只要利用河工模型抓住所研究问题的关键，往往可获得较数学模型更为接近实际的结论。我国先后做过长江口、射阳河口、甬江口、钱塘江口、深圳河河口、上海洋山深水港模型、唐山曹妃甸港、天津和厦门深水港河工模型，针对河口航运问题、滩涂利用和港池泥沙淤积对航运带来的不利影响等关键技术问题开展了研究，为河口海岸问题的研究和解决提供依据，给河口海岸河工模型提供了可贵的经验，并对河口海岸学科的发展起了很大的作用。
五、结论
天然河流因受来水来沙条件、河床边界条件及出口侵蚀基准面等因素的影响而呈现非常复杂的演变过程。截至目前，在河流治理开发与保护中针对大型水利工程的泥沙问题或具体河段的演变趋势及治理工程的影响程度还不能完全依靠分析与数学模型计算的手段较好解决，而须借助河工模型试验手段进行较为深入的研究，以解决河流治理开发与保护中的相关技术难题。
关键词：河流泥沙；淤积现象；河工模型
一、泥沙及其特性
（一）什么是泥沙
泥沙是河水挟带的岩土颗粒。天然河流中常常挟带着大量的泥沙，河流中的泥沙主要是流域表面的土壤受暴雨或融雪冲刷后，汇入河流而形成的。河槽本身的冲刷，包括河底冲刷和河岸冲刷，也是河流泥沙的一个来源。此外，风沙的沉积会使河流的含沙量增加，不过这部分泥沙所占的比重很小。
（二）泥沙的特性
有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。泥沙颗粒的特性主要有：
1、重度，单位体积泥沙颗粒的重量，以千克/米3表示，其数值随泥沙的岩性不同而异，矿物成分主要是石英和长石，泥沙的重度一般约2650千克/米3。
2、粒径，泥沙颗粒大小的一种量度，有不同方法表示。常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径；筛径，即用具有不同孔径的标准筛，对泥沙进行分筛求出的粒径；沉降粒径，即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。
3、沉速，指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度，故又称泥沙的水力粗度。沉速综合反映颗粒和水的特性，因河流泥沙而是泥沙运动的一个重要参数。
4、细粒泥沙表面的物理化学性质，主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。细颗粒泥沙的絮凝和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。
（三）影响河流挟沙的因素
影响河流挟沙的因素很多，综合起来有两个：一是气候因素，二是下垫面因素，气候因素中影响最大的是降水。干旱地区植被较差，土壤含水量不足，使土壤变得松散，很容易被地面径流冲到河中。降水强度的大小对河流挟沙也有影响。降水强度大，地面径流增加，侵蚀加剧，使泥沙增多。下垫面因素，如土壤、植被和地形等的差异，都会影响河流泥沙含量的多少。
二、泥沙淤积引发的问题
我国北方有许多含沙量较高的多沙河流，如黄河及其许多支流。由于这些河流流经黄土高原地区，气候干旱，植被很差，夏秋季节暴雨集中，故水土流失严重。对于这些河流，由于泥沙淤积而引起的工程问题是十分突出的。
（一）在河流上修建水库，在水流挟带的泥沙进入库区后，因流速降低泥沙就慢慢沉积下来，淤积库底，缩短水库寿命。如三门峡水库，由于原计划对黄河泥沙认识不足，对泥沙的控制排泄注意不够，拦蓄洪水后库区淤积迅速发展，4年竟达33.95亿立方米，以致不得不停蓄改建。青铜峡水库1967年建成蓄水运行后，由于初期运行不善，4年间库容曾减少86.9%。宁夏回族自治区自1958-1975年间建成的大中型水库，有30%-70%的库容已被泥沙淤积。水库有效库容的大量损失，导致水库防洪标准降低，保证供水量减少，使水库的综合利用效益逐年下降。另外，水库的淤积常引起水库末端研磨、浸没面积的扩大。
（二）引河水灌溉时，同时也引进泥沙，这些泥沙淤塞了灌溉渠系，影响农业生产。
（三）利用多沙水流发电，加剧了泥沙对水轮机和泄流设备的磨损，堵塞了拦污栅。
（四）利用天然河道来发展航运时，需要考虑河槽中的深槽和浅滩的冲刷及淤积问题。
（五）多沙河流中下游地区泥沙的淤积降低了江河的泄洪能力，需不断加高加固防洪堤。如黄河由于泥沙淤积而成为“悬河”，大大增加了防洪工程的费用。
三、防治泥沙危害的措施
泥沙危害主要发生在多沙河流的中下游地区，河流中的泥沙主要是上游地区的水土流失所致。因此，在上游地区防止水土流失是防止泥沙危害的根本性措施。另外，在中下游地区采取合适的水库运用方式，也是减少泥沙危害的有效措施。
1、农林牧措施。指水土流失较为严重的地区通过植树造林、栽种牧草、禁止开荒或坡地改成梯田等形式，来增加植被，减少水土流失的措施。
2、水利工程措施。指在流域内修建古坊、塘、堰、小水库等工程来减少水土流失的措施。
3、多沙河流水库的调度措施。多沙河流水库的运用，既要满足蓄水兴利要求，又要控制泥沙淤积，保持水库长期使用。
四、河工模型在河流治理开发与保护中的作用
河工模型是将河流按相似原理缩成模型，在模型内研究各有关因素（水流，地形）在不同情况下变化的一种方法。模型的分类河工模型试验可分为定床和动床两大类。模型水流为清水，在水流作用下河床不发生变形的称为定床模型；模型水流挟带泥沙，在水流作用下河床会发生变形则称为动床模型。
（一）在大型水利工程建设中的作用
我国水电资源虽然丰富，但其分布很不均匀，各地的降水量和径流量差异很大。长江流域及其以南地区，水资源占全国的82%以上，耕地占36%，水多地少。长江以北地区， 耕地占64%，水资源不足18%，地多水少，其中粮食增产潜力最大的黄淮海流域的耕地占全国的41.8%，而水资源不到5. 7%。为了解决水资源分布不均的难题，我国兴建或正在兴建的许多长距离大型调水工程，如引黄济青工程、引黄济津工程、万家寨引黄入晋工程、南水北调中线与东线工程等。这些长距离大型调水工程建设过程中经常遇到穿过河流、跨越铁路或翻过障碍物等技术难题。针对这些技术难题，国内科研院校建立了南水北调中线总干渠穿漳河河工模型、南水北调中线总干渠穿黄河河工模型、南水北调中线与安阳河交叉工程河工模型、南水北调中线一期工程总干渠安阳河渠道倒虹吸河工模型、南水北调中线引江济汉取水口河工模型等。这些模型试验成果在确定和优化交叉建筑物结构型式、保证工程安全、认识工程附近河床泥沙冲淤变化规律及其对洪水和河势影响方面发挥了重要作用。 （二）在河道整治实践中的作用
自然条件下，河道尤其是平原河道的泥沙冲淤演变较为复杂，河道存在纵横向变形。为了充分发挥河道的防洪、航运及综合服务功能，需调控河势与实施河道综合整治。河道综合整治中与防洪有关的工程措施主要有护岸、裁弯、堵汊、局部河段扩卡和河势调整等。在河道整治实践中，无论长江、黄河还是其他河流，都曾采用河工模型试验研究河道整治方案及整治技术。例如，在长江干流重点河段河道整治规划与治理的工程措施和方案中，曾采用河工模型试验对重庆主城区河段、上荆江河段、下荆江河段、岳阳河段、武汉河段、九江河段、安庆河段、铜陵河段、芜裕河段、马鞍山河段、南京河段、镇扬河段、扬中河段、澄通河段、长江口河段等进行研究。通过模型试验研究，揭示了这些重点河段在一定的空间与时间范围内的某些演变过程及其发展趋势以及河道整治工程措施实施后的作用和影响程度，为研究河段规划、设计和综合治理提供了科学依据。
（三）在河流开发利用中的作用
河道岸线与洲滩均是有限的宝贵资源，在沿江经济发展中发挥越来越重要的作用。随着长江经济带的建设发展和我国西部大开发战略的实施，沿江各部门、各地区都对河流资源开发利用提出了新的更高要求。河道岸线开发利用主要有堤防护岸、跨河桥梁、隧道、取水口、排水口、港口码头、过江水底电缆等。在河流开发利用过程中，经常采用河工模型试验的技术手段研究拟建工程河段在工程前后的水流特性、泥沙冲淤特性以及拟建工程对防洪、河势及航道的影响， 同时根据模型试验成果对岸线资源利用和工程设计方案进行优化，并对河流开发利用过程中的不利影响提出相应的改善与减免措施。围绕河流开发利用，长江科学院曾利用河工模型对长江上游川江部分河段、武汉、黄石、九江、铜陵、芜湖等河段岸线利用和跨江桥梁、武汉和南京过江隧道、红花套穿江管道、寸滩和涪陵等港口码头等进行了试验研究， 为工程设计及防洪影响评价提供了技术支撑。
（四）在河流生态保护中的作用
河工模型除在传统河流开发利用领域发挥作用外，还在河道浓度场、温度场、污染物扩散和防止钉螺扩散及河流生态修复工程等生态与环境问题相关试验研究方面发挥作用。围绕这些新兴领域带来的关键技术问题，国内外相关科研机构先后开展了国电泰州电厂、南京大陆马渡电厂、岳阳电厂、国电铜陵电厂、华电芜湖电厂、马鞍山第三电厂等温排水河工模型、攀煤集团污水排放口工程河工模型、引江济汉取水口工程涵闸的水流特性及其对钉螺扩散影响的河工模型、德国莱茵河和美国密西西比河生态修复工程等试验研究，这些研究成果均被应用到科研、规划、工程设计和决策管理中。
（五）在河口海岸利用中的作用
新中国成立后，我国的河口海岸利用取得了重大发展， 新建和在建的深水航道和港口有长江口深水航道、神华黄骅港、上海洋山深水港、河北曹妃甸港、江苏如东港等，这些港口自然条件复杂，其中泥沙问题是必须要解决的重大问题。河口海岸水沙运动虽比河流复杂，但只要利用河工模型抓住所研究问题的关键，往往可获得较数学模型更为接近实际的结论。我国先后做过长江口、射阳河口、甬江口、钱塘江口、深圳河河口、上海洋山深水港模型、唐山曹妃甸港、天津和厦门深水港河工模型，针对河口航运问题、滩涂利用和港池泥沙淤积对航运带来的不利影响等关键技术问题开展了研究，为河口海岸问题的研究和解决提供依据，给河口海岸河工模型提供了可贵的经验，并对河口海岸学科的发展起了很大的作用。
五、结论
天然河流因受来水来沙条件、河床边界条件及出口侵蚀基准面等因素的影响而呈现非常复杂的演变过程。截至目前，在河流治理开发与保护中针对大型水利工程的泥沙问题或具体河段的演变趋势及治理工程的影响程度还不能完全依靠分析与数学模型计算的手段较好解决，而须借助河工模型试验手段进行较为深入的研究，以解决河流治理开发与保护中的相关技术难题。