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前言1

第1章　挟沙水流基本特性1

1.1 Einstein推移质公式的修正1

1.1.1　引言1

1.1.2　推移质公式的推导1

1.1.3　卵石河床输沙率公式4

1.1.4　公式验证5

1.2　推移质颗粒三维运动规律9

1.2.1　引言9

1.2.2 PTV技术11

1.2.3　推移质颗粒三维运动的平均特性14

1.2.4　推移质颗粒三维运动的紊动特性18

1.2.5　推移质颗粒单步运动的统计规律23

1.3　悬移质颗粒的三维运动规律27

1.3.1　引言27

1.3.2　颗粒三维运动的时均特性28

1.3.3　颗粒三维运动的紊动特性35

参考文献43

2.1　大河流的水流输沙能力46

2.1.1　引言46

第2章　水流输沙能力46

2.1.2　数据来源47

2.1.3　大水深与小水深水流的泥沙输移48

2.1.4　输沙能力研究的能量观点49

2.1.5　大河流的输沙能力公式51

2.1.6　与其他公式的比较53

2.2　床沙非均匀性对输沙能力的影响57

2.2.1　问题的提出57

2.2.2　床沙粒径的对数正态分布59

2.2.3　床沙非均匀性的影响61

2.2.4　特征粒径63

2.2.5　修正因子的检验64

2.3　黄河的输沙能力计算69

2.3.1　现有适用于黄河的公式概述70

2.3.2　水流输沙能力公式的修正方法71

2.3.3　验证分析及推荐公式73

2.4　非均匀沙的分组输沙能力计算74

2.4.1　引言74

2.4.2　分组输沙能力理论75

2.4.3　分组输沙能力计算方法78

2.5.2　高含沙对水流输沙能力的影响86

2.5.1　不平衡输沙条件下的水流输沙能力86

2.5　水流输沙能力研究的发展86

2.5.3　非均匀沙分组输沙能力87

2.5.4　单宽水流输沙能力与点水流输沙能力88

2.5.5　其他一些相关问题89

参考文献89

第3章　高含沙水流动力学95

3.1　高含沙水流运动概述95

3.1.1　高含沙水流的运动形式95

3.1.2　泥沙运动机理的统一性96

3.2.1　引言98

3.2　基于Boltzmann方程的快速颗粒流模型98

3.2.2　颗粒流的基本方程99

3.2.3　颗粒流的本构关系100

3.2.4　简单剪切流102

3.2.5　颗粒流模型的验证105

3.2.6　颗粒流模型的应用106

3.3　基于Boltzmann方程的颗粒流模型的适用条件109

3.3.1 基于Chapman-Enskog法的颗粒相本构关系分析109

3.3.2　基于Grad-13矩法的颗粒相本构分析114

3.3.3　快速颗粒流本构关系的适用条件估计116

3.4 基于颗粒运动Lagrange方程的PDF模型117

3.4.1　基于颗粒运动Lagrange方程的动理学方程118

3.4.2 动理学方程的Chapman-Enskog二阶近似解123

3.4.3　颗粒相的本构关系124

3.4.4　极限条件下的颗粒相模型127

3.4.5　简单剪切流下的模型验证129

3.4.6 明渠水流中的模型应用136

参考文献140

第4章 泥沙实体模型试验144

4.1　三峡枢纽地下电厂运行条件下的坝区淤积形态144

4.1.1　三峡工程坝区泥沙模型的选沙及比尺设计144

4.1.2　永久船闸引航道有、无隔流堤方案的试验147

4.1.3　三峡工程通航建筑物总体布置（小包、大包）方案试验151

4.1.4　三峡工程通航建筑物总体布置（全包）方案试验153

4.2　三峡枢纽地下电厂运行条件下的坝区淤积形态156

4.2.1　坝前淤积形态发展过程157

4.2.2　坝前流态与地下电厂引水流量问题158

4.2.3　上游引航道非恒定冲沙过程160

4.2.4　考虑非恒定流过程后对模型冲沙时间的修正161

4.3 2007年三峡蓄水位论证：重庆主城区河段河道实体模型试验163

4.3.1　模型比尺164

4.3.2 20世纪90年代水文系列试验的主要成果165

4.3.3 20世纪60年代水文系列试验的主要成果168

4.3.4　坝前水位优化调度方案探索性试验成果170

参考文献172

第5章　水流泥沙数学模型研究173

5.1　泥沙数学模型理论研究173

5.1.1　不平衡输沙方程173

5.1.2　三维泥沙运动的河床边界条件174

5.1.3　简单或平面二维情况的泥沙运动的恢复饱和系数177

5.1.4　天然河道一维的恢复饱和系数178

5.1.5　天然河道一维数学模型计算冲淤的断面修正180

5.1.6　理论成果的检验与验证181

5.1.7　挟沙能力计算方法187

5.2　一维不恒定水流及泥沙数学模型191

5.2.1　数学模型基本框架191

5.2.2　模型检验与验证194

5.3　一维数学模型在三峡工程中的应用200

5.3.1　三峡水库设计运行方案的泥沙淤积计算201

5.3.2　三峡水库动防洪库容204

5.3.3　三峡水库防洪调节计算206

5.3.4　三峡水库拦洪对库区影响及问题208

5.3.5　枝城补偿调度对城陵矶以下防洪影响和改进研究211

5.3.6　三峡水库减淤增容优化调度研究214

5.4　平面二维不恒定水流泥沙模型230

5.4.1　平面二维不恒定水流、泥沙数学模型框架230

5.4.2　数学计算方法和特殊问题处理232

5.4.3　二维水流泥沙模型验证233

5.4.4　二维水流泥沙模型在三峡工程的应用239

5.4.5　二维水流泥沙模型在河道演变研究中的初步应用247

5.5　三维水流泥沙数学模型及其初步应用252

5.5.1　三维水流、泥沙数学模型基本方程252

5.5.3　方程离散和求解256

5.5.2　边界条件256

5.5.4　坐标系统和计算网格258

5.5.5　模型验证259

5.5.6　三维水流泥沙模型的初步应用264

5.6　存在问题讨论268

5.6.1　关于挟沙能力公式的应用269

5.6.2　数学模型在三峡应用中存在的一些问题270

参考文献275

6.1.1　研究范围279

6.1.2　模型现状279

6.1　研究现状279

第6章　流域泥沙过程模拟279

6.2　流域泥沙过程机理280

6.2.1　黄土高原区产沙机理280

6.2.2　模型系统框架285

6.3　坡面产沙模型288

6.3.1　坡面产沙模型的概化288

6.3.2　坡面产沙计算公式289

6.3.3　参数m的确定291

6.3.4　坡面产沙模型的验证291

6.4　河网汇流与输沙模型293

6.4.1　精确扩散波汇流模型294

6.4.2　沟道输沙计算297

6.4.3　沟道水沙计算的验证298

6.5　重力侵蚀模型299

6.5.1　沟坡重力侵蚀物理图景概化299

6.5.2　沟坡重力侵蚀力学分析301

6.5.3　沟坡失稳的不确定性分析307

6.6　流域泥沙过程模拟实例311

6.6.1　岔巴沟流域产沙计算311

6.6.2　黄土高原多沙粗沙区流域泥沙过程模拟319

6.6.3 1977年龙门—利津河段的模拟计算329

参考文献341

第7章　植被演变与侵蚀产沙的动力学过程343

7.1　绪论343

7.2　植被及其影响因素345

7.2.1　植被与气候、土壤和人类活动的关系345

7.2.2　植被覆盖度、植被厚度和植被活力346

7.2.3　生态应力347

7.2.4　植被修复、生态弹性和植被演替348

7.3　滨河植被349

7.3.1　滨河植被在河床演变中的作用349

7.3.2　滨河植被调查方法350

7.3.3　利用滨河植被研究河床演变353

7.4　植被—侵蚀动力学355

7.4.1　生态应力的定量表达355

7.4.2　植被—侵蚀动力学方程组357

7.4.3　植被—侵蚀动力学模型的应用及参数的确定359

7.5　植被—侵蚀状态图及其应用362

7.5.1　植被—侵蚀状态图362

7.5.2　典型流域的植被—侵蚀状态图364

7.6　我国主要流域植被—侵蚀动力学分析369

7.6.1　植被—侵蚀动力学参数的经验关系370

7.6.2　黄土高原植被—侵蚀动力学分析374

7.6.3　长江上游地区植被—侵蚀动力学分析379

7.6.4　华北土石山区植被—侵蚀动力学分析382

7.6.5　南方红壤侵蚀区植被—侵蚀动力学分析383

7.7　水土流失地区人工加速植被演替的动力学过程384

7.7.1 造林加速植被恢复发育与土壤侵蚀变化过程385

7.7.2　造林加速植被演替过程386

参考文献389

第8章　水沙流中重金属污染物的迁移扩散392

8.1 引言392

8.2.1　试验装置394

8.2　试验概况394

8.2.2　试验用沙的性质395

8.3　试验内容和方法396

8.3.1　硝酸铵扩散试验397

8.3.2　沙掺混与沙扩散试验397

8.3.3　铜扩散试验398

8.3.4　铜吸附速率试验400

8.3.5　预试验和辅助试验400

8.4　试验结果与分析401

8.4.1　铜吸附速率实验结果和分析401

8.4.2　不同扩散物质的扩散速度的比较404

8.4.3　泥沙对扩散的影响406

参考文献414

第9章 山区河流泥沙运动416

9.1 山区河流泥沙问题416

9.1.1　山区河流水沙基本特性416

9.1.2　山区河流泥沙灾害418

9.1.3　山区河流河床演变419

9.1.4　山区河流工程泥沙问题421

9.2.1　存在的问题422

9.2　山区河流卵石推移质运动422

9.2.2　推移质运动423

9.3　复式河槽水流泥沙特性429

9.3.1　复式河槽阻力系数429

9.3.2　植被作用下的复式河槽水流特性433

9.3.3　全动床复式河槽水沙特性437

9.4　山区河流泥沙数学模型439

9.4.1 CRS—1模型440

9.4.2　模型验证计算442

参考文献444

10.1　泥沙运动基本规律446

10.1.1　水流作用下的泥沙起动规律446

第10章　河口泥沙运动446

10.1.2　波浪作用下的泥沙起动规律448

10.1.3　潮流和波浪的挟沙能力452

10.2　河口全沙模型相似理论453

10.2.1　潮流的相似条件453

10.2.2　波浪的相似条件454

10.2.3　悬沙的相似条件457

10.2.4　底沙的相似条件459

10.3　河口模型变率影响461

10.3.1　系列变率模型设计461

10.3.2　系列模型验证464

10.3.3　无丁坝时模型变率影响试验468

10.3.4　有丁坝时模型变率影响试验470

10.4　河口泥沙数学模型474

10.4.1　泥沙基本方程474

10.4.2　全沙数学模型建立475

10.4.3　模型验证478

10.4.4　航道回淤预测及与实测对比481

参考文献485

第11章 三峡水库汛限水位优化调度486

11.1 前言486

11.2.1　汛限水位优化调度目标489

11.2　三峡水库汛限水位优化调度目标分析489

11.2.2　汛限水位优化调度方案490

11.2.3　求解思路492

11.3　三峡水库汛限水位优化调度的防洪限制条件492

11.3.1　汛前推迟落水对防洪的影响492

11.3.2　汛后提前蓄水对防洪的影响493

11.3.3　上游建库情况下优化调度对防洪的影响499

11.4　三峡水库汛限水位优化调度的发电效益500

11.4.1　发电调度计算原理500

11.4.2　汛限水位优化调度发电效益分析502

11.4.3　上游建库情况下优化调度发电效益503

11.5　三峡水库汛限水位优化调度对航运的影响504

11.5.1 汛限水位优化调度对枯水期下泄流量的影响504

11.5.2　汛限水位优化调度对变动回水区航运的影响505

11.6　三峡水库汛限水位优化调度方案综合比选521

11.6.1　发电效益521

11.6.2　航运补偿522

11.6.3　优化方案比选523

参考文献523

第12章　流域水沙配置525

12.1　前言525

12.2　流域水沙资源优化配置理论框架526

12.3　流域泥沙资源系统与其他系统的关系及配置原则527

12.3.1　流域泥沙资源系统与其他系统的关系527

12.3.2　流域泥沙资源配置的原则与任务529

12.4　流域泥沙资源优化配置的原理530

12.4.1　泥沙优化配置的目标函数530

12.4.2　多目标泥沙资源优化配置方法532

12.4.3　流域泥沙资源配置的平衡关系533

12.4.4　流域泥沙资源配置的机制534

12.5.1　流域水沙资源量的控制关系535

12.5 流域水沙资源联合配置的控制条件535

12.5.2　流域水沙联合配置的运动输移控制方程536

12.5.3　流域水沙联合配置的分配关系536

12.5.4　流域水沙联合配置的工程技术条件537

12.6　河床演变均衡稳定原理——河流熵原理538

12.6.1　河流水力熵和统计熵538

12.6.2　明渠流水力熵和统计熵539

12.6.3　河流最小可用能耗率原理和统计熵540

12.7　流域水沙资源配置措施543

12.7.1　水力调控措施543

12.7.2　机械挖泥配置措施545

12.7.3　工程配置措施546

12.7.4　流域泥沙生态配置技术548

12.7.5　流域泥沙资源化的途径549

12.8　流域水沙资源优化配置模型550

12.8.1　流域水沙资源优化配置数学模型框架550

12.8.2　河床演变均衡稳定数学模型551

12.8.3　流域水沙资源多目标优化配置数学模型554

12.9 流域水沙资源优化配置数学模型在黄河下游的初步应用560

12.9.1 黄河下游河床演变均衡稳定数学模型计算结果及分析560

12.9.2　黄河下游水沙资源多目标优化配置数学模型561

12.9.3　黄河下游水沙资源多目标优化配置模式与计算结果分析563

参考文献565

第13章 黄河泥沙研究567

13.1　概述567

13.2　高含沙水流的模型试验方法568

13.2.1　模型相似条件568

13.2.2　模型相似率验证569

13.3　高含沙水流数学模型576

13.3.1　准二维数学模型576

13.3.2　模型验证计算579

13.4.2　模型试验结果580

13.4.1　实体模型概况580

13.4　小浪底水库拦沙初期运用方式研究580

13.4.3　数学模型计算结果582

13.4.4　小浪底水库运用以来实测资料分析585

13.5　黄河下游河床形态调整过程特点586

13.5.1　模型概况586

13.5.2　试验结果586

13.5.3　数学模型预测结果589

13.6　黄河调水调沙试验590

13.6.1　水库异重流研究及运用590

13.6.2　下游主槽过流能力预测技术597

13.6.3　调水调沙对黄河下游影响预测598

参考文献599

第14章　长江泥沙研究600

14.1　前言600

14.2　长江水流泥沙运动规律600

14.2.1　水流运动特性600

14.2.2　水流挟沙力604

14.2.3　泥沙起动规律605

14.3　长江与洞庭湖水沙关系606

14.3.1　江湖水沙关系变化606

14.3.2　江湖水沙关系调整对长江和洞庭湖的影响611

14.4　近50年长江中下游河道演变特点612

14.4.1　总体河势基本稳定，局部河势变化较大612

14.4.2　河道总体冲淤相对平衡，部分河段冲淤幅度较大613

14.4.3　荆江和洞庭湖关系的调整幅度加大613

14.4.4　人为因素的影响增强，但未改变河道演变基本规律615

14.4.5　坐崩（窝崩）是长江中下游岸线崩退和护岸工程崩毁的主要形式615

14.5　水库泥沙淤积615

14.5.1　水库泥沙淤积规律615

14.5.2　水库变动回水区河道演变特点620

14.6.1　坝区河势规划与枢纽布置621

14.6　水利枢纽坝区泥沙问题621

14.6.2　坝区河段河势及泥沙冲淤变化623

14.6.3　通航建筑物引航道泥沙淤积及防淤和清淤措施研究624

14.6.4　水电站的泥沙问题626

14.7　水利枢纽下游江湖演变与影响628

14.7.1　三峡工程建成后长江中下游江湖冲淤变化628

14.7.2　三峡工程建成后荆江河段河道演变趋势633

参考文献636

回忆Hans Albert Einstein以及我们的共同生活638

钱宁生平和他的著作《泥沙运动力学》691

追求工、理、文科的融合——钱宁学术思想与教育思想概述698