中美研究初步揭示黄河输沙原因 有望助力防洪减灾

2017年05月14日12:55  来源:新华社
 

  黄河是中华民族的母亲河,但由于水少沙多,历史上也是水灾不断的一条河流。中美研究人员12日报告说,他们初步揭示了黄河高效输沙的内在原因,获得的输沙公式将有助于预测和防止黄河洪涝灾害的发生,并为相关科学决策提供依据。

  论文第一作者、美国赖斯大学博士后马宏博对新华社记者介绍说,黄河输沙非常高效,中游的黄土高原曾经每年给黄河下游补给16亿吨泥沙,其中10亿吨输运到渤海。相比之下,美国密西西比河水量是黄河的10倍,但只能把3.5亿吨泥沙输运到墨西哥湾。“只是黄河沙太多了,即使黄河如此高效输沙,也没办法把泥沙完全带走,导致黄河河床抬高、洪水频发”。

  此前,泥沙运动规律研究主要是针对粒径大于0.15毫米的较粗泥沙,相关输沙公式也较适用于较粗泥沙环境。但黄河与一般河流不同,它携带有大量的极细颗粒泥沙,粒径小于0.15毫米,这种极细沙的运动规律十分复杂,所以研究还不充分。

  在发表于美国《科学进展》杂志上的最新研究中,赖斯大学与黄河水利科学研究院、清华大学等机构合作,利用中方参与人员多年积累的高质量水沙数据,并结合过去3年在黄河现场专门观测获得的床面形态资料,分析得到了具有普适性的黄河细沙输沙公式,并初步解释了这个现象背后的物理机制。

  研究结果显示,细沙输沙特征与粗沙输沙显著不同,细沙输沙量在同样的水力学条件下是粗沙输沙量的10到100倍。细沙输沙率较高,可能与黄河河床无法形成规则的沙垄床面形态有关系。沙垄类似于沙漠沙丘,一般粗沙质河流的河床都会形成沙垄,从而造成巨大的水流阻力,大量耗费水流能量,导致输沙率降低。

  “沙垄对泥沙运动的影响可以想象成我们在一个颠簸的路段开车,车是没法开快的,”马宏博说,“黄河床面由于没有沙垄,接近平床,所以近乎所有的水流能量都能被用来输沙,使得输沙效率急剧增加,就像我们在高速公路上可以开快车一样。”

  研究人员还猜想,黄河无法形成沙垄,可能是因为细沙在运动时多以悬浮为主,很少在床面附近运动,所以无法构造床面形态结构。

  马宏博说,他们提出的公式可以用来分析径流变化和其他人工活动对黄河下游河道、三角洲演变的影响,为科学决策提供依据。例如,他们的公式可分析建坝如何影响输沙效率和洪水风险,而“这些情况之前是没有一个很好的估算的”。

  除黄河外,这个输沙公式也有望用于研究包括细沙河流和海岸线在内的其他细沙环境,甚至用于研究火星上古河流等环境的地貌演变过程。

  该研究工作获得了中国国家自然科学基金委员会与美国国家科学基金会的资助,并得到黄河水利委员会的大力支持。(记者林小春)

(责编:唐萌(实习生)、常红)

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