本文摘要: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河流。

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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河流。中美研究人员12日报道,他们初步揭示了黄河高效输砂的内在原因,获得的输砂公式有助于预测和防止黄河洪水灾害的发生,为相关科学决策提供依据。论文第一作者、美国莱斯大学博士后马宏博向新华社记者介绍,黄河输沙非常高效,中游黄土高原每年补给黄河下游16亿吨泥沙,其中10亿吨运往渤海。相比之下,美国密西西比河流量是黄河的10倍,但只能将3.5亿吨的泥沙运往墨西哥湾。

只是黄河砂太多,即使黄河输得这么高效,也不能完全带走砂土,黄河床上升,洪水频发。迄今为止,砂土运动规律研究主要针对粒径在0.15mm以上的粗砂,相关砂土输送公式也适用于粗砂环境。但是黄河不同于一般的河流,它带有大量的极细颗粒泥沙,粒径小于0.15mm,这种极细砂的运动规律非常复杂,所以研究还不够充分。

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在美国《科学进展》杂志发表的最新研究中,莱斯大学与黄河水利科研院、清华大学等机构合作,利用中方参加者多年积累的高品质水沙数据,结合过去3年在黄河现场专门观察的床面形态资料,分析了普遍的黄河细沙输送公式,初步说明了这一现象背后的物理机制。研究结果显示,细砂输送沙特征与粗砂输送沙显着不同,细砂输送沙量在同一水力学条件下是粗砂输送沙量的10~100倍。细砂输砂率高,可能与黄河床不能形成规则的沙垄床面形态有关。沙垄与沙漠沙丘相似,一般粗沙质河流河床形成沙垄,引起巨大的水流阻力,大量消耗水流能量,降低输沙率。

沙垄对泥沙运动的影响可想而知,我们在摇晃的道路上开车,车开不快,马宏博说,黄河床没有沙垄,靠近平床,大部分水流能量都可以用来输送沙子,输送沙子的效率急剧增加,就像我们在高速公路上开快车一样。研究人员还预计,黄河不能形成沙垄,可能是因为细沙在运动时多以悬浮为主,很少在床附近运动,所以不能构成床的形态结构。

马宏博表示,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、三角洲进化的影响,为科学决策提供依据。例如,他们的公式可以分析建设水库如何影响砂输送效率和洪水风险,但这些情况以前没有好的估算。

除了黄河之外,这种输沙公式也有望用于研究其他细沙环境,包括细沙河流和海岸线,甚至用于研究火星上古河流等环境的地貌演变过程。该研究工作得到中国国家自然科学基金委员会和美国国家科学基金会的资助,得到黄河水利委员会的大力支持。

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