小浪底水库库区及下游河道冲淤变化研究

利用小浪底水库运用以来至2008年的实测资料,对库区及下游河道的演变情况进行了研究。结果表明:①截至2008年4月,小浪底库区共淤积泥沙23.22亿m3,干、支流淤积比例分别为84.3%、15.7%;②小浪底水库干流淤积形态为水库回水末端附近的三角洲淤积及三角洲以下的异重流和浑水水库的淤积体;③小浪底水库下闸蓄水运用以来,黄河下游各河段均发生了冲刷,利津以上河段冲刷15.89亿t;④截至2008年汛初,花园口以上河段平滩流量已增大至6 000m3/s,花园口—高村河段平滩流量增大为4 500 m3/s左右,高村—艾山为3 800 m3/s左右,艾山以下大部分河段为4 000m3/s以上;⑤2002—2005年小浪底水库调水调沙年均增加黄河下游冲刷量0.18亿t。     

小浪底水库对下游河道的冲刷效果及趋势预测

对小浪底水库对黄河下游河道的冲刷效果及趋势进行了分析和预测,结果表明:①小浪底水库投入运用以来,通过水库拦沙和调水调沙,黄河下游冲刷效果明显,至2010年10月,黄河下游河道累计冲刷泥沙19.4亿t,2 000 m3/s同流量水位下降1.6 m左右,下游河道主槽最小过流能力由2002年汛初的不足1 800 m3/s提高至4 000 m3/s;②在小浪底水库主要拦沙期的2008—2020年,下游河道基本不淤积,2020年以后下游河道快速回淤,在2028年左右回淤量达到建库前水平,届时小浪底水库拦沙期恢复的4 000 m3/s左右的中水河槽将难以维持。建议尽早开工建设古贤水利枢纽,争取在2025年前后建成生效。     

小浪底水库拦沙初期黄河下游冲淤效果分析

根据实测资料分析了1999年11月～2007年10月小浪底水库拦沙初期黄河下游河道冲淤变化情况,结果表明:①小浪底水库运用8年来,累计冲刷量为10.549亿m3,其中汛期冲刷量占全年冲刷量的69%,花园口洪峰流量大于2 000 m3/s的洪水冲刷量占总冲刷量的38%,6次调水调沙冲刷量占总冲刷量的20%;②下游河道冲刷量具有两头大、中间小的特征,冲刷强度沿程逐渐减弱,高村以上河段的断面形态调整为展宽和下切同时进行,高村以下河段以下切为主;③下游河床明显粗化,主槽过流能力明显增加;④平滩流量基本为3 650-5 800 m3/s,部分河段仍小于4 000 m3/s的低限标准.     

基于水库群联合调度和人工扰动的黄河调水调沙

为减少小浪底水库及下游河段的淤积，通过水库群的联合调度充分利用万家寨、三门峡、小浪底等干流水库汛前蓄水，在小浪底库区人工塑造异重流，加大小浪底水库的排沙量。同时辅以人工的泥沙扰动措施，调整了库尾段不利的淤积形态。利用进入下游河道水流富余的挟沙能力，在黄河下游“二级悬河”及主槽淤积最为严重的卡口河段实施河床泥沙扰动，减轻下游淤积并扩大下游河道的主槽过洪能力。试验取得了预期效果，小浪底库区淤积三角洲冲刷泥沙1.329亿m3，设计淤积平衡纵剖面以上淤积的3850万m3泥沙全部冲刷消除，小浪底库尾淤积形态得到合理调整；下游卡口河段扰起泥沙164.13万m3，扰沙河段的平滩流量增加了510～640m3/s；下游河道利津以上各河段均发生冲刷，小浪底～利津河段共冲刷0.665亿t。说明通过调水调沙塑造适当的水沙过程，可以遏制黄河下游河道形态恶化的趋势。     

小浪底水库拦沙对黄河下游河道的减淤作用

在小浪底水库蓄水拦沙期,进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,含沙量急剧降低,中水流量持续时间增长,水库调水调沙提高了河道输沙能力,改善了泥沙淤积部位。拦沙期(1999年10月—2018年10月),黄河下游河道共计冲刷21.015亿m~3。分析小浪底水库运用以来黄河下游河道泥沙冲淤时空变化特性及水库对水沙的调控效果,对比计算有、无小浪底水库两种工况下黄河下游河道冲淤量变化及减淤作用。水库拦沙期黄河下游河道减淤比为1.373∶1,其拦沙减淤效果与水沙条件、水库运用方式及河道边界等因素有关。     

小浪底水库对下游游荡河段河床形态与过流能力的影响

小浪底水库蓄水拦沙以来,进入黄河下游的泥沙大幅度减少,引起了下游河道的再造床过程。以黄河下游游荡河段1986-2015年实测大断面资料为基础,从河床冲刷量、平滩河槽形态、平滩流量等方面分析了小浪底水库运行前后黄河下游游荡河段的河床调整过程及过流能力变化,并还原了无小浪底水库时的平滩河槽形态参数及平滩流量。研究结果表明:小浪底水库运行后,黄河下游河道持续冲刷,累计冲刷量为18. 6亿m~3,其中游荡河段所占比重达到72%。典型断面及河段尺度的平滩河槽形态调整明显,平滩河宽与水深增加,河相系数逐年递减,横断面形态总体向窄深方向发展。主槽过流能力明显增加,河段平滩流量都有不同程度增加,游荡河段内三个分河段的增幅分别为3 381 m~3/s、4 450 m~3/s及4 590 m~3/s。还原了无小浪底水库条件下2015年汛后游荡河段的平滩面积及平滩流量计算值,分别为有小浪底水库时的64%和80%。     

黄河下游水沙条件对河道冲淤的影响

根据1950年以来黄河下游河道实测水沙资料,分析了黄河下游河道汛期淤积比与小浪底站径流量、输沙量、平均流量、平均含沙量和采沙系数的关系;根据2002-2008年小浪底水库8次调水调沙期间的实测数据,进一步分析了调水调沙时黄河下游河道水沙条件对河道冲淤的影响.结果表明:黄河下游河道汛期淤积比随小浪底站径流量或平均流量的增大而减小,随小浪底站平均含沙量或来沙系数的增大而增大;调水调沙期间下游河道均发生了冲刷,河道淤积比随来沙量、出库平均含沙量和来沙系数的增大而增大,随出库径流量和洪水历时的增大而减小;2007年汛后小浪底出库调控流量为3 600 m3/s、舍沙量为40 kg/m3时,下游河道基本达到冲淤平衡.     

小浪底水库运用后黄河下游河床调整规律

小浪底水库的运用改变了坝下游的水沙条件,引起了黄河下游河道的再造床过程,给防洪及滩地利用等带来了一系列影响。利用黄河下游1999—2015年水沙及断面地形等实测资料,分析了近期黄河下游河床的调整过程及特点:1进入下游河道的年均沙量仅为0.88亿t,累计河床冲刷量达18.7亿m3,其中游荡段冲刷量占总冲刷量的72%,在冲刷过程中河道纵比降变化不大,河床粗化较为明显,床沙中值粒径由建库前的0.06 mm增大到水库运用后的0.15 mm;2河床断面形态调整较为显著,下游各河段调整均表现为向窄深方向发展,其中游荡段主槽展宽较为明显,平滩河宽由1999年的943 m增大到2015年的1 275 m,过渡段及弯曲段的平滩河宽调整较小,此外各河段平滩流量也显著增大,游荡段、过渡段、弯曲段平滩流量分别由1999年汛后的3 229、2 339、3 080 m3/s增大到2015年汛后的7 126、4 864、4 721m3/s;3河床平面形态总体保持稳定,各河段深泓摆动幅度均有所下降,其中游荡段的年平均深泓摆动幅度由建库前的234 m降低到水库运用后的123 m;4河段尺度的平滩河槽形态参数(如平滩河宽、平滩水深、平滩面积、平滩流量)及深泓摆动强度与水库运用后前4 a平均的水流冲刷强度密切相关。     

黄河下游河床可能最大冲刷深度分析

1999年10月小浪底水库投入运用至2017年4月黄河下游河道累计冲刷量达29亿t,已超出以往研究提出的下游河道最大冲刷量,河道持续冲刷对下游供水和灌溉带来了严重影响。分析了三门峡水库拦沙期、小浪底水库运用以来下游河道冲刷变化及其对水位、比降等的影响,采用冲刷极限状态法和数学模型计算,分别预估了未来下游河床可能最大冲刷深度,并提出工程设计推荐采用成果,相比小浪底水库投入前,下游花园口至利津河段沿程自上至下最大冲刷深度为5.01 m～2.09 m,考虑2015年汛前已有冲刷,未来仍可继续冲刷1.66 m～0.54 m。成果可为黄河下游引黄涵闸改建及涉河项目洪水影响评价提供参考。     

黄河水沙调控现状与效果

总结了黄河水沙调控工程体系现状已建骨干工程运用情况,研究了现状水库对水沙过程的调节作用,以及水库和河道冲淤对水沙调控的响应。提出1986年龙羊峡和刘家峡水库联合运用改变了黄河上游径流年内分配比例和过程,导致宁蒙河道淤积加重;2002年三门峡水库改变运用方式以来,小北干流河道冲刷,潼关高程维持在328 m附近;1999年小浪底水库下闸蓄水以来至2016年汛后全下游累计冲刷量达28.34亿t,河道最小平滩流量由2002年汛前的1 800 m~3/s增加至4 200 m~3/s。但现状水沙调控不能有效解决宁蒙河道河槽淤积萎缩问题,同时在控制潼关高程和治理小北干流方面存在局限性,调水调沙过程中也暴露出后续动力不足问题,水沙调控体系需要进一步完善。     

黄河小浪底水库初期运用与下游河道冲淤的响应

根据实测资料,分析了小浪底水库初期运用(2000-2006年)期间水库淤积的特点,重点研究了水库运用对下游来水来沙条件的改变、下游河道冲刷及其特点、水库与河道泥沙冲淤的关系等等,并与三门峡水库蓄水拦沙运用期间下游河道的变化进行了对比,据此对小浪底水库运用及调水调沙提出了建议。     

黄河干流梯级开发构架与泥沙控制布局研究

大量实测资料分析表明,黄河流域主要的产沙区间为河口镇至潼关区间,黄河支流按入黄沙量大小排序为渭河、无定河、窟野河、北洛河、祖厉河、皇甫川、延河、清涧河、洮河、汾河等。对黄河干流36个梯级开发工程、13条主要来沙支流224座水库研究表明,干流龙羊峡、刘家峡、大柳树、碛口、古贤、三门峡、小浪底等七大骨干工程的总库容为944.97亿m3,总有效库容为472.26亿m3,拦沙库容为466.65亿m3,分别占36个梯级水库拦沙总库容的91%9、3%、90%。小浪底水库虽然具有巨大的拦沙库容,但是其上游水库或者未建、或者淤满、或者位于来沙区上游,因此其拦沙压力巨大,剩余拦沙年限仅10余年。小浪底水库淤满后,黄河泥沙将失去控制,会对黄河下游防洪构成危害。     

黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值研究

考虑黄河未来可能的水资源条件,以及生态保护、经济社会发展多目标对水量年内过程分布需求,根据黄河下游水沙资料、河道冲淤资料,采用实测资料分析、公式计算、数学模型模拟等多种方法研究了有利于黄河下游河流生态良性维持的平衡输沙的沙量阈值。未来进入黄河下游的年来水量为250亿m~3左右,实测资料分析和公式计算表明,未来较小的平衡输沙阈值为2.0～2.2亿t。数学模型计算在小浪底水库等现有工程联合调控作用下黄河下游平衡输沙的临界沙量为2.5亿t。中游古贤水库建成后和小浪底水库联合调度,可以进一步提高汛期的输沙效率,平衡输沙的沙量阈值可进一步提高。研究成果对黄河下游治理具有重要意义,可为黄河泥沙处置措施优化提供技术支撑。     

小浪底水库运用初期黄河下游河道冲淤变化预估分析

利用黄河下游一维泥沙冲淤数学模型,对两个均为15年的小浪底出库不同设计水沙系列进行预估计算,结果表明:两个系列铁谢-利津河段皆呈冲刷状态,15年累计冲刷泥沙总量分别为6.012亿t和0.716亿t。分析得出,在今后小浪底水库调水调沙初期运用过程中,若充分考虑黄河下游河道特别是山东河道的输沙能力,利用水库的调节库容,对水沙进行有效的控制和调节,使不适应的水沙过程尽可能协调,以便于泥沙在下游河道中顺利输送,从而减轻下游河道的淤积,甚至达到不淤或冲刷的效果,努力实现下游河床不抬高的目标。     

维持黄河下游主槽平滩流量4000m3／s所需水量

基于黄河下游历史实测资料,分析了流量、水量、含沙量和来沙量等主要因素与主槽形态的响应关系,通过对未来入黄泥沙形势、黄河下游洪水形势、黄河下游不同量级洪水的挟沙能力、不同量级及历时的洪水塑槽机理分析,阐述了小浪底水库运用后进入黄河下游的泥沙将主要在洪水期下泄的特点,以及未来下游来沙量8亿~9亿t情况下,黄河下游主槽不萎缩所需洪水条件,即维持下游主槽过流能力4000m3/s左右,对应的塑槽水量应维持在60亿~70亿m3。     

小浪底水库拦沙初期调控异重流方式初步研究

小浪底水库拦沙运用初期,黄河中游来的峰高、量小、沙多又不够一次调水调沙过程的洪水(在考虑水库前期可调水量之后)入库后一般会形成异重流,且出库沙量大、粒径细,因此水库应及时排出;但如果水沙搭配不好,也会使下游河道发生淤积,且呈现沿程均淤的特点;随着排沙期平均流量的增大,全下游淤积比不断减小,并可以由淤积转为冲刷。针对这类洪水,推荐以下游河道不淤积的关系式进行水沙调控,可以在水库适当补水的情况下实现下游河道少淤甚至不淤的排沙效果。     

2000年黄河下游河道冲淤及河床演变情况分析

根据1999年11月－2000年10月黄河下游的监测资料，分析了小浪底水库的出库水沙特点，全面研究了下游河道冲淤，床沙粗化，河道断面形态变化及河热变化，对小浪底水库调水调沙运用的减淤效果进行了分析计算。同时，就2000年10月－2001年2月向天津紧急供水对减淤的影响也作了分析研究。研究表明，尽管这一时期进入黄河下游的水量为历史最枯，但黄河下游仍减淤2．16亿t，而且未出现大的河势变化及工程险情。     

小浪底水库建成后的黄河下游防洪形势

为了进一步完善黄河下游防洪工程体系，将在2001年建成具有显著防洪减淤作用的小浪底水库。在简要分析黄河下游防洪的重要性、防洪工程体系建设情况和小浪底水库的防洪减淤作用的基础上，从河防工程情况和河道特性出发，指出小浪底水库建成后黄河下游防洪仍存在诸多问题，防洪形势依然严峻。     

黄河下游滩区漫滩概率分析

根据对新中国成立以来黄河下游历次漫滩资料的分析，小浪底水库建成前约2年漫滩一次，建成后约3年漫滩一次。随着黄河调水调沙的继续实施，黄河下游河道的过洪能力将会得到进一步提高，加上工农业用水的增加、中游水土保持工程建设的不断完善．小浪底水库对中常洪水的拦蓄率将会提高，发生大于平滩流量洪水的概率会更低，有希望达到5年一遇。因此。从技术角度分析黄河下游滩区具备享受国家蓄滞洪区运用补偿政策是可行的。