黄河下游最经济输沙水量及其估算

从河流输沙水量的概念出发,根据输沙平衡原理推导出在考虑河道冲淤、引水引沙情况下河流最经济输沙水量的计算式。由此式可知,输沙水量与含沙量成反比;并且通过对实测资料的分析,得到输沙水量与流量也成类似的反比关系。最经济输沙水量是输沙效率与河道淤积状况综合最优时的输沙水量,也就是平滩流量时对应的输沙水量。以小浪底水库运用前20年黄河下游河道基本不淤及年引沙量为1．0-2．0亿t为条件,选取月均平滩流量3500m^3/s、月均含沙量40-100kg/m^3,得到黄河下游在维持良好输沙功能前提下的最经济输沙水量为10-25m^3/t。     

连续枯水状态下黄河下游输沙水量计算与分析

在以往输沙水量研究成果的基础上,从输沙机理分析着手,根据1951 -2009年黄河下游河道实测水沙资料,在剖析上游水沙特点和沿程泥沙冲淤关系的基础上,预估了经历小北干流放淤和三门峡、小浪底水库联合调度后,连续枯水状态下的黄河下游输沙水量.结果表明:①按照枯水年考虑,2015年黄河下游输沙水量至少需要127亿m3;②小浪底水库达到冲淤平衡后,上游全部来沙将于2020年进入黄河下游河道,2020年枯水年情况下需要的输沙水量至少为139.8亿m3;③按照持续枯水情况考虑,2030年下游河道需求的输沙水量至少为104亿m3,与2008年相比,至少缺水74亿m3,南水北调西线工程建设势在必行.     

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。     

黄河下游河道未来冲淤趋势研究

进入21世纪以来,黄河中游产水产沙环境发生显著变化,潼关站实测来沙量大幅减少。在中游来沙减少和小浪底水库调水调沙运用的条件下,进入下游的泥沙主要集中在大流量洪水期,其他时段进入下游的水流以清水小流量为主。研究建立了不同时段下游河道冲淤量与水沙量的关系,计算了未来可能水沙条件下下游河道的冲淤趋势。结果表明:在未来年来沙量2亿~3亿t、来水量220亿~250亿m3时,利用4 000 m3/s左右大流量输沙,基本可以维持下游河道主槽不萎缩。     

论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度

本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m~3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m~3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。     

黄河下游宽河道平衡河宽的一种计算方法

来沙量大、水沙搭配不合理以及游荡型河道断面宽浅是黄河下游宽河道淤积严重的主要原因。小浪底水库的建成和运用使得改变进入下游河道的水沙搭配成为现实。在列举已有关于窄深河槽"多来多排"的研究成果和实例的基础上,分析了形成"多来多排"现象的原因,认为高含沙洪水的输沙量并不是含沙量越高就越大,而是存在一个阈值,达到这一阈值即可实现"多来多排"。基于利津水文站资料,结合曼宁公式,得到了黄河下游宽河道平衡河宽的计算公式,得出黄河下游宽河道的平衡河宽为574 m,该计算结果与渭河、北洛河及黄河山东段河道实测资料相比是合理的。     

黄河下游“驼峰”河段来水来沙条件和不平衡输沙特性研究

黄河下游特殊的来水来沙条件和独特的地理环境使高村-艾山河段成为了典型的“驼峰”河段。利用黄河下游各水文站1990-2020 年的水沙实测资料,重点分析了黄河下游花园口-高村、高村-艾山河段来水来沙情况和断面形态特征,并通过黄河下游不平衡输沙率公式,建立排沙比与河道来沙系数、河相系数之间的函数关系。结果表明：小浪底水库投入运行后黄河下游“驼峰”河段来沙量急剧减少。在此基础上构建了黄河下游排沙比与淤积量之间的数值关系,并进一步建立了排沙比与来沙系数、河相系数之间的幂函数公式,该公式可以根据黄河下游河道来水来沙条件和河道断面形态等参数更加准确地计算出下游各河段的冲淤变化情况。     

黄河河川径流利用的阈值

在黄河来沙大幅减少、社会经济耗用水量不断增加的背景下,调整1987年颁布的黄河可供水量分水方案,逐渐成为热点问题,黄河径流利用的阈值显然是调整分水方案时必须考虑的因素。本文认为,如果调整分水方案,不仅要考虑预留输沙用水,还要考虑1980年代末考虑的黄河口三角洲生态需水,而且使用输沙用水应达到的河床维护目标也须由当时的"允许下游淤积4亿t/a"提高到"维持下游河槽过流能力≥4000 m3/s";此外,调整分水方案还要考虑现状水库群仍难以调蓄的洪水。利用实测数据,本文分析了河口三角洲淡水湿地、近海鱼虾繁殖、黄河鱼类繁衍生息、下游嫩滩湿地和维持下游现状河槽冲淤平衡对黄河径流条件的要求,提出了在不同来沙条件和年内不同时段用水时需预留的生态流量和生态水量。基于对未来不同时期的黄河水沙情势判断,并考虑了难以调蓄的洪水后,分别在规划和调度层面提出了黄河径流利用的阈值,其中2020—2050年黄河可供水量不超过330亿m3、沙量反弹至2.5亿t/a以上后可供水量更少。在生态环境和径流调控工具的双约束下,预计未来大部分年份黄河将很难支撑人类用水的进一步增长,遇连续枯水年时情况更严重。     

维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案

变化环境下研究提出可以维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案对黄河下游乃至流域治理具有重要指导作用。通过实测资料分析、数学模型等手段,分析入黄泥沙的时空分布变化,认为三门峡水库建成后的3个水库运用阶段输沙入海是泥沙处置的主导方式,小浪底水库建成后变为以水库拦沙为主导,大型水库是影响泥沙空间分布及河道冲淤的重要因子;黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t情景,黄河下游无法实现河道和滩区稳定,拟定了5个泥沙处置方案,通过分析评价得到最优方案,即古贤、桃花峪水库+滩区生态治理方案,建设古贤水库可以基本实现黄河下游50 a河床不淤高,滩区生态治理能够消除“二级悬河”,加上桃花峪水库可显著提高滩区防洪标准,综合评价该方案最优。     

基于黄河中游水库群调控的下游河道输沙能力分析

充分挖掘黄河中游水库群调控作用潜力，提高黄河下游河道的输沙能力，对黄河下游河道与滩区治理具有重要指导意义。通过实测资料分析、数学模型计算等方法，计算不同水沙条件下优化现状水库群调控方式对黄河下游河道输沙能力的影响，进一步分析古贤、东庄水库投入运行后黄河下游河道输沙能力的变化。结果表明：优化现状水库群调控方式，水库增加泄放较大含沙量的水流过程，可提高下游河道输沙能力10%～12%;古贤、东庄水库投入运行后拦沙期内进入下游河道的沙量和输沙入海量减少，正常运用期可进一步提高输沙能力11%～12%。     

黄河调水调沙

黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多，水沙不平衡”，按照黄河下游河道冲淤规律，只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为协调的强大功能。小浪底水库位于控制进入黄河下游河道水沙的关键部位，该水库控制了黄河径流量的91％，控制了近100％的黄河泥沙，2002年7月4日进行的黄河首次调水调沙试验控制花园口断面流量不大于2600m^3/s，平均含沙量不大于20kg/m^3，小浪底水库泄流历时不少于10天，黄河下游河道共冲刷泥沙0．362亿t，试验达到了预期的目的。通过这次试验，共取得测验数据520万组，这为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数，试验证明，利用水库调水调沙，将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系，是有利于输沙入海、减轻下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一。     

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。     

基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。     

黄河小浪底水库下游河床冲淤发展趋势

根据黄河水沙特性，运用适合于多沙河流的挟沙力公式，研制出应用于黄河下游河道变形数模程序。通过对黄河铁谢至利津河段长系列演算与分析，预估小浪底水库运用后，坝下游河道将发生不同程度的冲淤变化，以铁谢至高村段河床冲淤变化较大，高村以下河段冲淤变化较小。     

黄河利用洪水排沙不必刻意拦粗排细

简要总结我国在黄河泥沙输移方面的研究成果,根据笔者多年的研究,得出如下结论:可以利用高含沙洪水输沙入海,适宜输送的不是低含沙量的水流,而是含沙量大于200 kg/m3的高含沙水流。黄河下游洪水期窄深河道多来多排的输沙特性是造成河道多来多排的机理,在低含沙水流时水流的流速达到1.8~2 m/s,床面进入高输沙动平整状态。不仅全沙如此,造床质泥沙(d>0.025 mm的粗泥沙)也存在着同样的输沙规律。小浪底水库的泥沙多年调节,充分利用下游河道的洪水输沙潜力输沙入海,是解决黄河下游泥沙问题和节省输沙用水的有效技术途径。平水年、枯水年小浪底水库不排沙,全部水量用于兴利和环境用水,利用洪水排沙不必刻意拦粗排细。     

西线南水北调对黄河干流的减淤作用研究

南水北调西线工程通过向黄河河道内配置部分水量,进入黄河干流的水沙调控体系,经干流水库的联合调度,进行全河调水调沙,可塑造协调的水沙过程。由水量配置方案,利用建立的输沙关系推算相应的设计沙量,结果表明:按西线调水向河道内配置水量35亿m3,宁蒙河道、小北干流河道和黄河下游河道分别减淤为0.35亿、0.30亿t和0.27亿t。     

黄河下游河道巨大的输沙能力与平衡的趋向性——“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之二

尽管黄河下游河道以堆积性著称,河底、水面不断抬高,但在长期水沙作用下,特别是河流的自动调整和反馈迅速,其平衡的趋向性也很明显。从上、下河段挟沙能力及典型资料看,当流量为1000~4000 m3/s时,上段(河南河段)挟沙能力与下段(山东河段)之比为1.049~0.915,即流量小于2000 m3/s时,上段挟沙能力大于下段;而当流量大于2500 m3/s时,下段挟沙能力则大于上段;流量为2300 m3/s时,上、下河段基本平衡。从多年平均过程看,如果不考虑高含沙洪水,不漫滩,流量沿程不变,下段输沙量为上段输沙量的1.01倍,也说明多年输沙量是平衡的。特别是从1960年9月至1996年10月的资料看,三门峡至利津河段淤积36.32亿t,其中20次高含沙量洪水淤积37.22亿t,若不计高含沙洪水,则全河冲刷0.90亿t,占来沙348亿t的0.26%。     

黄河中游水土保持措施减沙量宏观分析

对黄河中游水土保持措施减沙量进行了宏观分析，研究结果分为黄河中游水土保持措施减沙量、水利措施减沙昔、水利水土保持措施减沙量、“水保法”计算的水土保持综合减沙超和黄土高原水土保持措施减沙量等5个层次：结果表明，1970～1996年：①黄河中游水土保持措施年均减沙3．2亿t，黄河中游水利水土保持措施年均减沙4．5亿t，“水保法”计算的黄河中游水土保持年均综合减沙量为4．2亿t，黄土高原水土保持措施年均减沙3．5亿t，黄土高原水利水土保持措施年均减沙4．8亿t；②若扣除1970年以前的减沙量，则黄河中游水土保持措施年均新增减沙量2．1亿t，黄河中游水利水土保持措施年均新增减沙量2．6亿t，黄土高原水土保持措施年均新增减沙量1．7亿t，黄土高原水利水土保持措施年均新增减沙量2．2亿t.     

黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

本文采用泥沙数学模型分别对小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用的20个可能运行方案条件下,黄河下游河道的冲淤过程和发展趋势进行了计算研究。结果表明,在黄河上修建大型水利枢纽工程对减轻黄河下游河道淤积,遏制河床抬升具有明显作用。结合三门峡水库运用以来的实测资料,分析了大型水利枢纽工程运用与下游河道演变的内在规律,建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系,给出了维持下游河道冲淤平衡的临界条件,为通过大型水利枢纽工程运用来减轻黄河下游河道泥沙淤积提供科学依据。