黄河高含沙洪水"揭河底"冲刷研究综述

对以往黄河高含沙洪水"揭河底"冲刷的研究成果进行了归纳和总结,从"揭河底"冲刷发生的机理﹑河床边界条件﹑水沙条件﹑判别指标﹑试验研究﹑数值模拟等有关方面给出了已有的研究成果,并提出今后"揭河底"冲刷需要继续深入研究的问题:①黄河"揭河底"冲刷发生时的水沙条件、河床边界条件和河床淤积物分层问题;②黄河"揭河底"冲刷的判别条件和指标问题.     

揭河底冲刷现象机理探讨

高含沙水流的揭河底冲刷,是黄河中下游的一种特殊现象,这种现象多见于黄河中游的龙门至潼关河段。在黄河下游这种现象虽较少见(据记载1933年曾发生过揭河底现象,1977年又在黄河下游出现揭河底冲刷,其冲刷长度达210公里),但对黄河下游的防汛及险工丁坝带来了威胁,强烈的冲刷也使下游出现深槽。考虑到它对研究河床演变及河道整治、防洪抢险具有重要意义,我们试图通过简单的模型试验、数理及实测资料分析,对其机理进行初步探讨,以供进一步研究时参考。     

游荡性河道“揭河底”机理及防治对策

"揭河底"现象是黄河上独有的一种泥沙运动现象,主要发生在黄河小北干流的龙门及支流渭河河段,根据实测资料及河流动力学原理,对"揭河底"现象、发生条件、冲刷机理、造成危害等进行分析探讨,提出防御措施和治理对策。     

黄河高含沙洪水"揭河底"冲刷研究现状

对目前黄河高含沙洪水“揭河底”冲刷研究的现状进行了系统的总结与分析,认为：在目前黄河水量显著减少、河道淤积萎缩日趋严重的形势下,开展高含沙洪水“揭河底”冲刷机理研究,不但具有重要的学术价值,而且还具有重要的工程应用价值和巨大的社会经济效益;该课题是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题,其成果对丰富河流泥沙动力学的研究内容,加深对高含沙洪水特殊造床机理的认识,完善黄河等多泥沙河流的综合治理方略和防洪工程的安全措施等具有重大意义。要使本项研究取得突破性的进展,必须采用实测资料分析、模型试验、理论分析和力学分析计算相结合的方法,通过分析发生“揭河底”冲刷河段的来水来沙情况及“揭河底”冲刷过程中有关水文泥沙资料,建立清晰的“揭河底”过程的物理图形,并借助实体模型开展高含沙洪水“揭河底”机理的研究。     

黄河龙门段“揭河底”冲刷两种表现形式的分析

对黄河龙门河段"1969·7"和"2002·7"两场洪水的水文资料进行了分析,认为"揭河底"冲刷可分为两种表现形式,一种是"1969·7"洪水期间发生的强烈"揭河底"冲刷,另一种是"2002·7"洪水期间发生的局部"揭河底"冲刷。两种"揭河底"冲刷发生的必要条件为高含沙洪水,河道来水来沙条件是产生强烈"揭河底"冲刷的主要影响因素;而河道边界条件对局部"揭河底"冲刷的影响较大。尽管局部"揭河底"对长距离河道影响较小,但是对于局部工程出险会有较大的影响,应该引起足够重视。     

“揭河底”冲刷对河道和工程的影响分析

本文通过对黄河小北干流河段历史上发生"揭河底"情况的调查,分析了"揭河底"对河道和防洪工程所产生的影响,一方面"揭河底"河段发生强烈冲刷,刷槽淤滩,塑造相对窄深的河槽,提高河道过洪能力;另一方面,在发生"揭河底"时,河道发生大的摆动,造成滩岸坍塌、河道工程毁坏、引水工程脱流等危害。通过"揭河底"的利弊分析,提出减少"揭河底"的不利影响和保证工程安全的防护措施。     

“揭河底”冲刷期龙门—潼关河段的水沙响应

在分析黄河龙门站、潼关站历年高含沙洪水的基础上,建立了"揭河底"冲刷期潼关站汛期水沙量、洪峰期3 d水沙量、洪峰、沙峰以及洪峰时段泥沙粒径等与龙门站的响应关系。结果表明:龙门—潼关汛期水量响应关系较好,汛期沙量出现明显衰减,高含沙洪水的沙量减幅大于一般含沙量洪水的;潼关站洪峰期3 d水、沙量均小于龙门站的,"揭河底"洪水的3 d水沙量大于没有发生"揭河底"洪水的;对于一场高含沙洪水过程,流量和含沙量沿程均会衰减,发生长距离"揭河底"冲刷洪水的减幅要小于没有发生"揭河底"冲刷洪水的;近年来发生的局部"揭河底"冲刷洪水含沙量的沿程减幅明显增大,潼关站洪峰期泥沙的中值粒径多小于龙门站的,而发生长距离"揭河底"冲刷的洪水泥沙粒径细化程度较低,这对三门峡库区和黄河下游河道的冲淤非常不利。     

黄河小北干流河段"揭河底"冲刷条件分析

通过现象分析，在黄河小北干流河段小流量(1220m^3／s-4600m^3／s)和持续高含沙量(500kg／m^3-790kg／m^3)的情况下也可产生局部揭河底冲刷。小北干流河段河床已经具备了揭河底的边界条件，如果水沙条件具备，很可能再次发生“揭河底”。     

黄河龙门长河段揭河底冲刷现象分析

通过对龙门站近几年掀起泥块露出水面再坍塌消失现象的观测分析，进一步认识到：这种现象既不是高含沙、大流量水流的特产，也不是长河段揭河底冲刷的主要现象；１９５４年９月洪水不属于长河段揭河底冲刷洪水；１９５１年以来７次长河段揭河底冲刷均未发展到黄淤４９断面（老永济）；揭河底冲刷洪水，主要是由吴堡－龙门区间为主的暴雨洪水组成的。解剖各次长河段揭河底冲刷洪水过程的分段冲淤变化性质，较合理地计算了７次揭河底冲     

黄河“揭河底”机理研究及室内模拟试验

在深入调研及广泛收集整理现有研究成果的基础上,剖析了黄河"揭河底"现象发生的过程和主要特征;扩展了"揭河底"现象的概念;揭示了黄土高原特有的水文特征、下垫面条件及产流产沙过程、水沙组成等是形成"揭河底"河段典型河床层理淤积结构的前提条件;细颗粒泥沙絮凝效应是层理淤积结构中"胶泥层(块)"形成的机理。指出具有一定结构强度的"胶泥层"是"揭河底"发生的首要条件,特殊的来水来沙条件为其提供了揭底冲刷的动力。在此基础上,构建了动态的"揭河底"物理图形,即胶泥块形成、逐渐淘刷、失稳揭出、翻出水面4个动态过程;揭示了胶泥块上下表面脉动压力波传播速度不同引起的瞬时上举力是"揭河底"现象发生的真正机理。首次开展了真正意义上的室内"揭河底"模拟试验,探索了"揭河底"试验模拟技术,印证了"揭河底"物理图形的正确性,为后续判别指标的研究奠定了基础,同时也为近距离观察"揭河底"现象、观测同步水力泥沙参数提供了条件。     

基于洪水涨冲落淤特性分析游荡性河道双岸整治对冲淤的影响

基于黄河下游及主要干支流、美国密苏里河和密西西比河的实测资料,分析了低含沙洪水和高含沙洪水的输沙与冲淤特性。研究表明,河道沿程比降虽然变缓,但河宽变窄,流速沿程增加,是造成冲积河流保持洪水输沙平衡的边界条件。底沙的运动比洪水波传播得慢,是造成洪水在河道中长距离冲刷的根本原因,而与河道的比降陡缓关系不大。河道输沙特性呈现"多来多排",是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。通过黄河下游河道双岸整治,河道形成窄深、归顺、稳定的河槽,使洪水造床和输沙作用增强,从而对河道冲刷作用增加。     

黄河下游治理方略的传承与发展

中华民族在4 000多年治理黄河的实践中,形成并传承一系列卓越的黄河治理方略,可归纳为"束水攻沙"和"宽河滞沙"两大类。结合对黄河下游河道历史变迁及水沙量演变过程的分析,浅析历史上黄河治理思想与实践的传承与发展。远古的大禹治水、汉代的"贾让三策"和王景治河证明了"宽河滞沙"方略的有效性。明代潘季驯、清代的靳辅和陈潢将"束水攻沙"治河方略付诸治黄实践并取得成功,丰富了治河理论。在王化云"宽河滞沙"治河主导思想的基础上不断完善和发展的人民治黄,实现了新中国成立至今70余年伏秋大汛不决口的奇迹。在黄河水沙量与过程发生了重大变化的今天,迫切需要探索黄河水沙运动和演变规律的新变化,制定新水沙条件下的黄河治理方略。     

论黄河小北干流揭河底的危害

黄河小产干流揭河底是游荡性河道剧烈造床的过程，易引起河道主槽迁徒，易引起河床比降变化，同时使削峰率降低，还在揭河底的同时，把粗泥沙搬到下游，造成本河段和下游同时受害，因此在治河、引水以及工农业生产中应考虑本河段的揭河底特性。     

论黄河小北干流河道“揭河底”产生的不利影响

“揭河底”是黄河小北干流游荡性河道剧烈造床的过程,易引起河道主槽迁徒,易引起河床比降变缓,同时使削峰率降低,在“揭河底”的同时,还把粗泥沙搬到下游,造成本河段和下游同时受害,因此在治河、引水以及工农业生产中应考虑本河段的“揭河底”特性。     

孔兑入汇角度对黄河内蒙古段河道冲淤的影响

选取黄河内蒙古河段典型支流毛不拉孔兑为研究对象,对其来水来沙特性进行了讨论。选取典型水沙过程,采用模型试验手段,在同样水沙条件下,分别模拟了孔兑水沙在现状条件和切滩导流条件下对干流河道冲淤变化的影响。结果表明:改变支流入汇角度能有效改善黄河下游干流河段局部淤堵的状况,但同时对下游河道的淤积影响范围也相应增大。     

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。     

黄河下游河道洪水冲淤临界水沙条件的研究

本文总结了以往对黄河下游河道冲淤临界条件的研究情况,根据非饱和输沙理论导出了河段排沙比与水沙系数关系,通过1960～1999年422场次洪水资料的统计分析,建立了黄河下游各河段的冲淤临界水沙条件,该水沙条件包括了洪水平均流量、含沙量,给出了黄河下游花园口以上、花园口～高村、高村～艾山、艾山～利津4个河段在不同三黑小(三门峡、黑石关和小董3站)水沙组合情况下的冲淤关系,该临界水沙条件可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

输沙量差法计算河道冲淤量的误差分析

输沙量差法是计算河道冲淤量的主要方法之一。分析了输沙量差法与断面法计算河道冲淤量结果之间的差异和采用输沙量差法计算河道冲淤量的误差来源，提出了计算河道冲淤量中误差和相对误差的表达式。结合黄河下游现行测量条件，指出：①河道输沙量测验的相对中误差为1．7％～2．5％，能满足了解河道输沙情况的要求；②一般情况下河道冲淤量的绝对值远小于输沙量，但其绝对误差又大于输沙量的测验误差，导致计算的河道冲淤量的相对误差较大；③河段冲淤量的相对误差随冲淤量的减少而增加，甚至出现实测的冲淤量小于其测量误差，导致冲淤量计算成果定性困难；④当河道内的冲刷量或淤积量占来沙量的比例较大时计算的冲淤量相对误差很小，但河段淤积率降低到一定程度时，冲淤量的相对误差迅速增大，甚至超过100％，此时采用输沙量差法计算的河道冲淤量无使用价值。