小浪底水库运用后小花间洪峰增值原因分析

统计了黄河下游小浪底—花园口区间发生洪峰增值的洪水场次,分析了小浪底水库投入运用以来洪峰增值的原因。结果表明:小浪底水库下泄清水造成花园口以上河道床沙粒径变大,床面阻力增大,槽蓄量大;在水库排泄高含沙量水流时,作用于床面上的剪力增大,河床形态阻力突然降低导致流速增大,使得槽蓄量突然减小,洪峰流量、水量沿程增大;其他条件相同时,前期的河道流量越大,槽蓄量越大,引起的洪峰增幅也越大。     

黄河下游洪峰增值机理与验证

针对黄河下游“04.8”洪水出现的洪峰异常增值现象，探讨了洪峰增值的水动力学机理，认为小浪底水库异重流排出的极细高含沙洪水在下游河道输移的过程中，引起河道糙率变小，是造成洪峰异常增值的根本原因。而后采用能够合理反映含沙量及泥沙级配变化对河道糙率影响的黄河河道准二维水沙数学模型，对此洪水进行的模拟，验证了上述观点。同时指出河道糙率变小引起的洪峰增值对黄河下游防洪安全可能造成的危害，应引起有关部门的高度重视。     

下泄洪水峰值增加时糙率降低和河床冲刷的相对关系

黄河下游河道下泄高含沙洪峰流量沿程增值的现象和所谓的人造洪水,引起了水力工程师和科学家的浓厚兴趣。下泄流量增大涉及防洪系统负荷的增加和洪峰向下游移动引起的洪水风险的增加。但是,隐含在这个现象下的基本原理仍然未得到阐述。这种现象的复杂性要求对其有综合的理解。就高含沙水流的紊流和糙率降低,2004年8月我们在小浪底到夹河滩河段作了一个数值模型研究。在这个模型中,我们用了一个关于曼宁系数n和体积含沙量间的简单幂律公式。为了集中在现象本质的研究上,河流被概化为一维顺直河流,河流断面为规则不变的矩形断面,而且,河床介质为均质泥沙,构建的方程和数值解解释了河床变形和浊流之间的关系。考虑含沙水流引发的河床糙率减小因素,模型成功地再现了下游洪峰增值的现象。由于高含沙水流落后洪峰很短时间,洪水波的后部分经历了较少的摩擦,可以超过前面的洪水波。模型结果同样表明,河床变形对巨大的洪峰流量和下游流量演变影响很小。     

糙率减小与洪峰增值关系的数值模拟研究

以矩形断面河槽为研究对象,采用一维非恒定水流数学模型,模拟计算了糙率变化对下游洪峰增值过程的影响。结果表明:在河床断面不发生冲淤,断面形状沿程不变,且只考虑清水的情况下,当糙率不变时,随着洪水逐渐向下游传播,受河道槽蓄作用的影响,洪峰流量沿程逐渐衰减,峰型趋于矮胖;当糙率随时间减小且上游变化率大于下游河道时,发生流量沿程异常增大的现象,且变化率越大,增值越明显。通过理想情况下的单因素分析,认为糙率随时间沿程减小时,下游洪峰会发生增值现象。此外,进口洪峰形态对洪水演进有一定的影响。峰型越矮胖,下游断面的洪峰流量增幅越大;当入口为连续洪峰时,因两峰叠加,洪峰异常增值有所加剧。     

黄河干流水库联合调度塑造异重流

阐述了黄河干流水库联合调度塑造异重流的设计思想,指出追求小浪底水库异重流的较高排沙比,是黄河汛前调水调沙极其重要的目标.同时,对入库水沙动力、动力作用时机、库区地形条件等影响小浪底水库异重流排沙比的主要因素进行了分析,建立了排沙比与小浪底水库入库平均输沙率、三门峡水库泄流增峰助力、动力作用时机及库区地形条件的关系式.实践表明:增大小浪底水库的入库水沙动力、把握好动力作用时机、尽可能创造有利的库区地形条件,可以有效地增大小浪底水库异重流的排沙比,实现"1+1＞2"的水库减淤效果.     

水库异重流排沙的研究与实践

采取什么措施来减少水库泥沙淤积、延长水库寿命是人们普遍关心的重要问题。在前人研究的基础上,对水库异重流的形成条件、持续运行条件、排沙能力等进行了讨论;结合2001～2006年期间黄河小浪底水库的异重流排沙实践,分析了水库异重流潜入时坝前水深、潜入点至坝前库底比降、水流流量、历时、出库水流流量等因素对异重流排沙比的影响。研究发现．随着小浪底水库洪峰流量的增大,异重流潜入点距坝里程减小,库底比降增大;当水库水流流量较大、历时较长、出库水流流量较大、坝前水位较低、异重流潜入点距坝里程较短、潜入点至坝前库底比降较大时,水库排沙比较大。     

小浪底水库人工塑造异重流成因分析

分析了2004—2009年6次基于万家寨、三门峡、小浪底3座水库联合调度人工塑造异重流的运行情况。指出人工塑造的异重流由冲刷性异重流和浑水异重流两部分组成,异重流在小浪底库区演进过程中既有沉积衰减,也存在沿程积聚现象,沉积衰减和沿程积聚的综合作用,决定排沙效果。小浪底水库前期淤积情况和三门峡水库泄放水沙时空分布,决定异重流在前坡段的沿程积聚程度,小浪底水库对接水位高低与沉积衰减和沿程积聚成正比。建议加强异重流观测研究、增大上游来水基流、三门峡水库汛期适当拦蓄一定沙量、合理确定调控指标等,以提高人工塑造异重流排沙效果。     

近期黄河洪峰增值现象研究综述

对小浪底水库运用之前黄河干流洪峰增值现象的研究进行了回顾,对小浪底水库运用后洪峰增值的洪水场次进行了系统整理,并对近期黄河洪峰增值现象的研究成果进行了综述,指出了已有的河槽形态变化观点、"孤立波"和"水跃"观点、减阻观点、密度差观点、沙坝观点、扰动说等研究成果存在的问题,认为小浪底水库运用前后小浪底—花园口区间洪水洪峰增值机理是相同的,与洪水是否漫滩无关。另外,建议加测足够的野外资料,然后从理论上分析洪峰增值的机理。     

黄河小浪底水库异重流排沙效果分析及下游河道的响应

全面分析了小浪底水库蓄水拦沙期2000-2006年库区及下游河道泥沙冲淤调整;在分析泥沙输移规律的基础上量化了连续冲刷状态下河道输沙能力变化与累计冲刷量间的关系,揭示了冲刷条件下河道输沙能力降低是因为床沙有效交换层内小于0.05mm的细沙及中沙补给不足造成的;结合三门峡水库拦沙期的观测资料,对比研究了异重流洪水期间小浪底水库的排沙效果及其下游河道对高含沙异重流水沙过程的响应,指出了小浪底水库对洪水具有较大的"拦粗排细"潜力,且高含沙异重流洪水不会造成河道严重淤积.因此,在洪水调度中,要充分利用水库塑造异重流洪水,多排少拦,以达到下游河道长期减淤的目的.     

2017年第1号洪水期间小浪底水库异重流分析

2017年黄河第1号洪水期间,在小浪底水库高水位运用的情况下,通过科学调度,成功地塑造异重流并排沙出库。根据实测资料对小浪底水库进出库水沙条件、水库运用情况、水库异重流演进及运动特点、异重流排沙情况等进行了分析总结。结果表明:此次异重流潜入点在距坝46.2 km的HH28断面,测点最大流速为0.49 m/s,最大含沙量为55.1kg/m~3,异重流厚度为0.77 m;从异重流潜入到排沙出库共计历时约为68 h,异重流运行速度约0.19 m/s;随着第1号洪水的演进,HH09、HH04、HH01断面的异重流流速、厚度整体上呈现先增大后减小的趋势;异重流塑造期入库总沙量为5 020万t,最大入库含沙量为477 kg/m~3,出库总沙量为21.65万t,最大出库含沙量为2.70 kg/m~3,水库排沙比为0.43%;此次异重流塑造过程为后期水库溯源冲刷排沙创造了有利条件。     

优化小浪底水库调水调沙运用方式的建议

对小浪底水库运用以来黄河下游河道冲刷情况及调水调沙运用存在的主要问题进行了分析,并对调水造峰期间下游河床冲淤特性进行了研究。结果表明:经过小浪底水库10 a调水造峰与清水冲刷,黄河下游河道主槽排洪能力已经得到有效恢复,为利用洪水排沙创造了有利条件;连续10次调水调沙,冲刷效率逐步降低,且存在排沙期下游河道淤积、流量沿程增大等问题。洪水具有"涨冲落淤"的输沙特性,因此小浪底水库应改变目前落水时加沙的调水调沙运用方式,尽量在洪水涨水期集中排沙出库,一般情况不要再放平头峰,以提高下游河道的输沙效率。     

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。     

河床演变的均衡稳定理论及其在黄河下游的应用

在系统分析有关河床演变均衡稳定理论的研究成果基础上,指出河流熵理论的最小可用能耗率原理及其表达式完整地表达了冲积河流河床演变的自动调整作用基本原理,应用河流最小可用能耗率原理的表达式封闭河床演变方程组,建立河床演变均衡稳定数学模型,应用该模型计算了黄河下游各河段在不同水沙条件下的河槽均衡稳定断面,并计算分析了小浪底水库下游的清水冲刷、拦粗排细和水温变化及涨冲落淤等因素对河槽均衡稳定的影响,分析了河道输水输沙优化的临界指标,提出了强化非恒定流调水调沙、调控60-100 kg/m3的不利来水含沙量和以滞洪拦粗排细运用为主等改善小浪底水库运用的措施。     

古贤水库效益评估和相关问题探讨

从防洪、拦沙减淤、防凌等方面分析了古贤水库拦沙期对小北干流的影响,以及古贤水库进库水沙特性、库区冲淤形态等,对古贤水库下泄清水时小北干流河床演变进行了预估,并提出了该河段的防治措施。认为:应控制小北干流河道冲刷与滩区放淤并重;古贤水库的调度运用不仅应考虑水库所承担的任务和产生的效益,而且应纳入黄河中下游水沙调控体系;古贤、三门峡和小浪底三库联合调度方案应及早研究与制订。     

基于多库优化调度的人工异重流原型试验研究

自2004年开始,黄委在小浪底水库进行大规模的人工塑造异重流排沙的原型试验,取得了宝贵的原始资料。2006年6月调水调沙运行后期,黄委防汛调度部门面对复杂的条件,利用多库联合调度和水流衔接技术,优化万家寨、三门峡、小浪底3座水库的调度运行,最终在小浪底成功塑造了人工异重流并排沙出库。此次异重流的排沙比为历次人工异重流的最大值,实际观测到的异重流过程有其独特的特点,证明了调度的科学性。     

小浪底水库对泺口至利津河段冲淤变化分析

根据小浪底水库2002~2015年的调水调沙资料,对泺口至利津河段的冲淤情况进行分析,认为调水调沙使泺口至利津河段的河道得到明显冲刷,主槽断面形态向良性发展,平滩流量大幅增加,过流能力大大增加。同时近几年调水调沙资料表明河道冲刷力度减弱,冲刷效率降低,河床粗化,主槽过流能力已基本稳定。     

2013年汛前调水调沙期小浪底水库排沙特性分析

依据实测资料,从洪水过程、边界条件、水库运用等方面分析了2013年汛前调水调沙小浪底水库异重流排沙比偏高的原因如下:(1)三门峡水库蓄水量大,塑造的洪水过程流量大、历时长;(2)对接水位接近小浪底水库淤积三角洲顶点,使得三角洲顶坡段发生沿程冲刷及溯源冲刷;(3)在三门峡水库泄空期间,潼关断面流量较大历时较长。     

黄河水沙变化与下游河道治理思考

由于黄河水沙条件的不利变化，黄河下游出现了小水大灾和长期断流，三门峡水库“蓄清排浑”运用经验的局限性表现得更为突出。从黄河下游河道输沙，防洪和水资源充分利用出发，小浪底水库应采取泥沙多年调节的运用方式，枯水，平水年蓄水拦沙运用，丰水年洪水期集中泄空冲刷产生讷和洪水，塑造窄深河槽，改造高村以上宽浅河道，利用窄深河槽输送较高含沙洪水入，，经多方案计算结果比较分析表明上述方案减淤效益显著，并可大量节省输     

三门峡水库汛期排沙效果研究

三门峡水库汛期排沙是解决泥沙淤积问题、控制潼关高程的关键途径。"蓄清排浑"运用以来,非汛期蓄水期库区发生淤积、汛期降低水位运用排泄全年泥沙,基本保持了库区动态冲淤平衡。不同控制水位和入库流量过程存在不同的排沙效果,针对三门峡水库汛期排沙过程的差异,对"蓄清排浑"运用以来汛期排沙特征进行统计,分析了水库敞泄和不同控制水位运用对排沙效果的影响。结果表明,在汛期平水305 m、洪水敞泄的运用条件下,水库排沙具有多来多排的特点,汛期排沙总量与入库含沙量和水量密切相关;完全敞泄时库区冲刷取决于流量大小和敞泄时间,净排沙效率随着水量的增加和敞泄时间的延长而减小,冲刷效率降低;汛期控制运用期,当流量在1000 m~3/s以上时、水位在305～311 m也会产生一定的排沙,排沙效果取决于含沙水流在壅水段的滞留时间和出入库流量之比。研究成果可为三门峡水库运用方式的优化提供依据。     

黄河下游游荡性河道双岸整治模型试验研究

为检验游荡性河道双岸整治方案的可行性，选择了黄河下游花园口-夹河滩河段开展了动床模型试验，分析了该河段双岸整治工程在大、中、小水期间的控导性能以及对排洪能力、河道输沙能力的影响。试验表明：双岸整治工程在小浪底水库泥沙多年调节运用的条件下，初期(下泄清水期)起到了护滩的作用，阻止了河槽的展宽，使冲刷向纵深方向发展，河势得到了有效控制；在水库利用洪水排沙期，河道具有很强的输沙能力，在以洪水排沙输沙为主、清水冲刷与少量小水挟沙的共同作用下，能维持输沙的基本平衡。