流域水沙资源优化配置理论与模型及其在黄河下游的应用

本文在分析流域水沙资源利用现状、水沙灾害性及水沙优化配置必要性的基础上，构建了流域水沙资源联合多目标优化配置理论框架，它由河床演变均衡稳定理论和水沙资源联合多目标优化配置理论组成，进而建立了流域水沙资源优化配置数学模型，该模型包括河床演变均衡稳定模型和水沙资源多目标优化配置模型两个子模型。应用模型计算分析了黄河下游主河槽的均衡稳定断面尺寸和输水输沙优化的临界指标，提出了强化非恒定流调水调沙、调控含沙量60～100kg/m3之间的不利水沙条件等改善小浪底水库调度运用的措施，并进一步提出了黄河下游水沙资源多目标优化配置的模式, 应用模型计算分析了不同水沙条件的水沙资源优化配置方案,为黄河下游河道的科学治理提供了新的思路。     

黄河调水调沙

黄河以其多泥沙,河道善淤、善决、善徒,而著称于世,被认为是世界上最复杂,最难治理的河流。黄河泥沙主要来自黄土高原的土壤侵蚀,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相协调的水沙关系,完全可以使黄河下游河道实现不淤积,黄河首次调水调沙试验达到了预期的目的,通过这次试验,积累了对黄河测验的海量数据（520万组）,加深了对黄河河床演变及水沙规律的认识,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。     

黄河实施洪水泥沙管理的实践与探索

黄河当前存在着洪水威胁、下游悬河、水资源短缺、河道断流、河床持续抬高、滩区居住大量群众等等一系列问题和相互交织的矛盾,通过黄河三次调水调沙试验、黄河小北干流放淤试验以及二级悬河治理探讨,逐步探索出人、水、沙和谐相处的黄河下游治黄方略,即“稳定主槽,调水调沙,宽河固堤,政策补偿“。本文根据近年黄河治理的一系列实践和探索,简述了由控制洪水向洪水泥沙管理转变的尝试和展望,指出:实现由控制洪水向洪水管理转变,在黄河上还必须包括泥沙管理。只有实施水沙联调和处理好黄河下游滩区问题,才能做到人、水、沙的和谐相处。     

黄河下游泥沙淤积的滞后响应规律分析

根据河床滞后响应模型,分析黄河下游山东段来水来沙、河床冲淤演变情况及淤积量对来水来沙滞后响应。结果表明,黄河下游艾山——利津河段累计淤积量与艾山站15年滑动平均流量、来沙系数以及利津站13年滑动平均同流量水位抬升值的相关程度较好,反映出艾山——利津河段淤积对艾山站来水来沙条件及利津站河底高程变化的滞后响应规律。     

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。     

渭河和黄河下游河道冲淤特性研究

对渭河下游和黄河下游河道冲淤特性的研究情况进行了回顾,利用渭河下游和黄河下游实测资料对从非平衡输沙理论推导出的冲淤临界流量与含沙量关系进行了验证和对比。以此为基础,对河床冲淤特性做出了新的解释,即“相对大水冲刷、相对小水淤积”。按照来水来沙指标流量与含沙量的对比关系,将河床冲淤分成相对大水冲刷区、相对小水淤积区2个大区,或分为清水冲刷区（绝对大水冲刷区）、相对大水冲刷区、相对大小水冲淤临界区、相对小水淤积区、绝对小水淤积区5个小区。     

黄河下游土体渗透参数的概率分布规律研究

黄河下游土体组成十分复杂，同一类土体的试验参数也有很大的差异性，但同类土体的有关参数符合一定的统计分布规律。运用概率统计的相关知识，对黄河下游土体的渗透系数及临界坡降进行了分析研究，结果表明：黄河下游土体渗透系数的概率分布规律符合对数正态分布的统计特征，临界坡降的概率密度函数为近似正态分布。     

水库下游卵石河床冲淤演变规律及机理研究

通过实测资料和模型试验研究了某水电站下游河道卵石河床冲淤演变规律,探讨了宽级配卵石河床的自动调整作用。在天然条件下,水电站下游河道河床稳定,水库运行后,水流的挟沙能力有很大富余,下游河道发生了较大冲刷。试验表明:在不同流量作用下,河床自上而下以冲刷为主,流量越大,冲刷强度越大;在冲刷过程中,水深变大,流速减小,床沙变粗,河道更加稳定。     

黄委主任李国英谈黄河首次调水调沙试验

本刊讯　 2 0 0 2年 7月 3日 ,黄河首次调水调沙试验开始前夕 ,黄河水利委员会主任李国英在接受记者专访时说 ,黄河调水调沙试验的意义不仅仅是探求出一条阻止河床抬高的有效途径 ,更是传统治黄向现代治黄的里程碑 ,是人类由被动治黄走向主动治黄的转折点。李国英说 ,自黄河下游出现堤防起 ,中华民族对黄河的水患意识就不曾减弱过 ,其根源主要是因为黄河“水少沙多 ,水沙不平衡”的特性所决定的。黄土高原严重的水土流失使每年的入黄泥沙达到了 16亿ｔ,其中 4亿ｔ淤积在了下游河道 ,下游河床由此以平均每年 10ｃｍ的速度抬升 ,迫使人们为了…     

黄河水沙关系协调度与骨干水库的调节作用

提出了水沙关系协调度的概念,认为黄河协调的水沙关系是指长时段内维持下游河道(主槽)不淤或微淤的水沙搭配过程。黄河下游冲淤平衡临界来沙系数是0.01 kg·s/m6,采用来沙系数和冲淤平衡临界来沙系数相对关系建立了黄河水沙关系协调度表达式。当水沙关系协调度大于1,说明某断面来沙系数大于河道冲淤平衡临界来沙系数,河道呈现淤积状态,水沙关系不协调;反之,当水沙关系协调度小于1,说明水沙关系协调,且数值越小说明协调程度越高。小浪底水库拦沙和调水调沙提高了水沙关系协调程度,减轻了下游河道淤积,但是小浪底水库拦沙库容淤满后,黄河下游的水沙关系会变为不协调,河道仍将处于淤积状态。     

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。     

论黄河下游河道的改造与“二级悬河”的治理

本文对黄河下游滩地分布和“二级悬河”的发展过程、现状及其形成原因进行了深入分析，指出水沙条件变化是形成“二级悬河”的主要原因，生产堤和河道整治工程的修建加速了“二级悬河”的发展，要立足于下游、着眼于全流域，从水沙优化配置、人与自然和谐相处、社会经济发展与黄河治理开发协调发展的战略高度，探讨“二级悬河”的治理。在系统分析和总结“二级悬河”和下游河道治理各种设想和措施的基础上，指出今后黄河下游河道治理的方向是进行河道的改造。下游河道治理已进入宽河道与窄河道相结合、综合治理滩区．逐步向窄河道发展的时期，“二级悬河”的治理是其中的组成部分，具体设想是：通过下游河道的改造，滩区的综合治理，形成由现有宽河道、改造后窄河道和窄深主河槽三者相结合的输水输沙和滞洪淤沙系统。并提出了下游河道改造与“二级悬河”治理的具体措施和技术指标，以及需要研究的关键技术问题。     

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。     

黄河治理的终极目标是 “维持黄河健康生命 ”

"维持黄河健康生命"是一种新的治河理念,其初步理论框架为:"维持黄河健康生命"为黄河治理的终极目标;"堤防不决口,河道不断流,污染不超标,河床不抬高"是体现终极目标的4个主要标志。该标志可以通过减少入黄泥沙措施的建设、流域及相关地区水资源利用的有效管理、增加黄河水资源量的外流域调水方案研究、黄河水沙调控体系建设、制定黄河下游河道科学合理的治理方略、使下游河道主槽不萎缩的水量及其过程塑造、满足降低污径比使污染不超标的水量补充要求、黄河河口治理、黄河三角洲生态系统的良性维持等途径得以实现。"三条黄河"建设是确保各条治理途径科学有效的基本手段。     

黄河下游河道萎缩过程中输沙能力的调整

依据河床演变学原理,根据定位观测资料分析,结合河工动床模型试验,探讨了黄河下游河道萎缩过程中的输沙能力调整关系。研究表明:黄河下游河道主河槽的输沙能力调整趋势取决于河道的萎缩模式;主河槽水流挟沙力与河槽形态的关系仍然符合一般意义下的河床过程规律;河道萎缩后,河道的排沙比减小,但排沙比与河道萎缩模式无关;河道萎缩是可以逆转的。     

Equilibrium sediment transport in lower Yellow River during later sediment-retaining period of Xiaolangdi Reservoir

The Xiaolangdi Reservoir has entered the later sediment-retaining period, and new sediment transport phenomena and channel re-establishing behaviors are appearing. A physical model test was used to forecast the scouring and silting trends of the lower Yellow River. Based on water and sediment data from the lower Yellow River during the period from 1960 to 2012, and using a statistical method, this paper analyzed the sediment transport in sediment-laden flows with different discharges and sediment concentrations in the lower Yellow River. The results show that rational water-sediment regulation is necessary to avoid silting in the later sediment-retaining period. The combination of3 000 m3/s < Q < 4 000 m3/s and 20 kg/m3< S < 60 kg/m3(where Q is the discharge and S is the sediment concentration) at the Huayuankou section is considered an optimal combination for equilibrium sediment transport in the lower Yellow River over a long period of time.     

基于冲积系统趋衡响应模型的河床冲刷研究与预测

运用河流辩证法原理分析非平衡态河流的演变趋势，可见水沙或边界变化等扰动引发的系统偏差普遍表现出时空衰减的特性，在趋于新平衡态的过程中，水流与河床的相互作用总是使偏差朝减小的方向调整，遵循“趋衡性”或“趋衡响应原理”。据此假定扰动发生概率符合泊松分布及单个扰动响应强度满足指数衰减率，给出冲击系统趋衡响应模型的初步形式，基于美国多座水库下游河道实测数据的规律性检验表明，冲积系统对扰动的响应强度随时空推移呈非线性衰减趋势，体现了河流演变的时空趋衡性。在此基础上，选取泥沙起动难度与水流强度反映影响床面泥沙运动状态的两个矛盾方面，以两者之比作为定量描述趋衡衰减系数的动力学参量，率定相关系数后模型即有定量预测水库下游河道河床累计冲刷深度的功能。进而，运用基于三门峡水库下游实测资料率定后的模型对黄河中游古贤水库修建后下游河道的沿程冲刷及潼关高程下降引起的渭河下游河道溯源冲刷过程进行预测。结果表明，龙门和潼关的计算河床累计冲刷深度分别为1.84m和1.43m；潼关高程下降引起的渭河下游溯源冲刷河段长度约为250km，华县、渭南溯源冲刷深度分别为0.54m和0.25m。研究成果为冲积河流非平衡态时空调整过程的预测提供了新思路，具有较大工程应用价值。     

水沙条件对黄河下游河床演变影响的分析途径──兼论水沙与断面形态关系

根据黄河等河流的实测资料，分析来水来沙大小及其过程对河床演变的影响，提出断面形态与来流大小、过程的定量关系。以黄河为例，探讨了水沙搭配对河道冲刷与淤积的作用。