减缓宁蒙河道泥沙淤积方案及效果研究

通过对实测资料的分析,阐明宁蒙河道不同粒径泥沙来源及冲淤规律：细泥沙是宁蒙河道来沙的主体,主要来源于下河沿以上和宁夏支流,且细、中泥沙冲淤效率与水沙条件有较好的响应关系,随流量的增大河道淤积效率显著降低;而较粗泥沙和特粗泥沙在来沙量中比例较低,特粗泥沙主要来源于入黄风沙,多发生淤积且流量增大也难以提高输送能力。由此提出宁蒙河道减缓淤积的“拦粗排细”综合治理方案,水库调控恢复洪水过程输送细、中泥沙,水土保持和风沙治理拦减较粗泥沙和特粗泥沙。制定了多种减淤方案,并利用水动力模型进行了方案计算,表明各种单项措施减淤效果都有限,河道仍持续淤积,只有采用“拦粗排细”综合治理方案可使河道微冲,且包含水库调控恢复洪水过程的方案对内蒙古河段的减淤效果较好。     

黄河内蒙古河段来沙组成对河道淤积影响研究

泥沙输移不仅受水流和边界条件的影响,泥沙粒径的粗细会直接影响泥沙的输移过程,引发河床的冲淤调整.黄河内蒙古河段的淤积不仅受水沙量的影响,支流和干流来沙组成的影响也不可忽视.本文以水文站的实测资料为基础,结合孔兑取样结果,以三盛公-头道拐冲积性河段为对象,分析了1960-2005年悬沙组成的变化特点、分组泥沙的冲淤特性及支流不同来沙情况下干流、孔兑来沙组成对河道淤积的影响.研究表明,孔兑来沙量少时,沿程悬沙组成略有细化相应的河床冲淤调整取决于干流来水来沙条件;孔兑来沙量大时,对于冲刷时段沿程悬沙组成略有粗化,对于淤积时段悬沙组成沿程明显细化,但头道拐的悬沙组成并没有因为支流来沙量大而发生明显的变化,表明孔兑粗泥沙基本都淤积在河道中,对干流淤积产生较大影响.研究提出的内蒙古河段淤积泥沙来源的相关成果,可为区域防洪减淤措施的研究提供参考依据.     

三门峡水库不同运用时期下游河道不同粒径泥沙的冲淤调整趋势

通过分析黄河下游河道的实测水沙资料，对三门峡水库不同运用时间下游河道不同粒径泥沙的冲淤调整进行了分析，比较，得出了近３０年下游河道不同粒径泥沙的冲淤调整趋势，即淤积有，较大幅度地减少，其中汛期淤积量减少非汛期河道由淤积状态转变为冲刷状态；在滞洪排沙运用条件下，出现以粗泥沙为主的淤积；在蓄清排浑运用条件下，由于来水来沙减少，河道淤积明显减少。     

黄河宁蒙河段冲淤时空分布特征与淤积原因

在补充完善水沙、观测断面等资料的基础上,采用沙量平衡法和断面法分析计算了1960年以来宁蒙河段的泥沙冲淤量,两种方法计算结果接近、各有特点,可互为补充使用。分析冲淤量时间分布特征表明,不同时期年内的冲淤分配特征不同,1987年以来宁蒙河段泥沙淤积加重,且淤积加重主要集中在汛期和小于0.1 mm的各粒径组泥沙,大于0.1 mm的粗泥沙淤积量有所减少。分析冲淤量空间分布结果表明,宁蒙河段淤积主要发生在内蒙古三湖河口至头道拐河段和巴彦高勒至三湖河口河段,1987年以来以河槽淤积为主,横断面萎缩。根据宁蒙河段水沙来源情况,从多个方面分析宁蒙河段淤积变化原因表明,干流水沙条件变化尤其是龙刘水库联合运用对干流水沙条件的显著改变,包括减少了汛期水量以及大流量过程,是导致宁蒙河段淤积加重的主要原因。     

三峡水库变动回水区泥沙问题研究

通过分析三峡水库运用前后的入库水沙特点和变动回水区泥沙冲淤变化规律后认为:建库前该河段年际间河床冲淤基本平衡.三峡水库运用5年来,入库沙量比建库前有较大的减少;该河段总体淤积,主要淤积在边滩,深槽淤积较少甚至有冲刷,土脑子河段发生河型转化;由于长江上游水库拦沙的作用,变动回水区河段的泥沙淤积速率会比原来预计的要小.     

黄河小北干流河道冲淤演变规律研究

通过分析实测资料,探讨了黄河小北干流近几十年来的水文系列特点及河道冲淤演变规律,指出小北干流河段汛期淤积,非汛期冲刷,呈累计淤积状态。研究了河道冲淤量对来水来沙的响应关系,汛期冲淤量主要与汛期水量和沙量有关,非汛期冲刷量主要与非汛期水量正比。本文还建立了预测汛期冲淤量的BP网络算法,给出了小北干流河道不同来沙量时的合理输沙水量。     

凤鸣水库库区河段泥沙淤积分析

泥沙淤积分析是水利枢纽工程设计、运行过程中需要研究的主要内容之一。通过凤鸣水库坝址以上泥沙统计分析,研究库区河段泥沙来源、来沙规律、来沙量多少以及泥沙冲淤变化情况,对于延长水库运行年限,发挥工程效益具有重要意义。     

艾利河段泥沙输移特性及不淤临界含沙量探讨

对艾山—利津河段泥沙输移特性进行的分析表明：①艾山以下窄河段的河床演变具有“大水冲、小水淤”及“细沙冲、粗沙淤”的基本特点,并且淤积主要集中在非汛期,粗沙、中沙及细沙均发生淤积;汛期除粗沙淤积外,细沙及中沙均发生冲刷。②艾山—利津河段河道冲淤主要与流量大小有关。同时,根据1960～2002年的洪水资料,分析了粗沙、中沙、细沙冲淤的临界流量,建立了艾山—利津河段不同粒径组泥沙排沙比与流量间的关系;考虑到洪水演进及区间引水引沙等因素,初步建立了在洪水期艾山—利津河段不发生淤积的条件下艾山站临界含沙量与流量间的关系式。     

黄河内蒙古河段水沙及河床演变特性变化分析

随着黄河上游河段水库联合运用及水土保持工程的实施,内蒙古巴彦高勒至头道拐河段来沙量大幅度减少,河道演变剧烈,研究该河段演变特性变化可为河道防洪、防凌及下游河段水库调水调沙提供技术支持。为此,基于实测水沙及地形资料,并通过输沙率法结合同流量水位及典型断面变化分析了该河段水沙变化特性、河道时空冲淤分布特性及河道冲淤与水沙条件的耦合关系。结果显示,研究河段近期来水来沙总量偏少,至2018年有所增多,河道整体表现为冲刷,2012—2019年河段累积冲刷2.7亿t,其中汛期冲刷1.96亿t,河槽刷深展宽,河床高程下降,局部表现为上游冲刷下游淤积,包头上游河段冲刷量约为3.59亿t,下游河段淤积量约为0.72亿t,汛期冲淤变化比较剧烈。结果表明,来沙量大幅度减少,致使水流含沙量不能满足水流挟沙能力是河段发生整体累积性床刷的主要原因。     

黄河小北干流河段水沙变化及冲淤特性

依据实测水沙及淤积断面资料,对黄河小北干流河段水沙变化及冲淤特性等进行了分析。结果表明:1多年平均进入黄河小北干流的水、沙量分别为295.3亿m3、8.07亿t,汛期水、沙量分别占全年水、沙量的54.5%、87.7%,多年平均含沙量为27.3 kg/m3;2用实测淤积测验资料计算的1960—2012年黄河小北干流累计淤积量为23.26亿m3,"汛期淤积,非汛期冲刷"是该河段的冲淤特性;3床沙粒径小于0.025 mm和小于0.050 mm沙重百分数沿程分布的特点是自上游向下游沿程逐渐增大,即床沙逐渐变细。     

2004年黄河小北干流连伯滩放淤试验效果

2004年黄河小北干流连伯滩放淤试验于7月26日开始,8月26日结束,进行了6轮放淤试验。淤区共淤积泥沙300．5万m^3,其中粒径大于0．050mm的粗沙淤积量为127．4万m^3,占总淤积量的42．4％;粒径小于0．025mm的细沙淤积量为74．9万m^3,占总淤积量的24．9％。进入淤区且粒径大于0．050mm的泥沙有94．8％淤积在淤区内;粒径小于0．025mm的泥沙所占比例由淤区进口的平均57．4％上升到退口的平均85．1％。放淤试验工程“淤粗排细”的目标基本得以实现。     

基于分组泥沙冲淤规律的小浪底水库减淤调度研究

研究黄河下游河道的中、较粗泥沙冲淤效率与细泥沙含量和全沙含沙量的定量关系,据此得到不同细泥沙含量条件下,中、较粗泥沙在黄河下游河道不发生淤积的临界含沙量。同时,结合黄河干流水库的分组排沙比与全沙排沙比的关系,给出小浪底水库不同入库含沙量条件下,中、较粗泥沙在下游河道不发生淤积的水库排沙比。     

黄河内蒙河段凌汛期河床变化的特点及其带来的影响

黄河内蒙古河段沙质河床的变化是影响该河段凌洪灾害的因子之一。本次研究根据观测数据,统计分析了内蒙河段凌汛期的输沙特征,解释了这种特性产生的机理,并在此基础上探讨了河床变化及影响。结果表明:黄河内蒙河道凌汛期洪水具有较强的粗泥沙输移能力,这是由于低温水流具有高悬浮效率,同时冰的运动形成了特殊的水力学环境。大量粗泥沙的运动提高了开河期河床变化对洪水量级及形态的敏感程度,并使得横断面形态趋向宽浅。凌汛期过后三湖河口至头道拐河段河床明显冲刷,而巴彦高勒到三湖河口河段淤粗排细,直接导致河底抬高。因此凌汛期输沙特性带来的河床变化应在防凌减灾措施中给予充分的考虑。     

龚嘴水电站坝前泥沙淤积与底孔排沙

为了指导电站运行调度，龚嘴发电厂与有关单位开展了大量的泥沙观测工作，以坝区泥沙实测资料为基础，分析研究了坝前泥沙淤积过程中含沙量及颗粒级配沿垂线的分布规律；底孔开启时机及排沙效果。研究表明，库区悬移质淤积洲头在达到坝址之前，坝前含沙量分布较均匀，底孔排沙作用不大，为减少了底孔的冲刷和气蚀，少开底孔的意见是正确的。当淤积洲头推至坝前后，入库悬移质大量出库，掌握时机开启底孔排沙对减少邻近机组过机含沙量     

小北干流有坝放淤引水时机及规模分析研究

利用龙门断面近20年的实测水文、泥沙及龙门-潼关河段的冲淤量资料，分析研究小北干流有坝放淤的引水引沙条件、引水时机及引水规模。研究成果表明：当龙门断面流量大于400m^3／s、含沙量大于40kg／m^3、泥沙中值粒径大于0．025mm时，开始引水，淤区引粗泥沙较多。根据设计的来水来沙条件，满足上述引水引沙条件，并考虑引水闸规模投资等，确定引水规模为800m^3／s，则年平均引沙量为1．22亿t，粗、中、细沙的引沙量分别为0．27亿、0．35亿、0．60亿t。     

黄河北干流河道泥沙的输移与沉积

河口镇一龙门区间有２３１６６ｋｍ＾２面积属于未控区，占河口镇一龙门区间面积的２０％。１９６４－１９８８年２５年全沙年均淤积量为０．０９９亿ｔ。     

黄河宁蒙河段冲淤演变特点及趋势分析

通过分析黄河宁蒙河段冲淤演变及河槽过洪能力变化,进一步认识宁蒙河段冲淤演变规律,并根据下河沿水文站设计水沙条件,估算宁蒙河段2020年、2030年的冲淤变化趋势。分析表明:近期宁蒙河段输沙能力降低,巴彦高勒、三湖河口、昭君坟断面平滩流量呈减小趋势,河道淤积加重,支流淤堵干流情况加重。根据下河沿设计水沙条件推算头道拐水沙量以及区间引沙量,采用沙量平衡法,考虑区间支流来沙、区间风沙入黄情况,预估下河沿～头道拐冲淤量,2020年水平,宁蒙河段年均淤积0.78亿t;2030年水平,宁蒙河段年均淤积0.80亿t。     

黄河内蒙古河段洪水演进与冲淤模拟研究

研究洪水过程在黄河内蒙古河段的响应可为该河段的河道整治规划和黄河上游水资源开发方案的确定提供技术支撑。本文采用三维水沙数学模型,对黄河内蒙古巴彦高勒至头道拐河段开展了不同量级洪水过程的模拟研究。结果表明:洪水演进方面,现阶段巴彦高勒到头道拐的洪水演进时间较20世纪80年代有所增加,并维持在7～9 d;其中三湖河口以上河段河槽是主要的行洪区间;往下游发展,水流漫滩程度逐渐加大。河床冲淤方面,通过合适的水沙搭配和持续的洪水过程可实现该河段淤滩刷槽的有效调控;且主槽冲刷强度同流量之间存在非线性响应关系,并在流量2 500 m~3/s时输沙能力达到最大。此外,典型弯曲河段裁弯取直过程的模拟表明,持续的大流量洪水过程是实现局部河段自然裁弯的必要条件,通过裁弯取直可有效提高河段的输沙能力。     

宁蒙黄河治理对策

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2 000～2 500 m~3/s,临界含沙量5.4～10.5 kg/m~3,调控时间为15～20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2 500 m~3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3 000 m~3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2 600 m~3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。