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。     

黄河干流泥沙空间优化配置研究(Ⅱ)———潜力与能力

本文采用实测资料分析和数学模型计算等方法,系统研究了2050以前不同水沙系列条件下黄河干流泥沙空间优化配置的潜力与能力及经济投入指标。结果表明,黄河干流河道的输沙潜力与能力较大,2008—2050年下游河道利津站的年最大输沙潜力为10.22～18.08亿t/a,年平均输沙能力为3.46～6.24亿t/a,河口造陆的容沙潜力为254亿t,深海输沙能力为1.74～2.57亿t/a。河道输沙是长期的,应充分利用河道输沙能力输沙到河口造陆和输沙深海。水库拦沙的潜力与能力也较大,干支流水库的拦沙潜力为531.06亿t,小浪底水库的年平均拦沙能力为5.07～5.94亿t/a,古贤水库的年平均拦沙能力为3.42～5.45亿t/a,水库拦沙库容是有限的,应合理利用水库的拦沙能力改善河道冲淤。滩区放淤潜力与能力相对较大,干流滩区放淤的潜力为192.1亿t,下游滩区的年平均放淤能力为0.34～0.64亿t/a,小北干流滩区的年平均放淤能力为1.07～1.42亿t/a,温孟滩区的年平均放淤能力为0.43～1.06亿t/a,滩区放淤是有条件的,应合理利用滩区放淤能力改善滩槽泥沙分布。黄河干流具有一定规模的引水引沙潜力与能力,干流年最大引水引沙潜力为2.8亿t/a,年平均引水引沙能力为1.62～2.54亿t/a,引水引沙也是有条件的,并对河道冲淤有影响。经分析,排沙入海的经济投入较低,其次为水库拦沙,滩区放淤的经济投入较高。研究成果为黄河干流泥沙空间优化配置提供可定量的约束条件和控制指标。     

黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值研究

考虑黄河未来可能的水资源条件,以及生态保护、经济社会发展多目标对水量年内过程分布需求,根据黄河下游水沙资料、河道冲淤资料,采用实测资料分析、公式计算、数学模型模拟等多种方法研究了有利于黄河下游河流生态良性维持的平衡输沙的沙量阈值。未来进入黄河下游的年来水量为250亿m~3左右,实测资料分析和公式计算表明,未来较小的平衡输沙阈值为2.0～2.2亿t。数学模型计算在小浪底水库等现有工程联合调控作用下黄河下游平衡输沙的临界沙量为2.5亿t。中游古贤水库建成后和小浪底水库联合调度,可以进一步提高汛期的输沙效率,平衡输沙的沙量阈值可进一步提高。研究成果对黄河下游治理具有重要意义,可为黄河泥沙处置措施优化提供技术支撑。     

"模型黄河"工程需求分析

建设“模型黄河”工程是黄河治理开发的迫切需求。主要要求包括：黄土高原水土流失治理坝系建设关键技术研究、不同治理措施组合的蓄洪减淤作用研究与应用需求；三门峡水库运用及潼关高程问题研究、小浪底水库运用方式研究需求；小浪底-利津河段、小北干流、宁蒙河段、渭河下游等河道治理及泥沙处理利用方案决策需求；河口治理方案决策需求；研究黄河基本规律的需求。     

2012年宁蒙河段洪水特点及对河道的影响

利用实测资料分析了2012年黄河上游洪水的水沙特点和洪水演进、传播特性以及洪水对河道冲淤的影响,结果表明:2012年黄河上游洪水水量大、沙量小、漫滩严重,洪水传播速度慢,洪水峰型沿程有所改变;洪水期河道冲淤调整剧烈,整个宁蒙河段河槽冲刷1.916亿t,滩地淤积量达2.032亿t,冲刷以中粗沙为主。洪水对河道排洪能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段代表水文站同流量水位下降0.43~0.63 m,平滩流量增大了201~588 m3/s。漫滩洪水对宁蒙河段河槽的塑造作用较大,建议充分利用大漫滩洪水维持宁蒙河道的长期排洪排凌能力。     

宁蒙河道冲淤规律及输沙特性研究

根据黄河上游水文及河道实测资料,探索了宁蒙河道的冲淤规律与榆沙特性,结果表明:①宁蒙河道单位水量冲淤量与来沙系数关系较好,汛期、非汛期、洪水期在来沙系数分别为0.003 4、0.001 7、0.003 8 kg·s/m6左右时河道冲淤基本平衡;②宁蒙河道具有泥沙"多来、多淤、多排"的特性;③上游大型水库的运用方式对宁蒙河道的冲淤演变产生了不利影响,但冲淤规律和输沙特性并未发生显著改变;④建议在保证适当水量以维持河道健康的前提下,采取更直接、高效的措施解决宁蒙河道的淤积问题.     

2018年黄河上游洪水及宁蒙河道响应特征研究

利用实测资料分析2018年黄河上游洪水的水沙特点以及洪水对宁蒙河道冲淤的影响,结果表明：2018年黄河上游洪水具有洪量大、持续时间长、洪峰流量大等特点。进入宁蒙河道洪峰流量为2 880～3 600 m³/s,内蒙古三湖河口—头道拐河段发生大范围漫滩。宁蒙河道洪水期河道冲淤调整较大,内蒙古巴彦高勒—头道拐河段产生明显的“淤滩刷槽”效果,漫滩洪水冲刷效率高于非漫滩洪水。洪水对河道排洪能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段巴彦高勒、三湖河口站同流量水位分别下降0.71 m和0.47 m,平滩流量分别增加约500 m³/s和320 m³/s。     

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。     

黄河宁蒙河道水沙变化及冲淤特性

采用断面法对黄河宁蒙河段的冲淤量进行了计算,分析了该河段的水沙变化情况及冲淤特性。结果表明:宁夏河道多年来呈微淤状态;内蒙古巴彦高勒—浦滩拐河段1962—1982年、1982—1991年、1991—2000年、2000—2008年年均淤积量分别为-0.009亿、0.379亿、0.540亿、0.620亿t;内蒙古河道2000—2008年主槽淤积量占全断面淤积量的90.9%,造成平滩流量减小,严重威胁防凌、防洪安全。     

黄河头道拐站水沙来源空间分布及其影响因素

根据1950-2010年实测资料,采用不同时间序列对比和回归分析方法,对黄河上游沙漠宽谷河段干流6大水文站水沙关系变化、出口控制站头道拐水文站水沙来源的空间分布及其影响因素进行了分析,结果表明:1头道拐水文站径流主要来自兰州以上地区,泥沙主要来自兰州-头道拐区间支流。与基准期的1950-1968年相比,头道拐站1969-1986年和1987-2010年平均径流量分别减少10.1%和40.6%,年平均输沙量分别减少37.2%和75.4%。2宁蒙河段径流量减少主要发生在石嘴山-巴彦高勒河段,多年平均径流量减少52.2亿m3;输沙量减少主要发生在青铜峡-巴彦高勒河段,多年平均输沙量减少0.244亿t。宁蒙河段单位水量冲淤量随着头道拐水文站年平均来沙系数的增大有增大趋势,河道冲淤基本平衡的来沙系数约为0.0023kg·s/m6。影响头道拐水文站水沙来源空间分布的主要因素有气候波动、龙羊峡和刘家峡水库调节、工农业用水、水土保持综合治理等。     

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.     

建立黄河数学模拟系统

“数字黄河”工程经过5年的建设,在数据采集、数据传输、数据存储和数据处理方面取得了长足的进步,数学模拟系统建设将是今后5～10年努力的方向。黄河数学模拟系统建设要围绕黄土高原土壤侵蚀模型、水库调度模型、黄河下游河道水沙演进模型、河口模型、水质预警预报模型、宁蒙河段冰凌预报模型六大模型系统开展。要充分认识黄河数学模拟系统建设的长期性和复杂性,持之以恒地进行黄河数学模拟系统建设。     

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。     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

黄土高原土壤侵蚀规律研究方向与途径

从黄土高原水土保持生态建设和黄河治理开发重大实践的需求出发,回顾了我国关于黄土高原土壤侵蚀规律研究的主要进展,分析了存在的问题,论述了深化黄土高原土壤侵蚀规律研究的重大需求,就黄土高原土壤侵蚀规律的研究方法与途径、研究方向与内容提出建议,认为应加强以下几方面的研究:重力侵蚀规律、不同治理措施配置下坡面-沟道系统侵蚀产沙耦合关系及泥沙输移规律、植被措施作用下的水文效应和产流机制、土壤侵蚀产沙发生发展过程尺度转换、黄土高原水土流失模拟理论与技术等;研究途径包括建设黄土高原土壤侵蚀试验观测体系、运用土壤侵蚀模型模拟与反演技术等。     

黄土高原水土流失治理与黄河水沙变化

"黄河流域治理,重在保护,要在治理"。明晰黄土高原生态治理成效及其影响下的黄河水沙关系变化,有助于为黄河水沙关系协调提供科技支撑。通过梳理黄土高原水土流失治理历程及措施变化,辨析了治理措施的减沙效应。研究表明:(1)黄土高原历经五个典型治理阶段,主色调由黄变绿,下垫面发生不可逆的变化;(2)2000年以来,主要产沙区汛期雨量偏丰且极端降雨增加,而黄河沙量相对1919—1959年锐减了85%,中游中常洪水发生频次降低,下游河道由淤积转为冲刷;(3)林草、梯田和淤地坝减沙成效显著,溃损淤地坝淤积泥沙出库比15%,难以发生"零存整取"现象;(4)与历史极端降雨事件相比,2000年后相似降雨条件下,典型流域次洪水量和沙量分别减少30%～78%、53%～88%,水土保持成效显著;(5)新水沙情势下应适时调整黄土高原水土流失治理格局,并完善水沙调控体系,改造下游河道,解放滩区。     

基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型

黄土丘陵沟壑区面临严重的土壤侵蚀问题,是黄土高原主要产沙区域,针对该区域的土壤侵蚀产沙模拟一直是黄河泥沙研究的热点。尽管如此,已有侵蚀产沙模型对坡面、沟壑侵蚀环节刻画并不完善,沟壑侵蚀过程的忽视限制了模型在沟壑区侵蚀产沙模拟的精度。为此,本文考虑了沟壑侵蚀的特殊性,从分布式水循环模型(the Water and Energy Transfer Processes in Large River Basins,简称WEP-L)的"坡面-河道"二级产汇流结构中单独分离出沟壑环节,提出了"坡面-沟壑-河道"的三级汇流和产输沙结构,从而构建了基于WEP-L的分布式侵蚀产沙物理模型(WEP-SED)。将WEP-SED应用于无定河流域白家川水文站控制区,模型得到的白家川1956—2010年月均输沙率过程与实测过程接近。结果表明,WEP-SED可有效应用于黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙模拟研究。此外,模拟的白家川沟壑环节多年平均侵蚀量约占该区域总侵蚀量的49%,且94%的沟壑侵蚀集中于7—9月。模拟结果充分说明该区域沟壑侵蚀的严重性,细化沟壑侵蚀过程对于提高该区域侵蚀产沙模拟精度具有重要意义。     

黄土丘陵沟壑区第五副区产沙机制初步分析

黄土丘陵沟壑区第五副区主要分布在黄土高原西北部,是黄河流域的主要产沙区之一。通过实地调查,结合下垫面、降雨和水文实测数据,本文分析了该区泥沙来源、产沙特点及其影响因素,揭示了该区的产沙机制。实地调查表明,黄土丘陵沟壑区第五副区大体是黄土丘陵和黄土台塬的结合产物,地表光滑的黄土丘陵群包围着一片黄土盆地或阶地是其地形特点,土壤疏松、植被稀疏是其地貌特点,雨量和雨强小、蒸发强是其气候特点。该区泥沙不仅产自周边丘陵,且相当部分来自中部盆地的河(沟)岸崩塌或滑坡,是黄土高原河沟侵蚀最剧烈的地方,有些河流的河沟产沙占比甚至高达2/3;从支毛沟,到干沟和河道,随着汇入水量的增加,产沙强度逐级增大。周边丘陵所产洪水是河(沟)岸崩塌或滑坡的主要动力,其植被覆盖或梯田规模是影响产洪的关键因素。该区产洪能力偏低,但洪水的含沙量高、且很难显著降低。     

修正水沙资料是当前治黄的基础性研究课题

黄土高原水土保持工作大规模持续进行和黄河干支流水利枢纽工程的大量修建,极大地改变了黄河流域下垫面状况。实测资料分析结果表明:从黄河中游进入黄河的水量、特别是沙量已大幅度减少,小浪底水库的拦沙年限可以延长,黄河流域防洪规划和小浪底水利枢纽设计所预测的水沙量远大于最近10余年实测的水沙量。过去观测的水沙资料已不再具有可重现的性质,必须根据当前下垫面的变化,适时进行修正,用修正后的水沙资料,分析预测此后一段时间的水沙过程,才能作为此后一段时间河流治理规划、工程设计和管理运用的依据。因此,修正水沙资料是当前治黄工作中一项新的迫切而重要的基础性科研课题。