黄河下游游荡型河段洪水演进与河床变形过程的数值模拟

黄河下游游荡型河段的河床变形过程相当复杂，横向变形尤为突出，现有水沙数学模型一般仅能模拟河床纵向冲淤，不能模拟滩岸横向冲刷与崩塌，本文将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷的力学模型相结合，建立河床变形的平面二维混合模型。然后以黄河下游花园口至夹河滩的游荡型河段为例，采用该混合模型，首次较为全面地模拟了1982年汛期的洪水演进与河床变形过程。沿程最高水位、出口断面流量过程等计算值与实测值符合较好。计算结果还表现为大水时主槽冲刷，滩地淤积；小水时主槽淤积，滩地崩塌。该计算结果与游荡型河段的年内冲淤变化规律一致。     

黄河下游河道冲淤性研究

根据三门峡水库投入运用以来36年下游河道的实测资料，分析了各种水沙条件下黄河下游河道的冲淤特性，总结了低含沙非漫滩洪水、中含沙非漫滩洪水、较高含沙非漫滩洪水、高含沙洪水、一般含沙漫滩洪水及非汛期河道的冲淤规律和各河段的相互调整关系，指出了各河段冲淤最严重的洪水类型，确定了各河段冲淤平衡的临界条件。在此基础上，提出了水库调水调沙过程中应采取的对策和措施。     

黄河下游河道冲淤计算方法

本文介绍黄河规划治理中常采用的下游河道冲淤计算方法.黄河下游来水含沙量大,含沙量变幅大,河床边界条件复杂,特别是漫滩洪水及高含沙洪水,洪峰沿程传播变形及滩槽水流横向交换引起的滩槽冲淤变形均较明显.实际上是三维非恒定流的河床变形问题.本计算方法由黄河下游实测水沙资料分析求得黄河下游各水文断面主槽输沙公式,它反映了黄河下游各断面输沙率不仅与本断面水力条件有关,而且与上游断面来水含沙量有关.根据下游河道型态特性对河床边界条件进行概化处理,运用一维河床变形的三个基本方程进行河床变形计算.漫滩洪水采用马斯京根法进行洪水推演,将不断进行的滩槽水沙横向交换概化为分段进出的漫滩水流.在每小段进出口处进行滩槽水流混合及滩槽分流计算,在每小段内分别进行滩地和主槽的一维冲淤计算.经过三十余年实测资料验证,不论冲淤总量还是沿程各河段及横向滩槽冲淤分布均较符合实际.     

黄河下游准平衡状态下平滩流量及面积与水沙条件的关系

以黄河下游不同河型河段为研究对象,选取下游河道处于相对冲淤平衡的4个时期(1967-1968年、1979-1980年、1989-1990年、1998-1999年)为研究时段。根据8年的水文资料及汛后实测断面地形资料,采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法,计算了各时期游荡河段、过渡河段及弯曲河段的平均平滩流量及面积。通过分析平滩流量及面积与汛期水沙条件之间的关系,建立了准平衡状态下黄河下游各河段平滩流量及面积与相应来沙系数的经验关系式,用于预测不同水沙条件下各河段的平滩河槽特征,并估算黄河下游平滩流量维持在4 000m3/s的水沙条件。     

对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

选取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及规划设计的未来50 a水沙系列,利用黄河下游一维水沙数学模型,模拟计算了对口丁坝双岸治理方案下黄河下游河道在3种水沙系列条件下的冲淤状况。结果表明,游荡性河段采用对口丁坝方案整治后,输沙能力得到了提高,该河段多输送的泥沙一半以上输送到利津以下,其余部分淤积在高村—利津河段,其中淤积以高村—艾山河段为主,艾山—利津河段的冲淤情况与现状相比变化不大。     

基于洪水过程的黄河下游游荡型河段冲淤特性研究

为了把握洪水泥沙过程对黄河下游游荡型河段河床冲淤调整的影响,通过平面二维水沙数值模拟与实测资料分析,进行了不同水沙过程下黄河下游河道冲淤规律的探讨。研究发现不同洪水泥沙过程对河槽的调整塑造有明显不同的影响,大洪峰流量塑造的河槽在非洪峰期难以维持原有输沙强度。主槽累积刷槽效应与洪水泥沙过程有很好的响应关系,塑造出最适宜河床断面形态的洪水过程才能实现最佳输沙效率。在不同量级漫滩洪水条件中,对应洪峰6 000m3/s的洪水过程,塑造的断面形态具有最大累积刷槽效应,故可采用其作为黄河下游漫滩洪水的调控指标。     

黄河下游河道冲淤特性研究

根据三门峡水库投入运用以来３６年下游河道的实测资料，分析了各种水沙条件下黄河下游河道冲淤特性，总结了低含沙非漫滩洪水、中含沙非漫滩洪水、较高含沙非漫滩洪水、高含沙洪水、一般含沙漫滩洪水及非汛期河道的冲淤规律和各河段的相互调整关系，指出了各河段冲液最严重的洪水类型，确定了各河段冲液羡衡的临界条件。在此基础上，提出了水库调水调沙过程中应采取的对策和措施。     

高含沙洪水后黄河下游游荡段宽深比变化规律

黄河下游汛期往往会发生含沙量超过300 kg/m3的高含沙洪水,使下游河床形态发生显著调整,研究高含沙洪水后游荡段平滩宽深比变化规律对充分认识下游河床演变特点具有重要意义。选取1970—1999年中13个高含沙洪水年份,以游荡段28个实测断面地形资料为基础,计算了各年汛前及汛后的平滩河槽形态参数,分别从断面及河段尺度分析了高含沙洪水作用下河床形态的调整特点,探讨了汛期水沙条件、汛前河床形态等因素对游荡段平滩宽深比变化的影响。结果表明:汛后宽深比与花园口断面平均输沙率及汛前宽深比关系密切,可用幂函数表示;用2002年及2004年游荡段实测资料验证该幂函数关系式,计算值与实测值吻合较好。     

黄河下游河段平滩流量计算及变化过程分析

黄河下游不仅断面形态复杂,而且主槽形态特征及过流能力沿程变化较大。因此采用河段平均的特征变量来描述主槽形态及过流能力更具有代表性。本文提出了基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法表示河段平均的主槽特征变量,计算的河段平滩宽度、水深、面积及流量恒满足水流连续条件。采用该方法计算了1960-2006年中典型年份花园口至高村游荡河段的平滩流量。结果表明河段平滩流量能从总体上综合反映游荡段主槽的过流能力,且其变化幅度远小于断面平滩流量。分析了河段平滩流量与所在河段冲淤量的关系,并建立了河段平滩流量与进口断面两年平均的汛期流量及来沙系数的相关关系。计算了近期黄河下游各河段平滩流量的变化过程,所得结果较好地描述了平滩流量在高村至艾山河段较小,在其上游游荡段及下游弯曲段相对较大的驼峰现象。     

黄河流域典型沙质河段冲淤量预估方法及应用

为扭转宁蒙河段水沙失衡趋势,合理分配输沙用水,提高河道排洪输沙效率,本文根据黄河流域典型沙质河段实测资料,依照河流动力学原理,通过引入水流挟沙力,建立了不同水沙条件下典型河段冲淤量预估方法。实测资料检验表明,该方法能够简便快速地根据进口断面洪水实测水沙因子,较好地预估下游河段的冲淤量。通过分析不同条件下预估冲淤量可以得出,在经历多年淤积而致主槽严重萎缩的情况下,内蒙古巴彦高勒-头道拐段以1 500 m3/s流量级冲刷河槽效率最高,建议在水库调节初期采用小流量多阶段冲刷的方式,达到重塑河槽的效果。根据不同的进口条件快捷估算河段冲淤量,能够为河流水沙过程调控以及河道整治规划提供技术支撑。     

塔里木河河槽形态调整特点及影响因素Symbol`@@

为确定塔里木河干流河槽形态调整过程及特点,根据2005—2013年实测水沙数据及断面资料等,分析了塔里木河河槽形态演变特点及影响因素。结果表明:2005—2009年中上游河段河槽逐渐萎缩,平滩面积总体呈下降趋势;2010—2013年汛期水流冲刷强度增大,游荡型河段平滩河槽形态主要体现为横向调整,断面趋于宽浅,过渡段相对稳定,弯曲型河段汛期水流冲刷强度变化趋势与游荡型河段一致,期间平滩河宽变化较小,断面朝窄深方向发展;2009—2011年游荡型河段和过渡段纵比降减幅分别为1.7%和3.0%,河床比降趋于调平,弯曲型河段纵比降增幅为1.6%,河床略微冲刷;水流冲刷强度能够较好地响应河槽形态变化,可用于预测塔里木河平滩河槽形态冲淤情况。中上游河岸土体在近岸水流作用下容易分解,稳定性差,在一定程度上加快了河床调整过程。     

Two-Dimensional Composite Mathematical Alluvial Model for the Braided Reach in the Lower Yellow River

Abstract

The fluvial processes are considerably complicated in the braided reach of the Lower Yellow River, and the lateral or transverse channel deformation process is especially pronounced. The state-of-the-art of simulation techniques for the channel deformation in the Lower Yellow River was analyzed in this paper, and such a conclusion was drawn that existing mathematical alluvial models only can simulate the longitudinal channel deformation and cannot simulate such the lateral deformation as lateral erosion and failure of bank. Then a new two-dimensional (2D) composite model was developed herein, consisting of a 2D flow and sediment transport submodel and a riverbank-erosion submodel. This model not only can simulate the longitudinal and lateral channel deformations, but also can be used to simulate the fluvial processes of natural alluvial rivers with complex bed morphology. Through using the proposed composite model, the flood routing and channel deformation processes during the August 1982 flood were simulated. The maximum stage along the reach and the discharge hydrograph at the outlet so obtained were in good agreement with the observed data. Simulated results of the channel deformation processes showed that during the flood season, the main channel scours and the flood plain deposits; during the dry season, the main channel deposits and banks of the floodplain retreat due to lateral erosion by the flow and failure under gravity. Such results accord with the annual varying law of bed scouring and deposition in the braided reach.     

黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型及其应用

黄河下游宽滩区既是大洪水行洪滞洪沉沙的通道,又是滩区群众赖以生存和发展的家园,如何合理运用宽滩区是长期备受关注和争议的话题。本文在水沙统筹、空间统筹和时间统筹原则的指导下,建立了黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价指标体系,构建了基于Pareto最优解的黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型,利用1958、1982、1992和1996年4场洪水实测资料,对该模型的合理性进行了验证。应用上述模型对黄河下游宽滩区不同运用方式的12组二维数学模型计算方案进行了评价,结果表明,洪水量级对减灾效应影响显著;相同洪水条件下设防护堤并控制闸门运用(有闸)或分区运用(5滩、10滩)方案能在滞洪沉沙功能和减灾效应之间取得更好的平衡,可作为未来滩区优化运用的决策参考。     

水库调度运行方式对水库泥沙淤积的影响

水库泥沙淤积相关问题的研究是大型水库建设非常重要且必要的研究课题。通过库区55 km范围的泥沙物理模型试验,研究2种泥沙调度运行方式下(方式1为前50 a汛期高水位运行,后50 a汛期低水位运行;方式2为100 a保持汛期低水位运行)水库泥沙淤积演变过程、库尾淤积、淤积量等情况。研究表明,不同运行方式下,汛期坝前水位对水库泥沙淤积的沿程发展、库尾淤积高程等影响较大。通过比较分析,水库运行前50 a,2种运行方式下泥沙淤积差别较大,运行方式2,汛期保持低水位运行更有利于水库排沙减淤;水库运行后50 a,2种运行方式相同。随着运行年限的增加,2种运行方式下泥沙淤积趋于相同。     

尾闾河段的数值模拟研究

尾闾河段是否畅通，直接关系到河流能否安全泄洪、排沥，是水利部门十分关注的问题。本文阐述了采用一、二维耦合数学模型进行尾闾河段洪水与潮波的模拟的基本理论，对耦合模型的交界面条件及耦合方式进行了详细说明，并以某河尾闾段为例建立一、二维耦合模型。一维数学模型研究计算的范围为河口区上游的河段，平面二维数学模型研究计算的范围为近挡潮闸河段以及至河口外近海区域。模型以历史洪水和实测潮波分别进行了验证，计算结果与观测结果吻合良好，表明耦合模型可以较好地反映模拟河段及近海区的洪水与潮汐特性，解决河流尾闾段的水力模拟计算。     

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。     

不同来源区洪水对黄河下游游荡河段河床横断面形态调整过程的影响

以黄河下游实测流量过程等水文资料为基础 ,从流域系统的角度出发 ,以洪水作为联系流域系统各子系统耦合关系的指标 ,揭示了不同来源区洪水对黄河下游游荡河段洪水前后河床横断面形态变化的不同影响及其原因。上少沙来源区洪水使河床形态变宽浅为主 ,变宽浅主要由于主槽淤积所造成 ;下少沙来源区洪水使河床宽深比以变窄深为主 ,主要由于主槽冲刷所造成 ;多沙粗沙来源区洪水造成河床宽深比减小 ,主要由于高含沙洪水淤滩刷槽所造成 ;多沙细沙来源区的洪水后宽深比变化不大 ,仅略减小 ,也存在淤滩刷槽的过程     

通州湾规划港区对台风暴潮的冲淤响应研究

基于ADCIRC+SWAN模式和Delft3D+SWAN模式建立双层嵌套的通州湾及周边海域的水沙动力数学模型。根据路径特征将影响通州湾的所有台风分为５类,选取每类的代表性台风驱动模型,模拟不同类型台风期间通州湾规划港区及周边水道沙洲系统的泥沙冲淤情况,剖析水道沙洲系统对台风暴潮的响应。结果表明:台风造成的通州湾规划港区及周边水道沙洲冲淤变化总体不大,在±0.40 m以内;北侧掠过型和东侧掠过型台风引起的海域冲淤相对较大;从空间分布上看,三港池口门附近及口外航道内容易淤积,腰沙、冷家沙浅滩区容易侵蚀。风暴期间港区北部冷家沙外侧水道出现严重淤积,原冷家沙浅滩区出现显著侵蚀,虽然一场风暴过程的冲淤量不足以影响港口运营及通航,但需注意长期时间尺度上对总体冲淤趋势的影响。     

黄河下游洪峰流量对断面塑造作用的试验研究

根据泥沙动床模型试验结果,探讨了黄河下游不同洪水洪峰流量下断面的冲淤及形态响应、洪峰含沙量对河槽塑造过程中水流运动、泥沙冲淤、主槽形态及过流输沙能力影响等问题,研究结果表明,断面响应与洪峰流量大小、历时、来沙系数及初始断面形态有关,大漫滩与一般漫滩洪峰流量对断面塑造特性有明显的不同,弯顶断面和顺直断面具有不同的冲淤特性,研究得到大漫滩、一般漫滩及不漫滩洪峰流量下断面的响应模式,建立了典型断面形态参数对一般漫滩及不漫滩洪峰流量下水量、来沙系数参数响应的经验关系式.     

万家寨水库泥沙问题综合研究

采用类比分析、数学模型计算、物理模型试验等方法,对万家寨水库泥沙问题进行综合研究,结果表明:水库设有一定规模的泄流排沙装置;采用定期冲刷或日调节的运用方式,充分发挥大洪水的冲刷作用;控制淤积末端在较陡的河段内;水库可以实现冲淤平衡并长期使用,库区支流红河口不会形成拦门沙坎。正常高水位及死水位分别在980m和957m以下,汛期采用调水调沙运用时,可以保持2亿m~3以上的调节库容。