黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究

以黄河下游实测洪水资料为基础,对洪水冲淤特性及高效输沙过程进行了分析。结果表明:①洪水平均流量大于2 000 m3/s后,排沙比的大小主要取决于洪水平均含沙量的大小;②输沙水量与排沙比的关系因含沙量的不同而分带分布,同一含沙量级洪水的输沙水量随着排沙比的增大而减小,当排沙比达到一定程度后,随着排沙比的增大,输沙水量不再明显减小;③可以用平均流量为3 200 m3/s、平均含沙量为65 kg/m3的水沙搭配来代表黄河下游高效输沙洪水过程。     

黄河下游河道输沙水量的计算方法及应用

本文在以往输沙水量研究成果的基础上，从输沙机理分析着手，根据河道输水输沙实际过程，剖析径流量中各部分水量在泥沙输移中的作用，引入净水量的概念，提出了输沙水量和单位输沙水量的定义及其计算方法，根据1950～2000年黄河下游河道实测水沙资料，计算了1950～2000年三门峡水库运用不同时期黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的变化过程，分析了输沙水量和单位输沙水量与径流量、输沙量、流量、含沙量、冲淤量、来沙系数等因素的关系，得到了黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的计算公式。     

黄河下游“驼峰”河段来水来沙条件和不平衡输沙特性研究

黄河下游特殊的来水来沙条件和独特的地理环境使高村-艾山河段成为了典型的“驼峰”河段。利用黄河下游各水文站1990-2020 年的水沙实测资料,重点分析了黄河下游花园口-高村、高村-艾山河段来水来沙情况和断面形态特征,并通过黄河下游不平衡输沙率公式,建立排沙比与河道来沙系数、河相系数之间的函数关系。结果表明：小浪底水库投入运行后黄河下游“驼峰”河段来沙量急剧减少。在此基础上构建了黄河下游排沙比与淤积量之间的数值关系,并进一步建立了排沙比与来沙系数、河相系数之间的幂函数公式,该公式可以根据黄河下游河道来水来沙条件和河道断面形态等参数更加准确地计算出下游各河段的冲淤变化情况。     

黄河下游高效输沙洪水研究

在进行以输沙入海为目的黄河小浪底水库调水调沙方案的制定时,必须同时考虑两个目标,即(1)提高洪水输沙效率,减少河道淤积;(2)节省输沙用水,降低水资源消耗.同时满足输沙效率较高和输沙用水较省这两项要求的洪水可称为高效输沙洪水.以黄河下游1950-1985年间历次洪水的实测资料为基础,运用统计方法,研究了黄河下游的高效输沙洪水.研究表明,输沙效率随输沙用水的增大而增大,只有某种中等的输沙用水量与中等的输沙效率的组合,才可能是较优或最优的.高效输沙的排沙比可以取为0.85～1.00之间.基于1950-1985年资料进行了研究,结果表明,黄河下游流量在2 600～4 800m~3/s之间,含沙量在30～50kg/m~3之间,排沙比在0.85～1.00之间的洪水,可以作为高效输沙洪水.若考虑排沙比＞0.85,这样的洪水在1950-1985年间的274次洪水中出现过27次.     

黄河下游河道冲淤平衡时输沙水量变化规律研究

根据1950～2000年黄河下游河道汛期实测径流量和输沙量资料,计算得到了花园口-高村和艾山-利津河段处于冲淤平衡状态时的输沙量、输沙水量与单位输沙水量,并分析了三者之间的关系.研究表明:河段处于冲淤平衡状态时,输沙水量随着输沙量的增大而增大,单位输沙水量随着输沙量、输沙水量的增大而减小,输沙效率增大;随着河槽形态趋于窄深,一定输沙量所需输沙水量减小,单位输沙水量减小,输沙效率提高.     

小浪底水库运用后输沙用水量可以大量节省

经过我国几代人对黄河泥沙输移的研究和实践,认识己有重大突破,即可以利用高含沙水流输沙入海,节省输沙用水量,减缓河道淤积,为解决黄河下游防洪展现出美好的前景.为小浪底水库采用泥沙多年调节,充分利用下游河道的输沙潜力,利用汛期大流量输送高含沙水流入海提供了可能,是解决黄河下游泥沙问题节省输沙用水的有效技术途径.在黄河下游水资源十分紧张的情况下,使平水年、枯水年小浪底水库不排沙,全部水量用于兴利和环境用水.方案计算表明采用1970-1996年实测系列,水库开始排沙后,年均输沙用水量为43亿立米,丰水年排沙用水量达128亿立米,最小者为16亿立米.利用丰水年洪水输沙将从根本解决输沙用水量与下游河道工农业用水之间的尖锐矛盾.     

基于沙量平衡法的黄河下游河道冲淤量计算

在对输沙率资料进行全沙修正的基础上,根据黄河下游"多来多排"泥沙输移公式及1960-2013年实测资料,分别建立了以小浪底实测输沙量为输入条件及以花园口修正和实测输沙量为输入条件的利津年输沙量公式,并计算了相应的小浪底-利津河段和花园口-利津河段的沙量平衡法冲淤量。两个河段分别根据修正和实测输沙量资料计算的年冲淤量和累计冲淤量均能与相应的断面法实测结果相符合,表明建立的冲淤量计算方法能够较好地模拟河道长时期的冲淤过程。     

黄河下游河道11月至次年5月时期输沙和冲淤规律研究

利用1960—2010年黄河下游11月至次年5月时期实测水沙资料,系统地研究了黄河下游河道水沙运动和河床冲淤规律。分析了花园口、高村、艾山和利津等4站输沙率与各自上站的流量、含沙量和输沙率的关系,黄河下游河道冲淤量与小浪底站来水量、来沙量、含沙量和来沙系数之间的关系。结果表明:黄河下游河道的下站输沙率与上站输沙率有很好相关关系,该时期进入黄河下游河道的输沙量小于1.82亿t、或平均含沙量小于12.6kg/m3、或来沙系数小于0.014 kg·s/m6时,下游河道以冲刷为主,反之则以淤积为主;采用本文建立的下站输沙率与上站输沙率关系式计算的黄河下游各河段冲淤量具有较高的精度。利用本文建立的关系式可以方便地预测未来黄河下游河道该时期不同河段冲淤量,对快速判断黄河上中游水利工程建设对下游河道冲淤影响具有重要意义。     

黄河下游排沙比研究

本文以实测水文沙资料为基础，对于黄河下游河道泥沙输移中的排沙比进行了系统的研究。     

黄河下游河道洪水期输沙规律研究

利用1960—2010年黄河下游304场次洪水实测水沙资料,以小浪底站为黄河下游河道进口控制站,以花园口、高村、艾山和利津4站为节点将黄河下游划分为4个河段,系统地研究了黄河下游洪水期河道水沙输移规律,分析了花园口、高村、艾山和利津4站输沙率与各自上站流量、含沙量和输沙率的关系。结果表明:黄河下游河道的下站输沙率与上站输沙率有很好的相关关系。在此基础上,进一步对小浪底场次洪水来沙系数进行分级,得到了分级来沙系数的下站输沙率与上站输沙率的相关关系。采用建立的下站输沙率与上站输沙率关系式计算得到的黄河下游各河段冲淤量和冲淤过程与实测资料符合很好,具有较高的精确度。利用建立的关系式可以方便地预测未来黄河下游河道洪水期不同河段冲淤量,快速判断场次洪水对黄河下游河道冲淤的影响。     

非均匀沙的运动机理及输沙率计算方法的研究

本文较为系统地研究了非均匀沙运动机理及输沙率的计算方法，在建立泥沙运动交换模式的基础上，指出现有非均匀泥沙动动流速公式存在的不足并对此作了修正，然后分别讨论了推移质分组输沙率、悬移南分组兵沙力和全沙输沙率的计算方法，得到的有关公式均用实测资料作了验证计算，结果表明它们是合理、可靠的，可在理论研究和生产实践中参考应用。     

黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性

本文利用大量水文资料,在前人研究的基础上,分析研究了黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性。首先根据水文测验尤其是泥沙级配实测资料,间接分析各家公式的合理性,从而选择出物理概念清晰、符合黄河下游实际的扬动流速计算公式。对于粒径较小的泥沙,沙玉清、窦国仁等现有扬动流速计算公式都适用于黄河;随着泥沙粒径增加,几家公式差异变大,张罗号和罗诗琦公式同实测资料更为符合。在此基础上分析了黄河下游河槽不同粒径泥沙的扬动特性,认为“粗颗粒”泥沙在黄河下游河槽中水流量下亦能扬动。然后,选取黄河下游花园口、高村和利津站为下游代表水文站,采用汛期非漫滩情况下的实测数据,分别绘制了三站流量与泥沙以悬移形式运动的百分比关系图。引入扬动临界流量的概念后,各站泥沙输移特性变化规律基本遵循统一表达形式。进一步定量分析了各水文站泥沙输移特性,给出了扬动临界流量、扬动概率系数、输沙指数同泥沙粒径等因子的关系式,从而建立了泥沙以悬移形式运动的百分比与水沙因子的计算公式。结合未来30年内年均沙量减小的预测结果进行计算,表明黄河下游汛期日平均流量只要大于971 m³s,悬移质泥沙组成中的粗颗粒能保持悬移运动状态,同时表明加大流量是直接提升水流输沙能力的有效手段。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究

壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究简

 壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。     

三峡水库淤积计算预测与原型实测结果比较分析

在分析三峡工程蓄水运行10a以来水库淤积规律的基础上,对长江科学院在三峡工程初步设计、技术设计以及三峡后续工作规划等不同阶段的水库淤积预测成果与三峡工程蓄水运行以来库区淤积量、淤积分布以及排沙比的实测结果进行了对比分析。结果表明,各阶段预测的水库淤积规律与实测的相同,由于预测采用的入库水沙条件及水库运用方式与三峡工程运用以来实际发生的差别较大,因此预测的库区淤积量及排沙比较实测的大,如近似将预测采用的入库水沙条件换算至与实际发生的相近时,则预测成果与实测值接近,表明预测采用的数学模型及预测成果是可靠的。今后需进一步研究揭示水库泥沙运动机理,改进和完善预测模型,并随着实测资料的积累,对数学模型进行不断地率定与改进,以提高预测精度。     

黄河下游灌渠水流泥沙数学模型

本文结合灌渠的结构特点及水流泥沙特性，对一维非耦合，非均匀、不平衡沙基本方程组进行了合理的简化，根据实体模型试验实测资料，确定了自流与提灌时干，支渠分流的不同分沙分水比。     

北江清远河段推移质运动规律初步研究

采用理论分析、变坡水槽试验与实体模型试验相结合的研究方法,针对北江清远河段推移质泥沙特性及运动特性,进行了泥沙起动及输移的水槽试验,并对泥沙的起动与输移规律进行了初步研究。根据起动试验结果,得出了反映颗粒隐蔽和暴露作用的隐暴系数表达式;根据输移试验结果分析了推移质输沙率的特性,并通过与其它公式进行比较,得到适应于该河段的推移质输沙率公式。     

三峡水库下游荆江河段推移质输沙率计算方法分析

根据荆江沙市水文站与监利水文站共380组次推移质输沙率与断面水力要素的实测资料,分析了推移质泥沙的输移特性,建立了推移质输沙率与流量之间的关系式,并利用实测资料对Engelund-Hansen和Einstein推移质输沙率公式进行了检验与修正。研究结果表明:荆江河段沙市站与监利站的实测推移质泥沙年输移量位于137~388万t之间,主要发生在汛期的5-10月,约占全年的75%,而且沙市站断面的年均输沙量小于监利站;推移质输沙率与流量的1.3511次方成正比,呈显著相关。Engelund-Hansen与Einstein公式直接用于计算荆江河段推移质输沙率均存在系统偏差,修正后的公式与实测资料吻合较好,呈高度相关,其中Einstein的修正公式相关度更高。研究成果可用于荆江河段推移质输沙量的计算与河床演变分析。     

Experimental Study of Sediment Transport in Meandering Channels

Sediment transport in a meandering channel is measured in a laboratory flume. The measurements are evaluated and compared with previous studies. The values of the calculated sediment transport rates using previous formulas are generally overestimated. Under these circumstances, in this research, it is noticed that the sediment transport rates as measured in the laboratory, and sediment transport capacities computed with the Einstein’s approach, behave in a quite similar way, seemingly closely related to the varying bottom shear velocity or stress. Einstein’s approach for bed load comparison is chosen in this experimental research because it has been tested to some extent.