不同治理模式下黄河下游水沙运行机制研究——“黄河下游滩区生态再造与治理研究”之二

通过建立黄河下游花园口至艾山河段二维水沙模型,采用实测资料分析和模型计算等多种手段研究黄河下游水沙运行机制。黄河下游宽河段以艾山为卡口形成平原水库,当发生漫滩洪水时,水流进入滩区,泥沙大量落淤,而后清水退入主槽,既减轻主槽淤积甚至产生"淤滩刷槽"效果,又减少了艾山以下窄河段的洪峰流量和泥沙淤积,是黄河下游防洪减淤体系的重要组成部分。受滩区人类活动和来水来沙等因素影响,现状河道存在漫滩水流顶冲堤防、顺堤行洪以及滩槽水沙交换不畅等问题,中小洪水期间河道淤积的泥沙90%以上分布在主槽和嫩滩,即使大洪水期间滩区构筑物影响减弱,仍有约50%淤积量分布在嫩滩;滩区防护堤方案缩窄了河道,客观上减少下游河道淤积7%~30%,但是加大了大洪水期间嫩滩淤积量;生态治理方案实施"高滩"淤筑和"二滩"再造,消除了"二级悬河"和滩槽横向倒比降,实现了洪水自然漫滩,减少下游河道淤积20%~50%,嫩滩淤积减少幅度更大,有利于遏制"二级悬河"形成。     

黄河下游花园口-高村河段泥沙时空分布及地貌演变

小浪底水库投入运行以后,黄河下游河道地貌发生巨大变化,滩区治理面临土地保护与开发利用之间的矛盾。本文基于地形空间插值与实测资料研究了花园口-高村宽滩游荡型河段在2000—2017年间的泥沙分布特征及滩区地貌演变情况,并提出滩区改造方案。研究发现,由于小浪底水库拦沙作用,长期低含沙水流下泄导致河床形态调整加剧,主槽冲刷明显,洪水漫滩几率降低;下游河道生产堤及控导工程的修建,加上土地开发利用及其他人为活动影响,滩区逐渐从沉积模式转为侵蚀模式;花园口-高村河段在2000—2017年累计侵蚀11.373亿m~3,其中滩地侵蚀约2.145亿m~3。为了沿黄经济带发展与滩区生态建设,有必要采用机械放淤、填方再造等手段对下游滩区进行分区改造,优化土地资源利用。     

河道生产堤对洪水影响的二维数值模拟研究

河道主槽两侧修建的生产堤影响滩槽泥沙横向交换,对河床演变带来很大影响。本文针对黄河下游游荡型河段的现实状况,采用平面二维水沙数学模型按现状生产堤、废除生产堤、限制生产堤三种条件进行了典型洪水的模拟,模拟计算给出了夹河滩-高村河段不同边界洪水演进、漫滩的过程及滩区淹没程度。作者分析了三种不同边界条件对洪水水位、河段流速、滩槽冲淤的影响,表明废除生产堤使洪水提前进滩,与现状生产堤状态相比大大降低了河道洪水位;限制生产堤方案可以适当控制漫滩流量,扩大滩槽泥沙横向交换,改善滩区生产条件。为了维持黄河河槽活力,协调人河关系,抑制二级悬河发展,限制下游河道生产堤治理方案是比较适宜的。     

小浪底水库2000-2006年运用效果分析

对小浪底水库2000-2006年的运用效果进行了分析,结果表明:①自1999年10月至2006年10月,小浪底水库库区累计淤积量为21.27亿m3,其中干流淤积量为18.01亿m3,支流淤积量为3.26亿m3,利津以上河段累计冲刷泥沙13.23亿t,黄河下游河道主河槽最小平滩流量已由2002年汛前的1 800 m3/s增大至3 500 m3/s左右;②2002-2006年,水库实施了5次调水调沙,均实现了下游主槽的全线冲刷;③经三门峡、小浪底等水库联合调度,有效削减了洪峰流量,减小了下游河道发生漫滩洪水的几率,减轻了滩区群众淹没损失;④小浪底水库的合理调度不仅确保了特枯水年黄河下游不断流,改善了下游河道生态环境,而且多次为外流域供水;⑤1999-2006年,小浪底水电站累计发电量为255.92亿kW·h.     

大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区安全

在大洪水期行洪滞洪沉沙是黄河下游宽滩区的主要功能之一。近十几年来,随着黄河水沙的变化和小浪底水库的建成运用,对宽滩区运用方式的争论更为激烈,却一直缺乏系统的对比研究。为此,黄科院利用小浪底至陶城铺河道实体模型,采用2013年汛前地形,开展了黄河下游宽滩区是否修建防护堤两种不同运用方式下,大洪水期的洪水演进试验,通过对比分析不同运用方式下的下游河道在冲淤演变、洪水位变化和滩区防洪安全等方面的问题,探讨了大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区的安全形势,以期为黄河下游河道治理措施的决策提供科学的参考依据。结果表明,宽滩区修建防护堤后,中常高含沙洪水条件下主槽淤积量小于不修防护堤方案,大洪水条件下主槽冲刷量大于不修防护堤方案,说明主槽过流能力和输沙能力均有所增大。但是,修建防护堤后的嫩滩淤积量,两种洪水条件下均呈现出明显大于不修防护堤方案,河道的横断面形态和"二级悬河"形势均有所恶化。同时,由于目前地形条件下夹河滩以上河段主河槽过流能力达到了6 000m3/s,洪水向下游的演进速度和水量明显增加,导致高村以下的洪水位比不修防护堤时显著提升,增大了高村以下河段的防洪压力,滩区的防洪安全受到严重威胁。     

黄河下游"二级悬河"治理途径的探讨

虽小浪底水库已建成投人运用，四次加高了黄河下游的大堤，但黄河下游的防洪形势依然严峻。自1958年以来，在黄河下游的河滩上修筑了生产堤。生产堤的总长达600km，围去了80％的行洪滩地面积。由于生产堤的修建，大多数的洪水都被限在生产堤间行洪，只有两生产堤间的滩地可以上水和泥沙淤积。大堤和生产堤间的滩地没有行洪和泥沙淤积的机会。因此，生产堤间的主槽和滩地要比生产堤与大堤间的滩地要高得多。这就形成黄河下游的二级悬河。在主槽滩唇和近大堤的低滩之间形成很大的横比降。这就威胁到大堤的安全。有破坏性的横河、斜河可以发生，一旦遇较大洪水就要溢出生产堤并直冲大堤根部。上游水库的调节运用不可能阻止二级悬河的形成和发展，情况将进一步恶化。为了保障黄河下游大堤的防洪安全，作者提出了以下几点建议：(1)拆除生产堤，恢复滩地的行洪沉沙作用；(2)利用泥沙加宽和加固大堤，淤筑相对地下河；(3)进行主河槽疏浚并将泥沙淤在生产堤和大堤之间，减小主槽和大堤根的横向高差；(4)将滩地的居民迁移至加宽了的大堤上居住，给他们解决去滩地耕种的道路和交通问题；(5)疏浚并整治主河槽，中水河槽的整治流量可以按3000～4000m^3／s，河道整治工程控导河势，但要允许洪水漫滩。     

黄河下游洪水漫滩对策探讨

黄河下游滩区是排洪、滞洪和沉沙的区域，同时又是广大群众赖以生存的土地，目前居住着179万人口，有耕地25万hm3。2002年小浪底水利枢纽调水调沙试验期间，下泄流量本应在河槽排洪能力范围之内，但仍造成部分滩区进水受淹。在权衡不同洪水漫滩利弊的基础上，提出了防止漫滩的对策：①继续限制下游滩区生产堤的发展，保证大洪水浸滩堆沙效益；②总结小浪底水利枢纽调水调沙的经验，提高黄河下游河道排洪输沙能力，减小洪水漫滩几率；③有计划地实施引洪放淤，抬高滩面高程；④疏浚河槽，淤堵串沟，淤填堤河；⑤抓住小浪底水库下泄清水的有利时机，加快河道整治步伐；⑥加强滩区安全建设，确保防洪安全。     

黄河下游滩槽冲淤演变与水沙过程的响应关系

采用实测资料分析的方法,研究了黄河下游滩槽冲淤演变对水沙过程的响应关系。研究结果表明:1986年后,进入黄河下游的水沙明显减少,导致下游河道滩槽皆淤。2000年后,由于小浪底水库蓄水拦沙运用,下游全程持续冲刷。黄河下游滩槽冲淤演变与水沙过程存在响应关系:主槽冲淤量随水量参数、水量分配参数的增大而减小;随沙量参数、沙量分配参数的增大而增大;滩地冲淤量随水量参数、沙量参数、水量分配参数和沙量分配参数的增大而增大。     

黄河山东段二级悬河的危害及防治措施

在分析黄河山东段二级悬河形势的基础上，指出二级悬河主要有以下危害：①导致洪水位偏高，洪水演进异常；②危及堤防安全；③易破坏控导工程；④加重滩区灾害损失。为有效遏制二级悬河不利形势的发展，提出了以下防治措施：①淤填滩区串沟及堤沟河，减小滩地横比降；②加大主槽疏浚力度，同时结合淤背固堤、淤填堤沟河，改善河道断面形态；③充分发挥小浪底水库的调节作用，创造有利的水沙条件进行淤滩刷槽，增大主槽排洪能力；④进一步完善滚河防护工程体系，确保堤防工程安全；⑤破除滩区生产堤并严禁新修和加修；⑥通过立法划定区域，禁止开展不利于行洪的一切活动；⑦积极采取生物措施；⑧加强水政监察执法力度，搞好河道管理与工程管理；⑨加大科研力度，进一步研究二级悬河成因、危害及防治措施。     

黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水研究

输沙需水是维持主槽不萎缩的重要条件。本文在考虑黄河下游非汛期冲刷、大漫滩洪水淤滩刷槽冲淤特点的基础上,根据非漫滩洪水水、沙及河道冲淤关系,研究提出了维持主槽不萎缩的输沙需水计算方法,并结合小浪底水库典型水沙调节方案,分析计算了黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水量变化范围。研究表明,主槽维持规模、来沙量、水沙过程是维持主槽不萎缩输沙需水的重要影响因素,小浪底水库合理调控黄河下游水沙搭配关系后,维持主槽不萎缩的输沙需水可明显减少。     

黄河下游泥沙沉积汇对入海悬移质泥沙粒度的影响

黄河下游泥沙沉积汇在黄河流域系统的泥沙收支平衡(Sediment budget)中起着重要的作用。通过河床主槽中泥沙的淤积和冲刷,运动泥沙的组成发生变化;通过滩地上泥沙淤积和河岸坍塌,河漫滩上前期淤积的泥沙与洪水所挟带的泥沙发生交换,使悬移质泥沙的组成发生变化。泥沙冲淤量对不同粒径组入海泥沙百分比的影响是不同的。小于0.01mm细泥沙的百分比与下游河道淤积量呈正相关,0.025~0.05mm和大于0.05mm的较粗泥沙的百分比与下游河道淤积量呈负相关。入海泥沙平均粒径与深泓年摆幅之间也存在着负相关关系。自20世纪60年代,中期以来,特别是自80年代中期以来,由于黄河下游径流量显著减小,黄河下游河道发生萎缩,河宽减小,因而主流线的摆动幅度也显著减小。这使得原来十分强烈的河岸侵蚀和滩槽泥沙交换强度大为减弱,主槽洪水得到的来自河岸侵蚀的细粒泥沙越来越少,因而使入海泥沙粒径变粗。     

Improved ecological development model for lower Yellow River floodplain,China

In this study, a model for the development of the wide floodplain in the lower Yellow River Basin, in China was developed. This model includes flood control schemes using grading criteria, enables sediment deposition in partitioned zones, and allows free exchange between channel runoff and sediment. The wide floodplain located between the main channel and levees is divided into three typical regions: the tender, low, and high floodplains. Different ecological models should be applied when these floodplains are constructed. This paper describes the associated research ideas and methodology, and clarifies several key issues, including sediment prediction and regulation, land planning, land use, and a multi-dimensional framework of safeguard measures for industries on the lower Yellow River floodplain. A refined ecological development model is proposed for the lower Yellow River floodplain, and future work on ecological and sustainable development of the lower floodplain is suggested. To establish a comprehensive system integrating runoff and sediment resource regulation in the Yellow River Basin, future work should focus on runoff and sediment exchange mechanisms in the wandering lower reaches. Furthermore, it is necessary to improve theories on floodplain planning and ecological construction, and these theories should be integrated with the research findings on land development across the lower Yellow River floodplain.     

Not all breaks are equal: Variable hydrologic and geomorphic responses to intentional levee breaches along the lower Cosumnes River,California

The transport of water and sediment from rivers to adjacent floodplains helps generate complex floodplain, wetland, and riparian ecosystems. However, riverside levees restrict lateral connectivity of water and sediment during flood pulses, making the re‐introduction of floodplain hydrogeomorphic processes through intentional levee breaching and removal an emerging floodplain restoration practice. Repeated topographic observations from levee breach sites along the lower Cosumnes River (USA) indicated that breach architecture influences floodplain and channel hydrogeomorphic processes. Where narrow breaches (<75 m) open onto graded floodplains, archetypal crevasse splays developed along a single dominant flowpath, with floodplain erosion in near‐bank areas and lobate splay deposition in distal floodplain regions. Narrow breaches opening into excavated floodplain channels promoted both transverse advection and turbulent diffusion of sediment into the floodplain channel, facilitating near‐bank deposition and potential breach closure. Wide breaches (>250 m) enabled multiple modes of water and sediment transport onto graded floodplains. Advective sediment transport along multiple flow paths generated overlapping crevasse splays, while turbulent diffusion promoted the formation of lateral levees through large wood and sediment accumulation in near‐bank areas. Channel incision (>2 m) upstream from a wide levee breach suggests that large flow diversions through such breaches can generate water surface drawdown during flooding, resulting in localized flow acceleration and upstream channel incision. Understanding variable hydrogeomorphic responses to levee breach architecture will help restoration managers design breaches that maximize desired floodplain topographic change while also minimizing potential undesirable consequences such as levee breach closure or channel incision.     

黄河下游河道湿地浅析

黄河属于高含沙河流,自小浪底以下河道大部分为宽浅游荡型河道,形成了特有的黄河河道湿地。研究认为:黄河下游河道湿地是黄河小浪底以下河道行洪的重要组成部分;湿地保护应考虑下游滩区的现状,并应与下游综合治理相结合;黄河下游频繁断流对湿地的破坏较大;黄河下游滩区生产堤的修建既影响防洪又不利于河道湿地发育;黄河下游河道湿地的存在有利于沿黄两岸生态环境的改善。提出黄河下游河道湿地的研究方向为:①河道典型湿地价值评估研究;②黄河下游河道湿地规模与黄河径流补给的响应关系研究;③黄河自然洪水对下游河道湿地的影响效应研究;④黄河调水调沙对河道湿地的影响效应研究等。     

对于黄河下游治理方略的几点建议

二级悬河是黄河下游防洪的心腹之患，必须改变当前槽高滩低的局面，消除二级悬河，才能使黄河下游成为一条有健康生命的河流。只有通过废除生产堤，才能利用大自然的力量，较快、较好地消除二级悬河的严峻现状。要废除生产堤，首先要搞好滩区的安全建设。在此前提下，建议改变小浪底水库的运用方式：拦蓄大洪水，不拦蓄中小洪水；排泄浑水，不排泄清水；汛期水库少量蓄水，做到拦粗排细；允许洪水漫滩，实现漫滩刷槽，利用滩地处理大部分来沙。     

The effect of altered flow regime on the frequency and duration of bankfull discharge: Murrumbidgee River,Australia

On meandering rivers with well‐developed floodplains, bankfull stage has geomorphological and ecological significance because it approximates the level of connection between the channel and the floodplain. As a river rises to bankfull stage, sediment begins to be deposited on the floodplain, wetlands are progressively inundated and organisms migrate between the channel and floodplain habitats. On many rivers large headwater dams have reduced the frequency and duration of floodplain inundation downstream. However, the lack of reliable pre‐regulation flow data has made it difficult to quantify the effects of river regulation. This study used historical regulated and modelled natural flow data to determine the effects of regulation on the frequency and duration of bankfull flows on the Murrumbidgee River, one of Australia's largest and most heavily regulated rivers. In combination with floodplain surveys the flow data show that regulation has halved the frequency and duration of bankfull flows. This reduction in channel–floodplain connection has implications for the ecological health of the Murrumbidgee River. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

漫滩水流特征综述

水流漫滩后,主槽流速减小,滩地流速增大,但主槽流速大,滩地流速小,滩槽之间流速的差别使滩槽交界面上产生剪切力,两部分水流在交界面上发生动量交换,滩槽交界面产生大量次生流、旋涡,并伴随着大量的能量耗散。滩槽的边壁切应力分布不均,尤其是滩槽交界面处。流速和切应力不均匀分布导致了主槽水流含沙量降低,滩地水流含沙量升高。从五方面对漫滩水流特征的研究成果作简要概述。     

黄河下游河道萎缩过程中洪水水位变化研究

采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,研究了河道萎缩过程中黄河下游洪水水位的变化特征与变化机理。研究结果表明:1986年后,黄河水沙过程变异,下游河道严重萎缩,洪水起涨水位显著升高,洪水上涨过程中水位涨率明显增大,滩槽水位变化不一致性增强。洪水起涨水位的升高主要是河道萎缩过程中主槽持续淤积抬高所致,起涨水位的升高对洪峰水位抬升幅度影响大,而行洪过程中黄河下游宽河段强大的断面调整功能极易造成洪水水位的陡涨猛落,其影响也不容忽视。通过引入洪水水位涨率特征参数θ,建立了θ与黄河下游河道主槽宽度、滩槽糙率比、排沙比等因素的定量关系,结果显示,黄河下游河道萎缩过程中,输沙能力降低,主槽宽度大幅度缩窄,滩地阻力明显增大,均会导致洪水水位涨率增大。以谢才公式为基础的理论分析进一步证明,黄河下游河道洪水水位涨率与河道萎缩具有非线性响应关系,河道萎缩越严重,洪水水位涨率增大的幅度越大。     

顺直型与宽窄型复式河道水沙分布规律的比较

本文在总结水槽试验资料的基础上．对顺直型及宽窄相间型复式河道的过流能力、流速及含沙量分布特性进行了比较分析。研究结果表明，两种复式河道的水沙分布具有一定的相似性，但也存在着较大的差别，并对其产生的原困进行了初步探讨。此外，通过比较滩槽流速比及滩槽流量比可以知道．宽窄复式河道的滩槽动量交换较顺直复式河道强烈。     

论"稳定主槽、调水调沙"的治河方略

随着人们对黄河泥沙输移规律认识的不断深入，治黄方略或主张也在不断地更新。微弯整治基于多年游荡河道的防洪抢险经验，其能达到减小游荡范围的治理目标，但主槽没有稳定；双岸整治方案是基于窄深河槽洪水期具有很强的输沙潜力与泄洪能力。小浪底水库投入运用后，必须形成稳定的主槽才能保证防洪的安全，提高河道的输沙能力，从而达到更好的减淤目的；洪水漫滩机会减小了，才能使黄河滩区人民与自然和谐相处。因此，主张束水输沙，认为“稳定主槽、调水调沙”的治河方略符合当今黄河的实际。