黄河下游河道巨大的输沙能力与平衡的趋向性——“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之二

尽管黄河下游河道以堆积性著称,河底、水面不断抬高,但在长期水沙作用下,特别是河流的自动调整和反馈迅速,其平衡的趋向性也很明显。从上、下河段挟沙能力及典型资料看,当流量为1000~4000 m3/s时,上段(河南河段)挟沙能力与下段(山东河段)之比为1.049~0.915,即流量小于2000 m3/s时,上段挟沙能力大于下段;而当流量大于2500 m3/s时,下段挟沙能力则大于上段;流量为2300 m3/s时,上、下河段基本平衡。从多年平均过程看,如果不考虑高含沙洪水,不漫滩,流量沿程不变,下段输沙量为上段输沙量的1.01倍,也说明多年输沙量是平衡的。特别是从1960年9月至1996年10月的资料看,三门峡至利津河段淤积36.32亿t,其中20次高含沙量洪水淤积37.22亿t,若不计高含沙洪水,则全河冲刷0.90亿t,占来沙348亿t的0.26%。     

黄河调水调沙的巨大潜力——"黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力"之九

黄河调水调沙在防洪治河、减淤方面已发挥了很大作用,仍有巨大潜力：①塑造洪峰加大输沙能力,特别是扩大河槽;如果水量稍多,还有适当扩充的余地。②减少中小流量,避免冲刷后的回淤及“冲河南、淤山东”,但800—2000m’／s尚有减少的空间。③保证必要的平滩流量,不能单靠冲刷,要维持一定的洪峰;蓄水量稍丰时,适当扩大平滩流量是有可能的。④尽管黄河下游河道有多来多排及多淤的特性,但平衡输沙才是输沙能力最大的。当然,全部都按平衡输沙是不可能的,如何安排,是值得具体研究的。     

黄河调水调沙释疑

所谓调水调沙，就是在充分考虑黄河下游河道输沙能力的前提下，利用水库的调节库容，对水沙进行有效地控制和调节，适时蓄存或泄放，调整天然水沙过程，使不适应的水沙过程尽可能协调，以便于输送泥沙，从而减轻下游河道淤积，甚至达到冲刷或不淤的效果，实现下游河床不抬高的目标。     

黄河调水调沙的效益——"黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力"之八

2002-2006年黄河调水调沙的效益主要表现在：①加大了入海泥沙,使下游含沙量加大73.3%,达到了三门峡水库初期运用冲刷的水平。②冲刷降低了洪水水位。下游河道总冲刷量13.23亿t,仅及三门峡水库初期运用冲刷量的57.2%,而3000 m^3/s水位降低在高村以上相近,在艾山以下小浪底运用的水位降低明显好于三门峡初期运用的。特别是利津,前者水位下降1.00 m,后者抬高0.01 m。③进入下游河道流量在2500 m^3/s以上,保证了全河冲刷;同时尽可能避免了中、小流量,未出现山东河段的回淤,从而使全河造床流量均匀加大。④不仅消除了小浪底工程论证和初设阶段对＂冲黄河、淤山东＂的担心,而且使山东河段冲刷比例增加。较之三门峡水库运用初期艾山至利津的冲刷量及冲刷比例,均有明显增加。当然,调水调沙的最根本效益,是利用水动力普遍扩大了主槽,使平滩流量增加1800-2000m^3/s,改善了近900 km的河道,流量在1800-4000 m^3/s时洪水不上滩,产生了巨大的防洪效益,这在世界治河史上是没有的。     

“调水调沙”对黄河下游河道过水能力的影响

从2002年至今,黄河下游已连续7年进行了调水调沙,主槽河道逐年冲刷,过流能力大大增强,本文通过对调水调沙实测水文资料的分析,论证了调水调沙在该河段所发挥的作用,非饱和状态下的下泄洪水对黄河下游河段产生了有力的冲淤效果,增大了测验河段同水位的过水能力,降低了黄河下游过水断面河床的河底高程,缓解了黄河下游逐年淤积抬高的态势.     

调水调沙对黄河下游德州引黄供水的影响

随着调水调沙转入生产运行,黄河下游河床全线下切,中小洪水与以前相比水位表现较低.致使黄河下游涵闸引水能力普遍降低,有的甚至无法正常引水.从德州引黄实际入手,首次以市局所属水闸为研究对象,分析调水调沙前后河床冲淤变化情况,提出适应河床冲淤变化,满足引水需要的建议方案.     

第一造床流量及输沙能力的理论分析——“黄河调水调沙的根据、效益与巨大潜力”之三

第一造床流量是代表变动流量过程输沙能力的等价流量,即塑造河道纵剖面的造床流量,其能从理论上确定.计算结果与实测资料对比表明,在输沙作用方面,它确实有很好的代表性,且利用它确定输沙量时可避免很多频繁的计算.黄河下游河道输沙特性及输沙能力结构分析表明,利用挟沙能力级配可较好地反映冲淤和平衡条件下的挟沙能力规律,在冲淤条件下挟沙能力具有非单值性.这些分析,揭示了黄河下游复杂输沙现象的结构及多来多排的机理.     

黄河首次调水调沙期间下游洪水特性分析

2002年7月黄河进行了首次调水调沙试验，该次词水调沙的“人造洪水”在向下游演进过程中，出现了“小流量、高水位、大漫滩、水流演进缓慢、洪水坦化变形严重”等异常现象，本文通过分析认为河道萎缩、行洪能力减少是造成这些现象的主要原因。     

挟沙能力多值性及黄河下游多来多排特性分析——“黄河调水调沙的根据、效益与巨大潜力”之五

用大量实测资料表达了黄河下游多来多排的输沙特性,给出了数量范围,进而证实了多来多排是挟沙能力多值性的表现,并分析了多值性的定量结果.在采用挟沙能力多值性调整挟沙能力系数后,各种资料不同冲淤条件下挟沙能力的计算结果与实测值更为符合,相对误差为5%～9%.分析了多来多排的机理后认为:临界流速的非单值性是挟沙能力多值性的深层原因;从宏观上看,冲淤弱平衡是造成挟沙能力多值性的主要原因.最后论证了多来多排输沙特性是如何在调水调沙中应用的.     

对调水调沙理解的几个误区和有关质疑的讨论——"黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力"之十

由于黄河输沙和变形复杂,加之调水调沙和清水冲刷改变了原来河道的一些规律,从而使调水调沙一些深刻的机理难以被理解,因此出现了一些不同的看法,这是完全正常的。但是有不少看法,是认识上的误区。对这些误区进行了讨论,力求透过现象揭示本质：对第一个误区“小浪底水库造成下游河道冲刷基本是清水下泄作用,与三门峡水库初期运用并无差别”,指出从冲刷总量、冲淤部位、利津含沙量、洪水位降低、滩槽冲淤差别分析,小浪底运用结果均较三门峡为优,显现出调水调沙的效果;对第二个误区“小浪底水库初期运用坝前水位超高太多,对水库淤积与下游河道冲刷均有不利影响”,指出在以人为本的要求下,尽可能不淹滩地,是小浪底水库调整运用方式的根本原因;对第三个误区“调水调沙作用很小,冲刷2．764亿t,只占总冲刷的20．9％”,从泥沙搬家的角度分析了调水调沙的冲刷量是可以增值的,从主槽冲刷、洪水位降低以及平滩流量加大等进行了分析,认为调水调沙的作用远不止冲刷总量的20．9％。     

黄河下游2010年汛前调水调沙河势监测分析

利用环境减实卫星遥感监测影像,分析了2010年黄河调水调沙下游河势现状,并通过对比近几年河势变化情况,分析了调水调沙对河势的影响。结果表明:①经过多年调水调沙,黄河下游河道主槽刷深,过流能力大大增强,河势也相对稳定;②一些原来靠溜较好的工程,如驾部、南裹头、马庄、马渡险工等,有脱河脱溜的趋势,建议对这些河段加强河势变化监测;③在多年调水调沙作用下,毛庵—三官庙、黑岗口—东坝头河段工程靠溜状况趋好,河势逐步向有利方向发展,尤其是柳园口—欧坦工程河段,大部分原来不靠河的工程开始逐步靠溜,当前河势较为顺畅。     

小浪底水库泥沙淤积观测与分析

通过布设174个断面,采用地形法对小浪底水库泥沙淤积形态进行了观测,分析表明:自大坝截流至2005年汛前,库区淤积量为14亿m3,纵向淤积呈明显的三角洲形态,横向表现为平淤,对异重流的形成是有利的。在低水位期与三门峡、万家寨等水库联合进行调水调沙,可以将小浪底水库淤积的部分泥沙冲出库外,因此,营造异重流排沙是减少水库淤积、延长水库寿命的重要手段。     

黄河下游平滩流量对来水来沙变化的响应

本文探讨了平滩流量对来水来沙的滞后响应规律,发现平滩流量不仅与当年的水沙条件有关,而且与前期水沙条件有关,是一定时期内的水沙条件累积作用的结果。当采用滑动平均值来反应前期水沙条件的累积影响时,得出平滩流量与滑动平均汛期流量和滑动平均来沙系数的相关程度分别在4年和5年时达到最大值。据此建立了能够反映来水流量和来沙系数前期综合影响的平滩流量计算方法,可以用来估算黄河下游主要测站平滩流量随水沙条件的变化。     

基于多库优化调度的人工异重流原型试验研究

自2004年开始,黄委在小浪底水库进行大规模的人工塑造异重流排沙的原型试验,取得了宝贵的原始资料。2006年6月调水调沙运行后期,黄委防汛调度部门面对复杂的条件,利用多库联合调度和水流衔接技术,优化万家寨、三门峡、小浪底3座水库的调度运行,最终在小浪底成功塑造了人工异重流并排沙出库。此次异重流的排沙比为历次人工异重流的最大值,实际观测到的异重流过程有其独特的特点,证明了调度的科学性。     

对洪水资源化维持黄河健康生命的初探

通过对实施黄河洪水资源化的研究,认为采取“蓄洪”、“调沙”、“冲污”、“造床”、“引洪”等方式,可以解决黄河中下游的断流及缺水、泥沙淤积等问题,还能缓解黄河水质污染、生态环境恶化等。利用好黄河的洪水资源,可实现“堤防不决口,河道不断流,污染不超标,河床不抬高”的目标,从而维持黄河的健康生命。     

维持黄河下游河槽排洪输沙能力方案分析

利用黄河下游水动力学泥沙冲淤数学模型,采用3个20年设计水沙系列对河段的冲淤及平滩流量的变化进行了计算与分析,结果表明:①各水沙系列的前10年,下游各河段均处于沿程冲刷状态,而后10年各河段则出现了淤积;②只有系列2能维持整个下游河道的平滩流量在4000 m3/s以上;③各系列前10年塑造河槽阶段的水沙过程均比较合理,基本实现了平滩流量稳定增大的目的,后10年河道平滩流量则出现了不同程度的减小;④应尽量控制小浪底出库含沙量不超过200 kg/m3且细泥沙比重在75%以上。     

引黄灌区总干渠挟沙能力时空变化及其影响因素研究

引黄灌区挟沙能力特性研究一直是泥沙研究的重要课题。以包头镫口扬水灌区总干渠为研究对象,分析了影响总干渠挟沙能力的因素。结果表明影响总干渠挟沙能力的主要因素是流量、悬沙中值粒径、来水含沙量。总干渠挟沙能力沿程变化规律是离泵站出水口越近挟沙能力越大;时间变化规律是春灌期挟沙能力小于其他三个灌水期的挟沙能力,秋灌期挟沙能力最大。总干渠挟沙能力在春灌初期小于来水含沙量;其他时段挟沙能力大于来水含沙量。     

黄河2007年汛前调水调沙生产运行分析

对黄河2007年调水调沙生产运行情况进行了分析,结果表明:本次调水调沙取得了下游河槽全线冲刷、主河槽最小平滩流量由调水调沙前的3 500 m3/s增大到3 630 m3/s和人工塑造异重流成功等良好效果。取得的主要收获有:①进一步积累了人工塑造异重流的经验;②加深了对下游河道水沙演进规律的认识;③为河道整治工程设计提供了原型观测数据;④再次证明调水调沙作为扩大下游河道排洪能力、处理黄河泥沙、维持黄河健康生命的措施之一是行之有效的。