黄河下游输沙及冲淤的若干规律

从黄河下游河型沿程变化的实际出发，利用建立的河相系数与流量的关系以反映这种变化，进而深入研究了黄河下游有关输沙和冲淤的一些问题。诸如上下河段(游荡性河段与弯曲性河段)水力因素的对比，下段冲刷的临界流量的存在和证明，输沙能力的确定，第一造床流量与第二造床流量的意义及表达，来沙系数的理论基础，上、下河段输沙能力对比研究，以及游荡性河道整治时应注意上下段输沙能力均衡等。这些问题都是黄河下游输沙与冲淤方面的重要问题。本文从较深层次揭示了它们之间的内在联系，将这些问题进行了剖析，作了深入研究，得到了统一的理论框架。     

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。     

黄河下游高含沙水流基本特性与输沙能力

采用理论研究和实测资料分析方法对黄河下游高含沙水流的基本特性进行了系统分析,得出黄河下游高含沙水流多属于两相非均质流,与一般含沙水流具有相同的运动规律的结论。采用达西阻力公式形式,给出了适用于黄河下游高含沙水流的悬移运动阻力坡降及推移运动阻力坡降计算方法。黄河下游高含沙水流经常处于不平衡输沙状态,这种不平衡输沙条件下的河段排沙比大小不能反映平衡输沙条件下的河段输沙能力。因此,探讨了河段纵坡J、横断面参数M及泥沙粗细组成对输沙能力的影响,给出了以河道形态参数表达的河道输沙能力关系。分别以花园口河段和艾山河段为代表分析了黄河下游上、下河段输沙能力大小的沿程变化,发现相同流量下,上段河道输沙能力为下段河道的1.3~1.4倍。本文成果对研究黄河下游高含沙洪水处理对策及水库调水调沙运用的效果具有一定理论意义和实际价值。     

改造黄河下游游荡型河道可能性的思考

首先基于河床演变理论及实际经验分析了游荡河型形成的4个条件,它们是堆积性、坡降大,河道宽浅、滩槽差小,流量变幅大、洪水暴涨暴落。其次,根据三门峡水库运用初期1960—1964年黄河铁谢—裴峪段游荡性已基本消失的实测资料,和丹江口水库汉江下游由游荡性分汊河道转化为单一河道的趋向,论证了局部河段游荡性减弱和消失的可能性。为了实现长河段游荡性消失,提出的主要措施是:完成水沙调控体系特别是古贤和碛口水库的建设;大范围调水调沙,使黄河下游河道不淤,同时避免暴涨暴落;减缓坡降,使断面趋向窄深,并加大滩槽差,稳定主槽。再结合其他措施,黄河下游河道游荡性有可能消除。最后,指出了消除游荡性的难度。     

来沙系数对河道冲淤的影响研究

来沙系数以S/Q表示,因为相同的流量流速可能不同,而流速是影响输沙能力的重要因素,所以来沙系数缺乏最基本的物理意义,是一个纯粹的经验指标;不少人认为黄河下游的临界来沙系数在0.012左右,没有考虑滩槽冲淤性质的差别和上下河段河型的不同;就黄河泥沙而言,含沙量越大,泥沙浓度在垂线上越均匀,越容易输送;黄河下游窄深河槽洪水期具有多来多排的输沙特性,在实测资料范围内不存在临界来沙系数;不受来沙系数的限制,利用洪水集中排沙是解决黄河下游泥沙淤积最现实的途径。     

黄河下游萎缩性河道挖河减淤的临界比较研究

理论分析及试验研究表明，要提高黄河下游萎缩性河道挖河减淤效果，就要增大挖河段以上河段的溯源冲刷量，同时减少挖河段的泥沙回淤量。而且，后者是提高挖河减淤效率的重要因素。为此，挖河段的底坡比降应在设计水沙条件下使水流挟沙力沿程不变或有所增大，其临界坡降至少应等于或大于水流能够克服边界摩擦所引起的摩阻坡降和为保持水流运动所需要的水力坡降之和。根据试验资料初步分析，黄河下游窄河段挖河减淤的临界比降应大于1‰。     

黄河下游萎缩性河道挖河减淤的临界比降研究

理论分析及试验研究表明，要提高黄河下游萎缩性河道挖河减淤效果，就要增大挖河段以上河段的溯源冲刷量，同时减少挖河段的泥沙回淤量。而且，后者是提高挖河减淤效率的重要因素。为此，挖河段的底坡比降应在设计水沙条件下使水流挟沙力沿程不变或有所增大，其临界坡降至少应等于或大于水流能够克服边界摩擦所引起的摩阻坡降和为保持水流运动所需要的水力坡降之和，根据试验资料初步分析，黄河下游窄河段挖河减淤的临界比降应大于1。     

黄河宁夏河段河道演变及其影响因素分析

通过对黄河宁夏河段下河沿、青铜峡和石嘴山三个水文站的水文泥沙资料的分析,初步揭示了水库修建及其运用方式对下游河道冲淤变化的影响。结合上述站点的河道大断面及加密断面的形态变化,得出黄河宁夏河段河道冲淤变化在银川平原的砂质辫状河段最剧烈,在青铜峡大坝下游不长的砂砾质辫状河段相对强烈,而在青铜峡大坝以上的卵石质辫状河段不明显。河相系数与水力半径的关系式表明:宁夏河段的河相系数主要取决于水力半径,而水力半径取决于断面平均流速,即黄河宁夏河段的河道演变取决于过水断面平均流速。     

黄河下游河道横断面的若干特点

探讨了黄河下游不同河段断面水力几何形态及断面形态特征参数之间的相互关系与变化特点,认为:①游荡型河段河宽随流量的增大而增大,但水深与流量之间没有相关关系,河相系数也随流量的增大而增大,面积的增加主要是通过河宽的增加来实现的,面积与水深之间没有相关关系,而平均水深随河宽的增加具有减小的趋势;②蜿蜒型河段在水流达到满槽河宽之前,断面几何形态和断面特征参数的变化与游荡型河段相似,在水流达到满槽河宽之后,断面几何形态和断面特征参数的变化与游荡型河段的断面极为不同;③过渡型河段断面特征参数的变化既具有游荡型河段的断面特征,又具有弯曲型河段的断面特征,但在1965~1974年的集中整治后,变为弯曲型河段的断面参数变化特征;④研究黄河下游河道输沙及河床演变时,必须注意到不同河段断面形态的显著区别,特别是蜿蜒型河段的断面形态在满槽河宽前后的显著区别。     

冲积河流河型控制的模糊聚类方法在黄河下游应用

根据河型成因的输沙平衡程度理论假说和水沙项输沙平衡程度公式,用水沙项数作为河型控制的控制指标量,以花园口到夹河滩河段为例对控制指标量取值,采用模糊等价矩阵聚类方法对黄河下游花夹河段河型控制结果进行验算。冲积河流河型控制的模糊聚类方法在黄河下游花夹河段的应用结果表明,在水沙项数可以控制的条件下,河型是可以得到控制的。     

黄河宁夏段近期水沙变化及河势演变分析

为研究黄河宁夏段水沙关系和河势演变,通过实测数据分析了近年来该河段水沙变化的特点,结合1993—2015年该河段地形图测绘及大断面套绘分析评估了河势状况。结果表明:黄河宁夏段水沙关系主要表现为水沙量大幅减少、年内水量的分配比例变化较大、来沙系数变化较大等特点。近年来,黄河宁夏段岸线有了较大变化,仁存渡以上河段河岸逐渐变窄,主槽摆动不大;仁存渡以下河段,河岸趋于展宽,主流摆动剧烈。从河相关系变化来看,下青段河相系数变化不大,断面仍保持较为窄深的状态,青石段河相系数总体上呈现逐年变大的趋势,主槽逐年淤高,断面更趋宽浅。2011—2012年,2012年洪水使得河道冲刷,断面变深,致使下青段和青石段河相系数均减小。从滩槽关系变化来分析,滩槽差在1~2 m之间是主槽偏移位移较大的区间,滩槽差越大,主槽偏移位移越小,河势越难摆动。     

黄河下游游荡型河段河相遥感监测分析研究

通过对断面河相系数研究与应用的讨论,提出了基于遥感影像推求河段平均水面宽和结合流量资料推求河道平均水深的河段河相系数概念,采用多年调水调沙期间遥感监测数据对黄河下游花园口-夹河滩、夹河滩-高村河段进行了初步研究.结果表明,该方法能够描述河道特性的实际情况.     

黄河下游河型转换及弯曲变化机理

冲积河流河型转换及弯曲变化机理是一个有争议的自然科学难题,根据河道卫星图片量测结果,分析了黄河下游各河段的主河槽弯曲系数变化,各河段的主河槽弯曲系数对比表明,小浪底水库运用后,黄河下游各河段的主河槽弯曲系数有所增大,其中游荡型河段主河槽弯曲系数由1.12增大到1.29,游荡型有向弯曲型转化的趋势;过渡性河段的主河槽弯曲系数由1.23增大到1.35,过渡性河段基本转变为弯曲型;弯曲型河段的主河槽弯曲系数由1.19增大到1.25.探讨了河道形态弯曲变化的机理,从理论上解释了水库的滞洪沉沙作用使下泄水流含沙量减小、泥沙粒径变细、洪峰调平,使下游游荡型有向弯曲型转化的趋势,主河槽弯曲系数增大.     

黄河下游高村—艾山河段冲刷效率变化研究

利用混合挟沙力和不平衡输沙公式,对黄河下游高村—艾山河段冲刷效率的变化进行了分析。结果表明:小浪底水库投入运用以来,高村—艾山河段及其上、下游河段的床沙均发生粗化,一方面使得水流的输沙能力降低,从而降低了冲刷效率;另一方面使进入该河段的含沙量减小,这将有利于该河段的冲刷,提高冲刷效率;随着冲刷历时的延长,高村—艾山河段的冲刷效率虽有所降低,但降低幅度较小。     

提高黄河下游河道输沙能力的途径探讨

阐述了水流功率原理与输沙机理并导出其公式,结合黄河多沙的特点,认为:1以临界水流功率对应的临界流量与来沙系数临界值来协调水沙关系,可提高黄河下游河道输沙能力并多输沙入海;2在现状河道边界条件下,选择利津断面流量为2 200~3 200 m3/s作为临界水流功率对应的临界流量较为合适,判断下游河道冲淤基本平衡的临界值则取场次洪水来沙系数为0.018 kg·s/m6;3为增大下游河道输沙的水流功率,水库排沙期应尽量使利津站与花园口站平均流量之比大于0.85,并相机利用东平湖向黄河补水。     

黄河下游河道河槽形态与输沙特性研究

根据多年实测大断面统计资料,分析了黄河下游各河段的水面宽、宽深比B/h、单宽流量与流量的关系。结果表明:高村以上游荡型河道随着流量的增加,宽深比B/h增加、单宽流量减小,为宽浅型河道;艾山以下情况与高村以上相反,为窄深型河道。在实测资料范围内,河段的输沙特性与河槽形态关系密切,宽浅型河道具有"多来多淤多排"的输沙特性,窄深型河道在洪水时具有"多来多排"的输沙特性。河槽形态的沿程变化,使得洪水输沙能力没有因比降沿程变小而降低,而是随河宽的沿程变小,洪水的输沙能力沿程增强。河道底沙的运动速度比洪水传播慢,这是造成黄河下游河道长距离冲刷的根本原因。     

黄河下游河道整治与平衡输沙

提高河道输沙能力的基本途径是减少河床的阻力损失,且有与流量相适应的河湾曲率半径、窄深河槽和平整连续的护湾工程,以及各河湾之间流势的衔接配合,这将有利于稳定主槽和平衡输沙.比降是影响输沙能力的重要因素,黄河高村以下河道特别是艾山以下河道比降大幅度减小,必须相应缩窄河宽,才能达到与上游河段输沙能力一致.修建潜水丁坝,可减轻艾山以下小比降河段在非汛期的淤积.黄河水流的挟沙能力不仅与水力因素和泥沙粒径有关,而且随含沙量的增大而增大,具有多值关系和隐函数特性.     

黄河下游洪水的输沙效率及其与水沙组合和河床形态的关系

以1950-1985年间274次洪水的资料为基础,对黄河下游洪水的输沙效率进行了研究,查明了场次洪水排沙比随流量变化的3个临界点。同时还发现,当场次洪水平均含沙量小于34.02kg/m3时或当来沙系数小于0.01kg.s/m6时,下游河道可以不淤。黄河下游游荡段排沙比最小,过渡段次之,限制性弯曲段最大,可见窄深河段的输沙效率要高于宽浅段。上述3个河段处不冲不淤状态时的临界含沙量依次增大,证明窄深河段可以在含沙量较大时保持临界不冲不淤状况。     

黄河下游游荡性河道双岸整治面临的问题

为全面认识黄河下游游荡性河道双岸整治的效果和可能带来的影响,对双岸整治的实施背景和预期效果进行总结,详细分析了双岸整治面临的工程和社会环境等方面的问题。认为当前黄河下游防洪形势虽得到改善,但也面临下游游荡性河道输沙能力不足、下游部分河段河势恶化等问题。指出双岸整治的主要效果在于通过丁坝等工程实施黄河下游双岸整治,塑造窄深河槽,利用窄深河槽很强的泄洪输沙能力并结合小浪底水库的调节运用使得大部分泥沙通过洪水输运,同时依靠整治工程消除横河、斜河等不利河势;双岸整治面临的主要问题有:黄河下游大洪水仍有可能出现,整治工程带来的水位壅高,整治河段挟沙能力提高造成的下泄泥沙对山东窄河道和黄河河口产生影响,以及工程实施带来的土地权属、引黄供水和环境影响等问题。     

黄河下游河型控制方法研究

以黄河的7个代表河段为例,建立了由河型自然分类模糊聚类计算方法和河型控制指标传递函数构成的黄河下游河型控制方法。验证计算结果表明:从理论上讲,控制小浪底水库出口断面的水沙过程就可以控制黄河下游的输沙平衡,从而控制黄河下游的河型。