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。     

黄河下游漫滩洪水的淤滩刷槽作用

淤滩刷槽是指多沙河流发生漫滩洪水时出现的滩地淤积、主槽冲刷(或少淤)的现象,为多沙河流的主要特征之一。以黄河下游河道为对象,利用实测洪水资料,对漫滩洪水的滩槽水沙交换、主槽断面形态改善及其对滩槽冲淤的影响进行了研究。滩槽水沙交换及其引起的主槽断面形态改善是造成漫滩洪水淤滩刷槽的主要原因。淤滩刷槽可减少河道的总淤积量,并可改善河道的横断面形态。当漫滩洪水来沙系数小于0.012 kg·s/m~6及洪水漫滩系数大于1.5时,淤滩刷槽作用明显。为减少主槽及河道的淤积,其可作为漫滩洪水调度的调控指标。     

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。     

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。     

黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽基本规律分析

通过分析黄河下游11场典型漫滩洪水的资料,探讨了发生漫滩洪水时滩槽水沙的交换模式及淤滩刷槽的机理。结果表明:1花园口—利津河段滩地淤积量随着花园口站来沙量的增大而增大,滩地淤积量越大,相应河段主河槽的冲刷量越大;211场典型漫滩洪水过程中,除1953年第二次大洪水槽滩均发生淤积,1988年、1996年主河槽冲刷量占滩地淤积量的比例较低外,花园口—利津河段主河槽冲刷量基本上为滩地淤积量的65%~99%;3漫滩洪水全断面冲淤量随含沙量的变化趋势与不漫滩洪水主槽冲淤量随含沙量的变化趋势基本一致。     

黄河下游中常洪水调控指标

从塑槽径流条件、水流动床阻力、河道整治、滩区及防洪等方面,论证了未来黄河下游主槽目标过流能力采用4 000m3/s左右的合理性,提出了黄河下游发生明显淤滩刷槽的临界流量。同时,根据不同量级洪水河道的冲淤特点,提出了小浪底水库控制下游流量、含沙量指标。即在目标主槽过流能力条件下,控制漫滩洪水流量不低于6 000m3/s,含沙量不大于250-300kg/m3;小漫滩洪水和非漫滩洪水,尽量按流量2 300-4 000m3/s、含沙量20-50kg/m3的水沙搭配控制,避免出现4 000-6 000m3/s8、00-2 300m3/s两个量级的洪水过程。     

渭河下游洪水冲淤特性及输沙用水量研究

介绍了渭河下游洪水期输沙用水量研究的必要性,提出了新的洪水期输沙用水量计算方法,确定了不同水平年的输沙用水量。认为:①渭河下游非漫滩洪水的冲淤临界条件与含沙量有关,当咸阳与张家山含沙量在300 kg/m3以下时冲淤临界流量随含沙量的增加而增大,当含沙量超过300 kg/m3以后冲淤临界流量有所减小;②洪水期输沙用水量与来水来沙、河道淤积水平密切相关,河床边界条件对输沙用水量也产生一定的影响;③利用渭河下游高效输沙洪水淤积比的计算公式得到的渭河下游洪水期输沙用水量是基本可信的。     

黄河下游二级悬河段河势及漫滩模型分析

结合实体模型试验,在洪量和沙量不变的情况下,对概化处理后不同量级洪水条件下黄河下游二级悬河段的水沙过程进行了研究。结果表明:随着洪峰流量加大,进入滩区的水量也随之增大,其漫滩范围和落淤厚度有逐步增大的趋势,但漫滩洪水基本流路无大的变化;漫滩洪水的水流交换模式包括在三角形滩区内完成的淤滩刷槽交换模式和水流漫滩后通过较长距离条形滩区落淤后回归主槽的交换模式。     

黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽试验研究

利用"82·8"型不同量级漫滩洪水,进行了黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽系列模型试验,结果表明:①漫滩洪水淤滩与刷槽之间有必然联系,滩地淤积量与主槽的冲刷量呈正相关关系,在同等水量、沙量条件下,滩槽冲淤量随洪峰流量的增大而明显增大;②不同量级洪水漫滩后,嫩滩的淤积量随洪峰流量的增大变化不大,二滩的淤积量随洪峰流量的增大而明显增大;③滩槽交换分三角形滩区交换和条形滩区交换,洪水过程中前者交换的频率大、时间短,后者交换的频率小、时间长;④上滩挟沙水流在运行过程中,具有明显的含沙量衰减及粒径分选作用,泥沙粒径分选细化的程度与含沙量衰减率呈正比,较大洪峰流量的上滩水流在三角形滩区上含沙量衰减率较大,较小洪峰流量的上滩水流在条形滩区上含沙量衰减率较大.     

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.     

黄河高村站动床阻力分布

本文取用1934～1996年实测水文资料，分析黄河高村站河床阻力分布，反映年内因水力条件的变化而引起河床河段糙率n的变化。结果表明，对河床因冲淤而引起的阻力变化，枯水期一般淤，n大；汛期一般冲，n小；对于天然河道漫滩洪水和不漫滩洪水，可以分别用它们的糙率平均值进行水力计算，把低含沙量的n值应用到高含沙量的水流中，便于实际应用。     

黄河下游高效输沙洪水调控指标研究

黄河下游河道冲淤变化主要取决于水沙条件,即随流量大小和含沙量高低而变化,含沙量越低则泥沙淤积比越小、单位输沙水量越大,反之,含沙量越高则泥沙淤积比越大、单位输沙水量越小。在黄河水少沙多、水资源日趋紧缺和供需矛盾日益突出的现实条件下,为兼顾河道少淤和减少输沙水量,可通过水库调度,优化水沙搭配、塑造高效输沙洪水。以黄河下游实测场次洪水为基础,建立洪水期下游河道泥沙淤积比与水沙因子间的响应关系,求得流量为4 000 m~3/s时冲淤临界含沙量约为50 kg/m~3;基于黄河下游河道洪水泥沙输移规律,以维持黄河下游河道基本不淤积为约束条件,分析单位输沙水量随含沙量的变化情况,提出了高效输沙洪水泥沙优化配置指标,即洪水流量为4 000 m~3/s、河道淤积比为0～15%时,相应的高效输沙洪水含沙量配置区间为50～75 kg/m~3。     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:II—模型验证

采用黄河下游1982年洪水资料,选取花园口至夹河滩河段为计算区域,对所建模型进行了验证计算,结果表明本模型计算的洪峰传播过程,水位变化过程及含沙量变化过程等均与实测结果接近,流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲淤变形规律。     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:II-模型验证

采用黄河下游1982年洪水资料，选取花园口至夹河滩河段为计算区域，对所建模型进行了验证计算，结果表明本模型计算的洪峰传播过程，水位变化过程及含沙量变化过程等均与实测结果接近，流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲淤变形规律。     

黄河下游不同流量级洪水冲淤特性的计算与分析

运用黄河下游水文学冲淤计算模型,对2002年和2009年小浪底水库调水调沙试验方案进行了计算,计算结果与实测值吻合较好。以2002年调水调沙总水量为控制指标,选取2002年地形(长期淤积)和2009年地形(长期冲刷)为边界条件,以清水下泄和来沙系数为0.01 kg.s/m6两类洪水,按照不漫滩、平滩和小漫滩三种方案,计算了黄河下游河道在不同边界条件下的滩槽冲淤量,以及各河段平滩流量的变化特征,对比分析了两类洪水在不同方案下的滩槽冲淤效果。对于清水冲刷,当以下游河道的最大平滩流量控制小浪底水库下泄流量时,全下游的冲刷效益最大。对于来沙系数为0.01kg.s/m6的高含沙水流,流量级越大,全下游的主槽冲刷量和平滩流量增幅越大,但淹没损失也较大。需要通过进一步研究,得到使全下游冲刷效益和淹没损失达到最优化的流量,作为小浪底水库的调控下泄流量。     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

漫滩洪水水沙输移的数学模型及其初步验证

本文初步提出了天然冲积河流滩槽泥沙交换的三种模式,分析了入滩含沙量与主槽含沙量的关系,以非均匀泥沙上扬模式为基础,建立了漫滩洪水的一维扩散方程。针对天然河流滩槽流线长度不同的情况,对以往的一维水流连续与运动方程进行了修正。以此为基础利用黄河下游实测资料进行了验证计算,结果表明,计算结果与实测符合较好。     

黄河下游河道主槽地形生成方法及应用

黄河下游河道是随着来水来沙不断发生冲淤变化的，特别是主槽变化剧烈、河势变化快。为了观测黄河下游河道冲淤变化情况，一般每年汛前汛后进行大断面观测。由于观测大断面布设间距一般较大，因此要获取每年河道主槽地形是很困难的。根据河道观测大断面资料、河势图及主槽主流线，通过内插断面和地形概化生成的河道主槽地形，在河槽高程、河槽形态及河槽面积上均与实际地形较吻合，能满足黄河二维水沙数学模型计算对地形概化的需要。