论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度

本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m~3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m~3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。     

黄河泥沙未来变化趋势

受人类活动及气候变化的影响,黄河水沙变化显著。与1960年以前相比,潼关站近期的水量减少44%、沙量减少85%。未来水沙如何变化,是黄河治理首先要解决的核心问题。对黄河未来水沙变化趋势进行了分析,结果表明,在未来50年内,潼关站年均径流量在247亿m3左右,年均输沙量在3亿t左右,且均呈现缓慢增长趋势。     

黄河下游滩区不同治理方案研究

定量计算不同治理方案的利弊得失,是黄河下游滩区治理综合决策的重要依据。考虑潼关年均来沙量3亿t,龙门、华县、河津、头四站年均来水242.32亿m~3和潼关年均来沙量为6亿t,龙门、华县、河津、头四站年均来水量为254.63亿m~3两种水沙条件,计算了滩区典型治理方案对下游防洪及河道冲淤的影响,并从淹没面积和淹没人口两方面分析了滩区典型治理方案对洪灾风险及经济社会发展的影响。指出滩区按"适度标准防护"方向治理有利于改善经济社会发展环境,对防洪的不利影响主要是各水文站洪水位有一定程度抬升,对河道冲淤的负面作用大小关键取决于来沙条件。     

黄河下游河道未来冲淤趋势研究

进入21世纪以来,黄河中游产水产沙环境发生显著变化,潼关站实测来沙量大幅减少。在中游来沙减少和小浪底水库调水调沙运用的条件下,进入下游的泥沙主要集中在大流量洪水期,其他时段进入下游的水流以清水小流量为主。研究建立了不同时段下游河道冲淤量与水沙量的关系,计算了未来可能水沙条件下下游河道的冲淤趋势。结果表明:在未来年来沙量2亿~3亿t、来水量220亿~250亿m3时,利用4 000 m3/s左右大流量输沙,基本可以维持下游河道主槽不萎缩。     

西线南水北调对黄河干流的减淤作用研究

南水北调西线工程通过向黄河河道内配置部分水量,进入黄河干流的水沙调控体系,经干流水库的联合调度,进行全河调水调沙,可塑造协调的水沙过程。由水量配置方案,利用建立的输沙关系推算相应的设计沙量,结果表明:按西线调水向河道内配置水量35亿m3,宁蒙河道、小北干流河道和黄河下游河道分别减淤为0.35亿、0.30亿t和0.27亿t。     

大柳树水库对黄河中下游河道冲淤影响预测

本文采用黄河大柳树水库可行性研究阶段的有关成果，分析了大柳树水库对黄河水沙及龙门至潼关河段和黄河下游河道的冲淤影响。研究结果表明：大柳树水库投入运用后，将使黄河水量的年内分配进一步均化，使汛期7～10月水量减少24．7亿m3，非汛期11月至翌年6月水量增加21．4亿m3，年水量减少33亿m3；在水库拦沙期，前20年黄河中游年均减沙0．6～0．93亿t，后30年年均减沙0．45～0．78亿t；大柳树拦沙使龙门至潼关段减淤3．57亿t，使黄河下游减淤15亿t；大柳树水库调节水量对中游冲淤影响很小，而对下游的影响程度主要取决于黄河下游的来水来沙条件，对于设计水平1950～1975年系列，使黄河下游年均增淤约0．32亿t。     

我国主要入海河流水沙变化分析

本文利用"中国河流泥沙公报"数据,结合各流域长系列年降水量资料,利用趋势分析和水沙双累计曲线方法相结合分析径流模数和输沙模数的变化,探讨我国主要入海河流水沙的历史变迁。数据系列至2006年,大多数数据长达50年。根据河流下游站历年水沙变化趋势,将我国主要河流大致分为3类:水量基本不变沙量降低、水量和沙量均降低、几近断流断沙。按地域看,我国淮河及其以南河流年水量无明显的改变趋势,而年沙量呈明显下降趋势;淮河以北地区河流水沙量均呈明显下降趋势,特别是黄河径流量的近10年平均值仅为多年平均值的1/3,输沙量从20世纪五、六十年代的约12亿t/a锐减至近10年的约1.6亿t/a,而海河水系的河流下游几乎是断流断沙。总体上,我国大多数河流的沙量明显下降,本文所列的10条河流下游站近10年的输沙量年平均值低于多年平均值的一半。流域降水量的变化不是河流入海水沙量的明显降低的主要原因,水沙量的降低主要是人类活动造成的。     

黄河小北干流和渭河下游淤积过程模拟

在分析黄河小北干流和渭河下游河道淤积的主要影响因素和演变机制的基础上,将河道淤积体纵剖面的平衡形态概化为一个由潼关高程抬升值ΔZ、初始河床比降J0和平衡比降Je所决定的三角形,得到了河道初始形态与平衡形态之间淤积体的体积计算公式,进而基于河床演变的滞后响应模型,建立了既能考虑河床调整的滞后响应特性又能考虑潼关高程和水沙条件协同作用的黄河小北干流和渭河下游河道淤积量的计算方法。采用1960—2001年黄河小北干流和渭河下游河道长系列冲淤资料对计算方法中的参数进行了率定,并采用2002—2010年实测河道冲淤资料进行了检验,结果表明,建立的计算方法能够较为全面地反映河床调整的驱动机制和内在机理,模拟计算及预报精度较以往方法有较大提高。结果还显示潼关高程对两河道的长期累计淤积过程的影响占主导地位,在1960—2011年实际水沙条件下,潼关高程每下降1m,小北干流和渭河下游累计淤积量分别减少约5.1亿m3和2.7亿m3;近期潼关高程和水沙条件对河道的淤积均具有重要影响,二者对2003年水库采用318m控制运用以来产生的河道减淤量的贡献约各占一半,体现了潼关高程和水沙条件的协同作用。     

黄河水沙空间分布及其变化过程研究

本文对不同时期黄河水沙的空间分布及其变化过程进行了系统分析,研究结果表明,1950～2005年黄河年平均总水量约为593.5亿m3(其中包括水土保持减水量、干支流引水耗水量及河口入海水量),年平均总沙量约为17.9亿t(其中包括水土保持减沙量、水库拦沙量、引水引沙量、放淤固堤沙量、河道冲淤量及河口人海沙量),不同时期黄河水沙总量变化很大,但黄河总水沙量比基本稳定为0.03t/m3.1986年以来黄河下游来水来沙量减少的主要原因,一是上中游耗水减沙量增多,1986～1998年平均上中游水土保持减水和工农业引水等耗水量达213亿m3,水土保持减沙、水库拦沙、引水引沙和河道冲淤等沙量合计达8.57亿t,已分别占上中游总水沙量的45%和53%,二是自然气候条件改变,引起上中游1986～1998年平均总水量比1973～1985年减少约136亿m3,而上中游年平均总沙量只减少约0.7亿t,导致水少沙多的局面加重.由于自然条件的变化和人类活动的影响,黄河水沙空间分布更趋不合理,表现为主河槽萎缩、"二级悬河"加剧、河口退蚀等,引起小水大灾和生态恶化,防洪形势更为严峻,应通过水沙联合优化配置和泥沙资源化利用治理黄河的水沙灾害.     

维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案

变化环境下研究提出可以维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案对黄河下游乃至流域治理具有重要指导作用。通过实测资料分析、数学模型等手段,分析入黄泥沙的时空分布变化,认为三门峡水库建成后的3个水库运用阶段输沙入海是泥沙处置的主导方式,小浪底水库建成后变为以水库拦沙为主导,大型水库是影响泥沙空间分布及河道冲淤的重要因子;黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t情景,黄河下游无法实现河道和滩区稳定,拟定了5个泥沙处置方案,通过分析评价得到最优方案,即古贤、桃花峪水库+滩区生态治理方案,建设古贤水库可以基本实现黄河下游50 a河床不淤高,滩区生态治理能够消除“二级悬河”,加上桃花峪水库可显著提高滩区防洪标准,综合评价该方案最优。     

新水沙条件下黄河下游泥沙均衡配置方案

由于自然气候条件的变化和人类活动的影响,黄河下游的来沙量大幅减少,为了维护黄河下游河槽均衡稳定、治理"二级悬河",合理利用泥沙资源,开展黄河下游泥沙均衡配置研究。采用黄河下游泥沙均衡配置数学模型,按照新水沙条件和配置模式,计算了黄河下游泥沙均衡配置方案,计算结果表明,来水来沙条件对泥沙配置状况的影响较大,一般年来水量约260亿m3条件下,如果年来沙量少于4亿t左右,黄河下游河槽不淤积萎缩,修建防护堤对增大平滩流量有一定作用,滩区放淤可以改善泥沙分布状况。通过对各配置方案综合评价,提出了建议方案及不同配置方式的泥沙配置比例。     

黄河下游治理方略的传承与发展

中华民族在4 000多年治理黄河的实践中,形成并传承一系列卓越的黄河治理方略,可归纳为"束水攻沙"和"宽河滞沙"两大类。结合对黄河下游河道历史变迁及水沙量演变过程的分析,浅析历史上黄河治理思想与实践的传承与发展。远古的大禹治水、汉代的"贾让三策"和王景治河证明了"宽河滞沙"方略的有效性。明代潘季驯、清代的靳辅和陈潢将"束水攻沙"治河方略付诸治黄实践并取得成功,丰富了治河理论。在王化云"宽河滞沙"治河主导思想的基础上不断完善和发展的人民治黄,实现了新中国成立至今70余年伏秋大汛不决口的奇迹。在黄河水沙量与过程发生了重大变化的今天,迫切需要探索黄河水沙运动和演变规律的新变化,制定新水沙条件下的黄河治理方略。     

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。     

关于黄河下游河道治理的两个问题

针对黄河下游河道治理的治标性问题，即如何治理黄河下游河道的滩区，提出了三点建议，指出黄河下游治理不要停留在概念上，要通过各个方面开展实际工作，在实际工作中逐步取得共识，尽快地开展滩区治理工作；针对黄河下游河道治理的治本性问题，即如何改善进入黄河下游的水沙关系，指出需要研究黄河下游河道的生态用水量，合理配置黄河水资源。     

黄河干流沿程水沙变化及其影响因素分析

采用"中国河流泥沙公报"数据,结合流域内长系列年降水量资料,探讨黄河干流沿程水沙的历史变化情况。通过对17个雨量站长系列降水量资料的分析,认为气候不是黄河径流量变化的主要影响因素;黄河年径流量沿程降低,而且愈往下游降低的幅度愈大,这主要是引水量增加和水土保持措施引起的;中下游沙量明显降低,降低的幅度沿程增加,这主要是水土保持、水利枢纽建设及其对水沙量的调节、上游引水和气候变化等因素综合作用的结果,其中水利枢纽工程的兴建和水库运行方式的改变引起了沙量的突变。分析还表明,黄河利津站年水沙量自20世纪50年代的474亿m3和14亿t大幅度减少至2000年以来6年的平均值132亿m3和1.5亿t,给黄河口的演变带来很大的影响,值得深入研究。     

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。     

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。     

黄河下游典型河段滩槽分界二维洪水数值模拟

采用平面二维水沙数学模型,在黄河下游河道现存生产堤条件下,针对典型洪水进行洪水模拟计算研究。通过对黄河下游典型河段的洪水数值模拟,分析研究该区域洪水演进、漫滩及河势变化状况、滩槽流速分布及单宽流量分布,给出滩槽分流比及滩区不同程度的淹没范围。这一研究对于明确滩槽范围、为滩区受洪水灾害补偿提供明确范围、为滩区发展创造良好环境及维持黄河健康生命具有非常重要的意义。     

黄河治理的终极目标是 “维持黄河健康生命 ”

"维持黄河健康生命"是一种新的治河理念,其初步理论框架为:"维持黄河健康生命"为黄河治理的终极目标;"堤防不决口,河道不断流,污染不超标,河床不抬高"是体现终极目标的4个主要标志。该标志可以通过减少入黄泥沙措施的建设、流域及相关地区水资源利用的有效管理、增加黄河水资源量的外流域调水方案研究、黄河水沙调控体系建设、制定黄河下游河道科学合理的治理方略、使下游河道主槽不萎缩的水量及其过程塑造、满足降低污径比使污染不超标的水量补充要求、黄河河口治理、黄河三角洲生态系统的良性维持等途径得以实现。"三条黄河"建设是确保各条治理途径科学有效的基本手段。     

渭河下游近期河道萎缩特点及治理对策

近十多年来 ,由于潼关高程居高不下和渭河下游来水来沙减少 ,渭河下游河道发生了明显的萎缩 ,出现了“小流量 ,高水位 ,大灾害”的局面。主要表现在 :渭河下游淤积速率增加 ,主槽束窄 ,过流能力显著降低 ,同流量水位升高 ,洪水传播时间延长 ,河势不稳 ,主流摆动增强 ,塌岸严重 ,支流口门淤堵 ,防洪形势十分严峻。作者在分析上述现象成因的基础上 ,提出了降低潼关高程 ,渭河下游河道整治 ,北洛河尾闾改道 ,黄、渭汇流区治理 ,泾河东庄水库调水调沙运用 ,跨流域调水等渭河下游治理对策