特约文章：三峡水库下游河床冲刷与水位变化

为探析三峡水库下游河床冲淤与水沙输移之间的关系以及河床冲淤对洪枯水位的影响,采用三峡水库运用前后长江中下游水文泥沙和河道地形资料,分析归纳了主要水文站水沙变化、沿程河道冲淤分布和洪枯水位变化特征。研究表明：冲刷集中于枯水河槽既与洪水频次减少、中等流量持续时间加长有关,也与中等流量下河道冲刷率大、洪水流量下河道冲刷率小的特点有关;主冲刷带自上而下推移,目前仍位于荆江河段;粗沙（d > 0.125 mm）的年均输移量至监利基本可恢复至蓄水前的多年均值,城陵矶以下长河段冲刷主要是细颗粒冲刷导致;河道冲刷导致中枯水位明显下降,并在城陵矶以上沙质河段呈现加速下降趋势,但当流量大于平滩流量附近的临界值时,高水位变化不大,初步预估这种变化特点将在较长时期内保持。     

不同量级洪水对黄河下游游荡段冲淤变化的影响

小浪底水库运用后,改变了进入黄河下游的水沙条件,引起了下游河道的再造床过程。以小浪底水库调控后的不同水沙过程为基础,研究这些不同水沙组合洪水在下游河道的演进过程及其对冲淤变化的影响,可为黄河下游“二级悬河”治理提供科学依据。文章首先介绍了模拟黄河下游游荡段实际断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型,并利用黄河下游1982年5—10月实测洪水资料对该模型进行了验证,计算所得流量过程、含沙量过程及沿程最高水位等均与实测值较为吻合;最后采用该模型计算了水沙总量相同条件下,不同量级洪水过程在下游游荡段的演进过程,分析了不同量级洪水对河床冲淤变化的影响。结果表明：不同水沙过程对下游游荡段冲淤变化有明显影响,洪峰流量为10000 m3/s及相应含沙量为60 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最大,洪峰流量为4000 m3/s及相应含沙量为30 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最小。从淤滩刷槽的综合效果看,洪峰流量为6000 m3/s及相应含沙量为40 kg/m3的洪水过程对于下游游荡段河床调整较为有利。     

黄河下游河道洪水冲淤与水沙搭配关系

本文总结了以往对黄河下游河道冲淤临界条件的研究情况；利用1960～1999年422场洪水资料分析了影响洪水冲淤的各种水沙因素，建立了黄河下游4个河段洪水排沙比与综合水沙系数的关系，该水沙系数包括流量、含沙量、洪峰流量变幅、洪水沿程衰减系数、洪水历时等5个因素；利用4个河段的冲淤临界条件勾画出了4个河段洪水冲淤调整与来水来沙搭配(或组合)之间的关系；该关系可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

近期黄河下游游荡段平滩河槽形态变化计算

小浪底水库运用后黄河下游河床持续冲刷,其平滩河槽形态发生了显著变化,尤其在游荡段。而游荡段的断面形态沿程变化较大,因此需要采用基于河段尺度的特征变量来描述整个游荡段的平滩河槽形态变化。本文应用了基于河段尺度的平滩河槽形态参数(平滩河宽、水深及面积等)的计算方法,该方法以各断面的这些参数计算为基础,同时考虑了基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均的计算。然后利用近10多年来下游游荡段的实测大断面资料,计算了汛后各断面及河段尺度的平滩河槽形态参数。计算结果表明小浪底水库运用后,游荡段主槽形态调整中尽管横向展宽过程较为突出,但仍以冲刷下切为主。最后建立了河段尺度的平滩河槽形态参数与下游4年平均的汛期流量及来沙系数的关系式,在一定条件下可预测游荡段平滩河槽形态变化情况。     

移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟北大核心CSCD

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。     

变化环境下黄河下游治理模式对河床冲淤的影响

针对近年来入黄水沙量减小的形势,结合黄河下游滩区治理的新思路,利用一维水沙数学模型开展了长历时尺度的下游河道模拟研究。采用2013年汛前实测大断面作为初始地形,针对年均来沙3亿t、6亿t和8亿t三组水沙情景,分别模拟了现状宽河治理模式和防护堤窄河治理模式下下游河道未来50年的冲淤演变趋势,重点关注了累计冲淤量、沿程冲淤分布、滩槽冲淤分布和平滩流量等要素的变化趋势。结果表明:三种水沙情景下窄河模式整体均较宽河模式表现为减淤,其中在来沙3亿t的情景下,窄河治理模式的减淤效果在沿程各河段均有体现;在来沙6亿t和8亿t的情景下,窄河治理模式在游荡型和弯曲型河段有所减淤,但在过渡河段增淤,可导致驼峰淤积现象,河床冲淤规律相对复杂,对治理模式的影响需要进一步研究。     

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明：床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d₅₀由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m³转变为淤积0.059亿m³,冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。     

黄河上游高含沙水流交汇区河床形态及冲淤变化规律

黄河上游交汇区为典型的高含沙水流交汇区,支流高含沙洪水往往引起剧烈的河床形态调整及冲淤变化。利用室内模型实验、野外观测资料,研究了支流高含沙洪水入汇干流后,交汇区变化过程及冲淤计算方法。研究表明,交汇区河床形态包括壅水区淤积沙坝、分离区沙洲、输水输沙主槽及分离区以下河段的沙洲等基本元素。进入交汇口上游壅水区的泥沙全部落淤,淤积量随高含沙洪水沙量的增加呈线性线增加;提出的交汇口以下河段的泥沙淤积模式,揭示了泥沙淤积的主要影响因素为支流高含沙洪水沙量、汇流比、恢复饱和系数等,支流高含沙洪水沙量的作用更为明显,该模式可以定量描述交汇口以下河段的泥沙淤积。支流高含沙洪水形成的淤积沙洲的冲刷,取决于干流洪水流量及持续时间。黄河上游交汇区的淤积沙洲,较优的冲刷流量为2000 m3/s左右,冲刷历时为10天左右。     

三峡下游不同类型分汊河段冲刷调整特点分析

针对三峡工程坝下游不同类型分汊河段在三峡蓄水后的演变特点及规律,依据原观资料,对宜昌～虎牙滩河段、宜都河段、关洲河段及芦家河河段进行河床演变分析,并按照水流动力轴线年内交替与否将以上河段分为水流动力轴线年内交替型分汊河道和水流动力轴线年内不交替型分汉河道.研究表明:三峡蓄水后,各典型河段具有各自的演变特点,其主要冲淤规律的不同在于冲刷主要部位的不同,但均为洪水水流动力轴线的所经之地,对于水流动力轴线年内交替型分汊河道而言,表现为其洪水主汊冲刷幅度大于枯水主汉,这一变化显然不利于该类型分汉河段分流格局的稳定,应当引起防洪及航运部门的重视.     

黄河下游游荡段断面滩岸崩退过程概化模拟

近期黄河下游游荡段河床冲淤变化剧烈,滩岸崩退是该河段河床调整的一个重要方面,研究滩岸崩退过程对揭示黄河下游游荡段河势稳定的主控因素具有重要意义。首先建立了断面尺度的崩岸概化模型,并计算了2004年汛期下游游荡段樊庄与夹河滩两个典型断面的滩岸崩退过程,分析了抗冲强度、抗剪强度、渗透系数、坡脚堆积比例等主要因素对滩岸崩退的影响。结果表明：两断面滩岸累计崩退宽度计算值分别为413 m及733 m,与实测值较为吻合;滩岸崩退与坡脚横向冲刷宽度的变化一致,且坡脚横向冲刷宽度越大越不利于滩岸的稳定。滩岸崩退宽度随土体抗冲强度的增大而减小,当土体起动切应力由0.1 N/m2增加至0.3 N/m2时,樊庄及夹河滩断面滩岸崩退宽度分别减小34%和33%;滩岸崩退宽度随崩塌土体坡脚堆积比例的增大而减小,当坡脚堆积比例由50%增加至100%时,樊庄及夹河滩两断面滩岸崩退宽度分别减小10%和7%,因此坡脚堆积有利于增加滩岸的稳定性。     

宜昌至杨家脑河段河床形态冲刷调整特点分析

针对三峡工程蓄水后宜昌至杨家脑河段河床形态的冲刷调整特点,基于实测资料,对该河段的冲刷分布及河床形态特点进行了分析,并讨论了二者之间的关系,最后采用分形维数对河段深泓纵剖面形态调整进行了量化分析。结果表明,其河床形态冲刷调整的最大特点是纵向的冲刷下切具有明显的不均衡性,即存在若干深泓较高、具有一定抗冲性的纵向节点,且多以分汊河段为主,通过对各分汊河段的比较发现,年内交替型分汊河段的深泓节点比非交替型分汊河段更为稳定,由于纵向节点的控制以及河段其他部位深泓的下切,使得该河段深泓纵剖面分形维数逐年加大,纵向形态变得更为复杂,使枯水糙率有所增加,对宜昌枯水位的下降起到了抑制作用。     

长江梯级水库下游重点滩段河势及航道条件变化

长江上游特大型梯级水库运行后坝下游水沙条件将显著变化,对下游河势和航道条件产生影响。本文建立了向家坝下游水富至泸州(水泸段)二维水沙数学模型,在验证的基础上,计算分析了向家坝、溪洛渡水库运行后向家坝下游河段泥沙冲淤时空变化规律,研究了重点滩段河势变化及对航道的影响。研究表明,上游梯级枢纽运行后,向家坝下游河道总体呈冲刷态势,弯曲河段水流趋直但仍保持弯曲河型,分汉河段支汉水浩萎缩,主槽冲深,这对增加过渡段浅滩航深有利,但局部产生淤积,造成新的浅段;边滩淤积,滩槽高差加大,加剧局部不良流态,急流浅滩的航行条件有恶化趋势。     

特约文章：近期长江中游枯水河槽调整及其对航运的影响

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,枯水河槽形态调整显著,对航运条件产生了较大的影响。本文首先采用枯水河槽形态参数计算方法,确定了长江中游各固定断面的枯水河槽形态参数;然后采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的河段平均方法,计算了2003—2016年长江中游4个子河段的平均枯水河槽形态参数。计算结果表明长江中游枯水河槽宽深比总体呈减小趋势,河床趋于窄深,对航运条件有利。此外还建立了各子河段枯水河槽形态参数与前期多年平均水沙条件之间的经验关系：当滞后响应年数n = 5时,经验关系在宜枝及荆江河段的决定系数达到最大;而当n = 7时,经验关系在城汉及汉湖河段的决定系数达到最大。总体而言,各河段枯水河槽形态参数调整（除河宽外）均可对进口水沙条件的改变做出较好的响应,且越靠近三峡大坝,响应程度越高。     

高原宽谷河段河床粒径与辫状形态特征研究

我国西南高原地区的河流在地质作用和河流动力过程等因素的塑造下,河谷形成宽窄相间的藕节状,其中宽谷河段呈现独特的辫状河流地貌,洲滩林立与汊道纵横的不规则形态特征十分显著。本文对其典型宽谷河段的泥沙粒径与河流地貌进行了现场观测,并根据卫星遥感影像资料解译了河道几何参数与洲滩几何参数等辫状地貌特征指标。泥沙柱状样和表层样的对比结果表明,目标河段内泥沙粒径沿程先增大后减小,表层河床组分以中、细砂为主,泥沙粒径垂向分布较均匀;遥感影像解译结果表明研究河段地貌特征在洪、枯季存在的显著差异,可通过基于汊道和洲滩参数的地貌参数进行描述。研究成果可为高原典型宽谷河段的河流形态和泥沙运动研究建立一定的基础。     

孔兑入黄数值模拟及分析

本文利用平面二维水沙数学模型对十大孔兑之一的西柳沟入黄进行模拟并分析。结果表明:在流场方面,高含沙洪水入汇后,壅水区水位升高,流速先降低后升高,不同点的流速升高不同步;河床在支流入汇口处存在突降,形成高流速区,经高流速区后流速迅速降低,泥沙淤落;相较于低含沙水流入汇,高含沙水流入汇的回流区外形更狭长,水流结构更复杂;低含沙水流入汇来沙全部输向下游,高含沙水流入汇则会有部分泥沙向上游输送;在入汇口上下游,上沙坝的形成过程是从两岸向中间发展最终合拢并堵塞主河槽,下沙坝则同时淤升,左岸抬升较为均匀,右岸抬升先快后慢,沙坝最终沿右岸延伸;在实际当中,交汇区的流场及河床变形与洪水过程密切相关。     

黄河下游宽滩过渡型河段水沙变化及地形调整

高村至陶城铺河段是黄河下游典型的宽滩过渡型河段,“二级悬河”发育严重。本文基于断面法和2000—2016年的水沙与实测大断面数据等资料,统计分析了小浪底水库运行后高村至陶城铺河段主槽和滩地的地形调整过程。结果表明：小浪底水库运行后,2000—2016年主槽持续冲刷,河相系数减小,断面形态更加窄深,平滩面积增幅普遍在200%以上,但是近年来调整强度明显减弱,高-孙段调整模式既有横向小幅展宽也有垂向冲深,孙-陶段调整模式以垂向冲深为主;主槽-滩区系统逐渐从沉积模式转为侵蚀模式,主槽侵蚀速率约0.07 m/a,滩区侵蚀速率在0.002 ~ 0.008 m/a之间,2000—2016年高村至陶城铺河段共累计侵蚀2.251亿m3。时间上看,滩面横比降有所增大;空间上看,滩面横比降集中分布在0.5‰ ~ 2‰之间。     

三峡水库修建后下游长江冲刷及其对防洪的影响

求文首先阐述了三峡水库下泄流量过程、含沙量过程及悬移质级配的变化和长江中下游河道边界条件，以及下泄水沙条件变化对河床演变的影响。其次介绍了三峡水库修建后长江中、下游河道冲刷的预报，包括冲刷概况、冲刷重量、冲刷深度以及水位降低等。同时分析了冲刷的特点及机理，并用三门峡水库下游黄河、丹江口水库下游汉江、葛洲坝水库下游荆江的实际冲刷资料和美国柯罗拉多河上三座水库下游河道冲刷数据论证了研究结果的合理性。最后论证了三峡水库下游河道冲刷导致长江水位降低和洞庭湖减淤等，在整体上对防洪是有明显效益的；至于冲刷过程中的河道普遍展宽并不可能，但局部崩岸需要而且可能防止。