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%。     

黄河下游河道输沙能力的分析

本文通过对黄河下游河道大量实测资料的整理分析，研究了黄河下游不同粒径泥沙的冲淤调整、输送入海的能力及挟能力的规律。     

床沙代表粒径与输移泥沙中值粒径的关系

本文分析了输移泥沙床沙质中值粒径D50i的变化规律和计算方法，指出由于水流的分选作用，输移泥沙的中径D50i一般较床沙中值粒径D50为细，且相对中值粒径D50i/D50随床沙标准方差σg的增大而减小。还分析了床沙非均匀性对输沙能力的影响，结果在相同的D50条件下，输沙能力随σg的增大而增大。此外，对采用D50i作为床沙代表粒径的输沙能力计算进行了探讨，结果可以大大提高输沙能力的计算精度。研究表明，用于非均匀沙输沙能力计算的床沙代表粒径，不应是一个固定不变的粒径，床沙代表粒径及相应的沙重百分数应随σg的增大而减小，Einstein等建议的D35仅在σg值为1．5左右才适用。     

坡面雨滴溅蚀及其输沙能力的探讨

通过对坡面雨滴溅蚀过程的分析,提出了雨滴溅蚀有效坡段的概念。在坡面流近似为运动波的条件下,利用Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊｕ等提出的坡面流分离变量形式,导出了坡面流的微分基本方程及其近似解。最后利用有效坡段和坡面流近似解,讨论了Ｇｕｙ Ｂ Ｔ坡面流输沙能力公式的应用范围。本文的研究,对了解坡面流输沙能力ｑ（ｘ,ｔ）的变化规律有重要意义。     

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。     

黄河内蒙古段不同粒径泥沙输移能力变化分析

泥沙输移的效果不仅受水流和边界条件的影响,同时也取决于泥沙自身的特征,包括泥沙数量的多少和泥沙粒径的分布特征。以黄河内蒙古段1958—2013年实测水文资料为依据,分别将巴彦高勒和头道拐断面作为内蒙古段上下游控制断面,将泥沙分为小于0.010 mm、0.010~0.025 mm、0.025~0.050 mm、0.050~0.100 mm及大于0.100 mm 5个粒径组,探讨了各粒径级泥沙在不同时期的输移能力。结果表明:1历年洪水过程中分组沙与全沙呈较好的正相关关系,粒径级0.025~0.050 mm的泥沙输移对全沙的贡献最大,粗沙次之,贡献最小的为细沙;2水力条件改变时,巴彦高勒断面的河床冲淤调整较下游头道拐断面表现得更为明显,特别是在粒径小于0.010 mm的细沙输移能力变化方面,不过随着来水在年际间和年内趋于平均,细沙的输移变化也愈发均匀。     

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。     

大量引水对黄河下游河流形态发展的影响

通过一维形态动力模型分析水沙沿程变化对河流形态平衡的影响，从而得出黄河下游长期大量引水将引起河床纵剖面逐渐凸起抬高的结论。河流沿程输沙能力减弱使得大量泥沙沉淀淤积，将形成与其他河流相反的河流纵剖面。由于高输沙率以及由此导致的形态时标的相对缩短，因此其发展将在很长时间里值得注意。分析是基于恒定流状态下一维模型的形态平衡，其中运用了大量重要的假设、简化，许多问题、结论都有待于继续分析研究。首先，所用的一维模型是否适用于黄河下游特别是河南段，此段河面较宽，形态发展远远突破了一维模型的范围，对于较细的高含沙水流，输沙率是否只与局部流速有关也是一个问题。然而早期研究证明，对于如此复杂的河流，基于输沙能力观点建立的一维形态动力模型可以用于研究大范围的形态发展；其次，分析中运用的恒定流量与流量季节性变化非常大的黄河极不相符。事实上，个别流量不能充分决定河流的一维形态平衡，然而在分析类似于引水等人类活动对于其他许多河流形态发展的影响时，已经证明基于这种简化的分析还是很有用的。     

水流的冲泻质输沙机理研究Ⅰ：理论分析

本文理论分析表明，水流挟带的细颗粒是否参与造床，不仅与颗粒大小、水流强弱有关，而且与流域来沙中细颗粒浓度密切相关。通过分析细颗粒在床面附近浓度分布，发现细颗粒能够在水流中大量存在，但不参与造床的条件为上游来沙中细颗粒浓度小于水流的最大冲泻质输沙能力；其本质原因是水流相对强度足够大，床面附近作用在细颗粒上的升力大于颗粒浮重，使得细颗粒浓度在床面附近自上向下迅速趋近于零而具有正的浓度梯度。文中将水流输运泥沙区分为冲泻质、冲泻型床沙质和床沙质三种，并作出了定量定义，澄清了一些概念上的混乱。     

王士强输沙能力公式在黄河上的应用研究

探讨了王士强提出的输沙能力公式在黄河的应用问题。在用实测资料检验过程中对计算方法作了少数修改。检验结果表明该公式经修正后可以用于黄河干流和床沙组成较细的河流而不至引起大的误差；对粗、细泥沙的相互影响问题还需要进一步研究，使得该公式能适用于床沙组成较粗的河段或河流。