黄河下游一维水动力学数学模型管理平台设计与实现

黄河下游一维水动力学模型是研究黄河下游河道冲淤问题和河床演变规律的重要数学模型,是目前针对黄河下游应用最普及、最完善的数学模型。运用水动力学基本理论和软件工程理论研究开发下游河道泥沙冲淤计算模型可视化平台。将进入下游河道的水沙过程、河道断面参数等有关数据纳入可视化空间,增强了系统数据可视化管理功能,建立起具有数据管理、方案管理、方案输出、结果查询、方案比较等主要功能的系统平台,整体构成对河道泥沙冲淤计算的全过程支持。     

黄河下游河道冲淤计算方法

本文介绍黄河规划治理中常采用的下游河道冲淤计算方法.黄河下游来水含沙量大,含沙量变幅大,河床边界条件复杂,特别是漫滩洪水及高含沙洪水,洪峰沿程传播变形及滩槽水流横向交换引起的滩槽冲淤变形均较明显.实际上是三维非恒定流的河床变形问题.本计算方法由黄河下游实测水沙资料分析求得黄河下游各水文断面主槽输沙公式,它反映了黄河下游各断面输沙率不仅与本断面水力条件有关,而且与上游断面来水含沙量有关.根据下游河道型态特性对河床边界条件进行概化处理,运用一维河床变形的三个基本方程进行河床变形计算.漫滩洪水采用马斯京根法进行洪水推演,将不断进行的滩槽水沙横向交换概化为分段进出的漫滩水流.在每小段进出口处进行滩槽水流混合及滩槽分流计算,在每小段内分别进行滩地和主槽的一维冲淤计算.经过三十余年实测资料验证,不论冲淤总量还是沿程各河段及横向滩槽冲淤分布均较符合实际.     

小浪底水库2002年调水调沙下游河道洪水演进跟踪模拟计算

本文采用黄河下游河道洪水演进数学模型，开展了2002年汛期小浪底水库调水调沙下游河道洪水演进与河床冲淤演变时实跟踪计算，计算结果与调水调沙后整编的实测资料对比分析发现，该模型能够较准确复演天然河道的水沙演进与河床冲淤演变过程．可以在黄河下游河道洪水演进及河床冲淤演变预测中应用。     

冲淤面积分配模式对黄河下游一维模型计算结果的影响

冲淤面积分配模式是一维水沙数学模型中需要处理的技术问题之一,合理选择冲淤面积分配模式能够保证一维模型的计算精度。本文首先建立了用于模拟实际游荡型河流复杂断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型。然后以黄河下游游荡型河段为研究对象,利用下游1992年实测高含沙洪水过程资料对所建模型进行了验证,计算值与实测值吻合较好。最后采用一维模型中常用的五种冲淤面积分配模式计算了该场次高含沙洪水过程,分析了不同分配模式对模拟结果的影响。结果表明:等厚度分配模式的计算效果相对较好,按子断面流量分配与按挟沙力分配两种模式的计算精度相当。冲淤面积分配模式对流量及水位影响相对较小,而对含沙量及河道冲淤过程影响较为明显,尤其对于淤积严重的河段。     

黄河下游花园口以上河段滞沙能力分析

黄河下游河床调整主要取决于来水来沙和河床边界条件,河床调整沿程不均衡特征明显,花园口以上河段床演变对水沙条件的变化响应尤为突出,泥沙冲淤调整幅度最大。基于河道冲淤及水沙演进特性、滞沙可行性、河槽几何特性等分析,提出了花园口以上河段可作为泥沙天然反调节“库”概念,结合黄河下游实测洪水资料,采用水力计算方法,计算了花园口以上河段的河槽排洪能力及不同河槽规模条件下河槽允许滞沙量,提出了反调“库”滞沙能力,可为小浪底水库排沙指标的确定提供依据,对维持小浪底水库有效库容、弥补后续清水河床沙源不足、改善黄河下游河槽冲淤不均衡现象具有重要意义。     

黄河下游河道泥沙数学模型

本文针对黄河下游来水来沙特性和河道冲淤演变的特点，建立了复式断面数学模型，综合考虑了洪水演进，不同粒径的泥沙的冲淤特性，断面上的冲淤分布，悬沙和床沙级配的变化调整及其对水流挟沙能力的影响等方面的问题，本文提出了断面形态调整的计算模式，较好地反映了黄河下游河道比较复杂的河床条件的冲淤规律，黄河下游花园口－利津１９７４－１９８７年实测水沙系列验证计算表明，在冲淤总量，沿程分布及其过程等方面，均与断面法     

黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

本文采用泥沙数学模型分别对小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用的20个可能运行方案条件下,黄河下游河道的冲淤过程和发展趋势进行了计算研究。结果表明,在黄河上修建大型水利枢纽工程对减轻黄河下游河道淤积,遏制河床抬升具有明显作用。结合三门峡水库运用以来的实测资料,分析了大型水利枢纽工程运用与下游河道演变的内在规律,建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系,给出了维持下游河道冲淤平衡的临界条件,为通过大型水利枢纽工程运用来减轻黄河下游河道泥沙淤积提供科学依据。     

黄河下游河道11月至次年5月时期输沙和冲淤规律研究

利用1960—2010年黄河下游11月至次年5月时期实测水沙资料,系统地研究了黄河下游河道水沙运动和河床冲淤规律。分析了花园口、高村、艾山和利津等4站输沙率与各自上站的流量、含沙量和输沙率的关系,黄河下游河道冲淤量与小浪底站来水量、来沙量、含沙量和来沙系数之间的关系。结果表明:黄河下游河道的下站输沙率与上站输沙率有很好相关关系,该时期进入黄河下游河道的输沙量小于1.82亿t、或平均含沙量小于12.6kg/m3、或来沙系数小于0.014 kg·s/m6时,下游河道以冲刷为主,反之则以淤积为主;采用本文建立的下站输沙率与上站输沙率关系式计算的黄河下游各河段冲淤量具有较高的精度。利用本文建立的关系式可以方便地预测未来黄河下游河道该时期不同河段冲淤量,对快速判断黄河上中游水利工程建设对下游河道冲淤影响具有重要意义。     

水库下游非平衡河流设计最低通航水位的确定

设计最低通航水位是航道整治工程的基本参数,该水位的现有确定方法是建立在河床冲淤变化不大条件下的水文资料统计方法。水库下游河床处于非平衡变化过程中,河床冲淤幅度较大或水库下泄流量过程因调度规则的差异而不同时,已有方法不再具备适用条件。本文将原有平衡河流通航设计水位的概念延伸至水库下游非平衡河流河床冲淤变化过程中,分析了三峡水库不同蓄水时段影响设计水位的主要因素、影响过程及其程度,以水库调度计算和下游河床冲淤一维数学模型计算为基础,分析了长江中下游沿程各站不同时期的设计水位,又为水库下游非平衡河流设计最低通航水位确定提供方法参考。     

渭河和黄河下游河道冲淤特性研究

对渭河下游和黄河下游河道冲淤特性的研究情况进行了回顾,利用渭河下游和黄河下游实测资料对从非平衡输沙理论推导出的冲淤临界流量与含沙量关系进行了验证和对比。以此为基础,对河床冲淤特性做出了新的解释,即“相对大水冲刷、相对小水淤积”。按照来水来沙指标流量与含沙量的对比关系,将河床冲淤分成相对大水冲刷区、相对小水淤积区2个大区,或分为清水冲刷区（绝对大水冲刷区）、相对大水冲刷区、相对大小水冲淤临界区、相对小水淤积区、绝对小水淤积区5个小区。     

黄河下游挖河固堤汛期减淤效果分析

根据黄河下游1998年来水来沙及河床边界条件,通过对挖河固堤工程实施后挖河段及上下游河段冲淤、水位及水面比降的观测,分析了挖河的减淤作用及效果.通过物理模型试验和数学模型计算,得出挖河减淤比为0.63～0.85.     

黄河下游河床演变及过洪能力变化趋势分析

河床演变和设计防洪水位是防洪规划的重要依据，而河床演变主要取决于来水来沙条件。在分析黄河近期水沙变化、河床演变和以往研究工作的基础上，考虑规划水平年的人类活动影响，兼顾经济性和安全性，分析预测了规划阶段的来水来沙条件。利用实测资料分析，泥沙数学模型计算等手段，预测了2020年前的河道冲淤变化。采用水力因子，流量～面积，冲淤改正，水位涨率，水位相关等方法分析计算了黄河下游河道的设计洪水位，为黄河流域的防洪规划提供了重要依据。     

洮河异重流倒灌对刘家峡库区河床变化的影响

刘家峡库区黄河支流洮河为多沙河流,入汇黄河后形成异重流向上游倒灌,使洮河口至黄9断面形成倒比降,对库区河床变化及淤积形态产生较大影响,常规一维数学模型不能反映洮河异重流倒灌对河床变化的影响。根据能量方程结合谢才公式,提出了异重流侧向潜入后倒灌流量的计算方法,构建了包含异重流模块的一维非恒定流水沙数学模型,采用1982—2013年实测资料对刘家峡库区进行了冲淤计算。结果表明:计算结果与实际吻合较好,库区黄河各河段淤积分配计算结果与断面法实测结果基本一致,较好地模拟了黄4断面的淤高及黄河干流淤积三角洲向坝前的推进;洮河异重流倒灌对刘家峡库区黄4—黄9库段河床冲淤变化影响极为明显,计算过程中必须考虑异重流倒灌问题。     

黄河下游河床演变数学模型和初步研究及其应用

以黄河下游河床演变特性为基础，提出了漫滩水沙运动及水沙交换的处理方法，探讨了冲淤量沿河宽分布的准二维计算方法，分析了河床横向变化及其对纵向输沙的影响，并提出了相应的模拟方法，在已用实测资料对这几项研究率定的基础上，建立了适用于黄河下游的准二维数学模型，并用黄河１９６９－１９７８年实测资料进行了验算，验证成果表明，计算与实测基本一致，最后计算和比较了不同来水来沙方案对下游的影响。     

黄河下游泥沙数学模型及其应用

本针对黄河下游来沙特性和河道冲淤演变的特点，建立了复式断面数学模型，综合考虑了洪水演进，不同粒径泥沙的冲淤特性，断面上的冲淤分布，悬沙和床沙级配的变化调整及其对水流挟沙能力的影响等方面的问题。黄河下游１９７４－１９８８年实测水沙系列验证计算表明，模型在冲淤总量，沿程分布等方面均与实测资料符合良好；小浪底水库对黄河游河道冲淤影响的计算结果与有关献的结论也基本一致。     

黄河下游河道冲淤模型的构建与验证

针对黄河下游现状宽河治理和防护堤窄河治理两种模式,构建一维非恒定水沙数学模型,根据黄河含沙量高、水沙搭配多样、地形边界复杂等特点,甄选适用于模型构建的水流挟沙力、挟沙力级配、泥沙恢复饱和系数、动床阻力、床沙级配等计算公式。根据计算长系列年水沙条件,提出了计算出口边界的动态修正方法。采用黄河下游1976—2010年实测水沙、级配及断面法冲淤量对模型进行了验证,验证结果能够反映整个系列洪水在黄河下游的冲淤变化规律,计算精度满足生产需要。     

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。     

近期黄河下游河道冲淤演变

1黄河下游河道历年冲淤变化人民治黄50年来，黄河治理开发取得了巨大成就，同时黄河水沙条件发生了新的变化，黄河下游河道冲淤变化经历了几个明显过程。（1）1950年至1960年，三门峡水库建库前，来水来沙为天然情况，河道冲淤演变与天然来水来沙条件有关，演变规律为“多来、多排、多淤”、“少来、少排、少淤”，总的趋势是河床淤积，大水淤滩刷槽，小水淤槽，淤积沿程变化、横向分布不均，年际冲淤变化较大。（2）1960年9月至1964年10月，三门峡水库蓄水拦沙，下泄清水，下游河道冲刷较快，年平均冲刷泥沙5．78亿t，冲刷范围遍及整个下游…     

人民胜利渠渠首河段河床演变分析

人民胜利渠是新中国成立后黄河下游兴建的第一个大型引黄自流灌溉工程。黄河人民胜利渠渠首段属黄河下游河段,黄河下游河道呈现"多来、多淤、多排"的特点。文章分析了人民胜利渠引水口河段不同时期的水沙特性、小浪底水库运用后小浪底至花园口河段的冲淤变化,并根据规划待建工程生效时间的不同,预测了未来人民胜利渠取水口河段冲淤演变趋势。通过研究黄河人民胜利渠渠首河段的河床演变,为采取工程措施改善灌区引水条件提供依据参考。     

调水调沙对黄河下游德州引黄供水的影响

随着调水调沙转入生产运行,黄河下游河床全线下切,中小洪水与以前相比水位表现较低.致使黄河下游涵闸引水能力普遍降低,有的甚至无法正常引水.从德州引黄实际入手,首次以市局所属水闸为研究对象,分析调水调沙前后河床冲淤变化情况,提出适应河床冲淤变化,满足引水需要的建议方案.