艾利河段泥沙输移特性及不淤临界含沙量探讨

对艾山—利津河段泥沙输移特性进行的分析表明：①艾山以下窄河段的河床演变具有“大水冲、小水淤”及“细沙冲、粗沙淤”的基本特点,并且淤积主要集中在非汛期,粗沙、中沙及细沙均发生淤积;汛期除粗沙淤积外,细沙及中沙均发生冲刷。②艾山—利津河段河道冲淤主要与流量大小有关。同时,根据1960～2002年的洪水资料,分析了粗沙、中沙、细沙冲淤的临界流量,建立了艾山—利津河段不同粒径组泥沙排沙比与流量间的关系;考虑到洪水演进及区间引水引沙等因素,初步建立了在洪水期艾山—利津河段不发生淤积的条件下艾山站临界含沙量与流量间的关系式。     

黄河下游低含沙洪水的冲淤特性兼论艾山-利津河段不淤临界流量

黄河下游上、下河段河道形态迥异,同流量输沙能力上段大,下段小。观测表明一定流量的低含沙洪水,就全下游来说可以产生冲刷,但对下段(艾山以下)来说往往发生淤积。本文通过实际资料分析了下游河段的排沙比关系及不同来沙条件下泥沙冲淤强度等规律,并利用下游低含沙水流挟沙力关系,深入分析了艾山—利津河段不淤临界流量。结果表明这段河道不淤流量不仅与来水含沙量有关,还与河口段淤积延伸对艾山—利津段水面比降有顶托作用有关。     

小浪底—利津河段河道输沙平衡临界指标研究

河道输沙平衡关系是通过工程措施调控水沙组合、冲刷河槽淤积泥沙、塑造河槽形态、提高河槽输沙能力和泥沙资源化配置的理论依据。通过对影响黄河小浪底—利津河段河道汛期输沙平衡的水沙指标进行分析,建立了河段汛期淤积比与小浪底站水沙指标的关系,计算了1950—2000年小浪底—利津河段对应的不同计算时段、不同河段(包括全河段)和上、下临界输沙平衡状态的50组输沙平衡临界指标,分析其变化规律和影响因素。对1967年实测典型洪水过程及2007年汛期调水调沙过程的输沙平衡状态分析,得出了各自对应的输沙指标,结果表明自然形成的洪水过程和调水调沙人造的水沙过程均可以达到河道输沙平衡。     

2009年东平湖水库运用对黄河河道冲淤的影响

通过对2009年度孙口、艾山、泺口、利津和陈山口站调水调沙前后部分时段实测流量、时段水量、时段沙量进行分析,发现2009年黄河调水调沙运用期间,山东段的河道继续出现明显的冲淤变化;调水调沙后东平湖水库开闸放水,这期间艾山站以下河道泥沙的输移出现跃移性。同时通过对陈山口放水发现2009年东平湖的水对下游河道的冲刷具有明显的效果,不仅仅表现在输沙量上,特别是对河道形态的塑造上具有很大作用。     

黄河下游泥沙淤积的滞后响应规律分析

根据河床滞后响应模型,分析黄河下游山东段来水来沙、河床冲淤演变情况及淤积量对来水来沙滞后响应。结果表明,黄河下游艾山——利津河段累计淤积量与艾山站15年滑动平均流量、来沙系数以及利津站13年滑动平均同流量水位抬升值的相关程度较好,反映出艾山——利津河段淤积对艾山站来水来沙条件及利津站河底高程变化的滞后响应规律。     

变化背景下黄河防洪减淤及流域发展对高效输沙需求的研究

黄河流域近期变化特点为下垫面变化巨大,侵蚀产沙强度降低,沙量剧减、水沙关系不协调程度显著降低;同时工程措施也发挥了巨大作用,洪水减少,现状各河段河道淤积得到遏制、防洪防凌压力有所缓解。在这变化背景之下,流域经济社会可持续发展对水资源的要求日益强烈,对高效输沙节约水资源提出了迫切的需求。而黄河流域水沙调控工程建设的加快为利用工程措施实现高效输沙提供了基础条件。文章在对已有黄河水沙调控经验总结和调控方案不足之处的认识上,提出充分发挥大流量高含沙量水流输沙能力、塑造相对窄深断面有效提高河道输沙能力、利用长河道泥沙沿程调整规律着重解决关键河段泥沙问题、积极控制河道横向摆动减少无效冲刷、合理利用漫滩洪水高效塑槽作用等思路,为通过水库、河道整治等工程措施提高黄河河道输沙能力从而节约输沙水量提供技术支撑。     

三峡建库前后长江中游河道输沙率变化分析

三峡建库后,水库下游河道含沙水流长期处于严重次饱和状态,输沙由相对平衡状态转变为不平衡状态,输沙强度较自然条件下发生显著变化。根据三峡水库蓄水运用前后(1992—2017年)长江中游主要水文站断面、床沙与水文资料,从输沙率变化、床沙粒径变化、平滩流量等角度研究长江中游河道复式断面输沙强度问题,得出以下结论:三峡水库蓄水运用后,进入下游河道的泥沙大幅度较少,长江中游沿程水文站同流量级输沙率明显减少;床沙粒径沿程出现不同程度的粗化,其中荆江河段粗化最为明显,螺山至武汉河段略有粗化;螺山站和汉口站在自然条件下平滩流量附近输沙强度出现峰值,对应的水流挟沙能力为极大值。     

黄河下游河道整治与平衡输沙

提高河道输沙能力的基本途径是减少河床的阻力损失,且有与流量相适应的河湾曲率半径、窄深河槽和平整连续的护湾工程,以及各河湾之间流势的衔接配合,这将有利于稳定主槽和平衡输沙.比降是影响输沙能力的重要因素,黄河高村以下河道特别是艾山以下河道比降大幅度减小,必须相应缩窄河宽,才能达到与上游河段输沙能力一致.修建潜水丁坝,可减轻艾山以下小比降河段在非汛期的淤积.黄河水流的挟沙能力不仅与水力因素和泥沙粒径有关,而且随含沙量的增大而增大,具有多值关系和隐函数特性.     

黄河下游河道河槽形态与输沙特性研究

据多年实测大断面的资料统计,分析了各河段的河槽特性水面宽、宽深比B/h、单宽流量与流量的关系.高村以上游荡性河道随着流量的增加,宽深比B/h增加、单宽流量减小,为宽浅型河道;反之艾山以下为窄深型河流.在实测资料范围内,河段的输沙特性与河槽形态关系密切,宽浅型河道具有"多来多淤多排"的输沙特性,窄深型河流在洪水时具有"多来多排"输沙特性.河槽形态的沿程变化,使得洪水输沙能力没有因比降沿程变小而降低,而是通过河宽的沿程变小,流速增加,洪水的输沙能力沿程增强.其底沙的运动速度比洪水传播的慢是造成黄河下游河道长距离冲刷的根本原因.     

黄河下游河道输沙沿程调整变化模拟

黄河下游河道输沙具有"多来多排多淤"的特点,一般采用考虑上站来水含沙量的输沙率经验公式描述。通过比较输沙率经验公式与不平衡输沙理论方程之间的区别与联系,从理论上对经验公式的指数变化规律进行了研究,并构建提出了一种变幂指数的泥沙输移模型。基于所建立的泥沙输移变幂指数模型,结合黄河下游河道沿程实测水沙资料,重点对花园口—高村(游荡型)、艾山—利津(弯曲型)段输沙沿程调整变化情况进行了模拟计算。结果表明,计算值与实测值基本一致,确定系数均大于0.97。     

黄河下游河道河槽形态与输沙特性研究

根据多年实测大断面统计资料,分析了黄河下游各河段的水面宽、宽深比B/h、单宽流量与流量的关系。结果表明:高村以上游荡型河道随着流量的增加,宽深比B/h增加、单宽流量减小,为宽浅型河道;艾山以下情况与高村以上相反,为窄深型河道。在实测资料范围内,河段的输沙特性与河槽形态关系密切,宽浅型河道具有"多来多淤多排"的输沙特性,窄深型河道在洪水时具有"多来多排"的输沙特性。河槽形态的沿程变化,使得洪水输沙能力没有因比降沿程变小而降低,而是随河宽的沿程变小,洪水的输沙能力沿程增强。河道底沙的运动速度比洪水传播慢,这是造成黄河下游河道长距离冲刷的根本原因。     

小浪底水库库区及下游河道冲淤变化研究

利用小浪底水库运用以来至2008年的实测资料,对库区及下游河道的演变情况进行了研究。结果表明:①截至2008年4月,小浪底库区共淤积泥沙23.22亿m3,干、支流淤积比例分别为84.3%、15.7%;②小浪底水库干流淤积形态为水库回水末端附近的三角洲淤积及三角洲以下的异重流和浑水水库的淤积体;③小浪底水库下闸蓄水运用以来,黄河下游各河段均发生了冲刷,利津以上河段冲刷15.89亿t;④截至2008年汛初,花园口以上河段平滩流量已增大至6 000m3/s,花园口—高村河段平滩流量增大为4 500 m3/s左右,高村—艾山为3 800 m3/s左右,艾山以下大部分河段为4 000m3/s以上;⑤2002—2005年小浪底水库调水调沙年均增加黄河下游冲刷量0.18亿t。     

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。     

黄河下游河道洪水期输沙规律研究

利用1960—2010年黄河下游304场次洪水实测水沙资料,以小浪底站为黄河下游河道进口控制站,以花园口、高村、艾山和利津4站为节点将黄河下游划分为4个河段,系统地研究了黄河下游洪水期河道水沙输移规律,分析了花园口、高村、艾山和利津4站输沙率与各自上站流量、含沙量和输沙率的关系。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的相关关系。在此基础上,进一步对小浪底场次洪水来沙系数进行分级,得到了分级来沙系数的下站输沙率与上站输沙率的相关关系。采用建立的下站输沙率与上站输沙率关系式计算得到的黄河下游各河段冲淤量和冲淤过程与实测资料符合很好,具有较高的精确度。利用建立的关系式可以方便地预测未来黄河下游河道洪水期不同河段冲淤量,快速判断场次洪水对黄河下游河道冲淤的影响。     

提高黄河下游河道输沙能力的途径探讨

阐述了水流功率原理与输沙机理并导出其公式,结合黄河多沙的特点,认为:1以临界水流功率对应的临界流量与来沙系数临界值来协调水沙关系,可提高黄河下游河道输沙能力并多输沙入海;2在现状河道边界条件下,选择利津断面流量为2 200~3 200 m3/s作为临界水流功率对应的临界流量较为合适,判断下游河道冲淤基本平衡的临界值则取场次洪水来沙系数为0.018 kg·s/m6;3为增大下游河道输沙的水流功率,水库排沙期应尽量使利津站与花园口站平均流量之比大于0.85,并相机利用东平湖向黄河补水。     

对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

选取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及规划设计的未来50 a水沙系列,利用黄河下游一维水沙数学模型,模拟计算了对口丁坝双岸治理方案下黄河下游河道在3种水沙系列条件下的冲淤状况。结果表明,游荡性河段采用对口丁坝方案整治后,输沙能力得到了提高,该河段多输送的泥沙一半以上输送到利津以下,其余部分淤积在高村—利津河段,其中淤积以高村—艾山河段为主,艾山—利津河段的冲淤情况与现状相比变化不大。     

山东黄河泥沙特性及沙峰运移规律

在论述黄河山东段泥沙时空分布及不同时期泥沙粒径变化的基础上，重点分析了洪水过程中沙峰的运移规律：山东河段沙峰的削峰率为沿程向下游递减，且与沙峰的大小成正比；沙峰沿程输沙量变化，高村至艾山段沿程减小。艾山至利津段基本稳定。沙峰运移过程中与相应洪峰发生的时间一般是不同步的，高村至艾山段，沙峰常超前于洪峰，而艾山至利津段，沙峰常滞后峰；不漫滩洪水，沙峰一般滞后于洪峰，漫滩洪水，沙峰一般超前于洪峰。     

黄河尾闾河道冲淤变化分析

对1996年以来黄河口来水来沙情况的分析表明,近10年利津站进入中(枯)水枯沙系列,且水沙条件不利。进一步分析显示,河口河道主槽冲刷、同流量水位下降、平滩流量增大,说明同期河道冲淤变化是受来水来沙变化、清8改汊、调水调沙和河口挖河等综合作用的结果。建议继续开展调水调沙和挖河疏浚,改善河道边界条件,维持并增大河口河道排洪输沙能力。     

小开河灌区渠道的输水输沙特性①

依据小开河灌区运行10 a来的资料,总结灌区引水引沙条件和渠道断面特性,研究干渠不同渠段的引水分布特征和泥沙长距离输送、淤积特性。根据断面实测流量资料,给出输沙渠不同渠段的河宽、水深、流速、水力半径等水力参数与流量关系的水力几何形态指标,进而得出小开河灌区不同渠段的水流挟沙力与流量的关系。计算结果表明,设计流量下小开河灌区输沙渠沿程输沙能力变化不大,输沙渠中段由于渠道宽度较大,相同流量条件下的输沙能力较上、下段偏小约2 kg/m3。     

三峡水库蓄水以来水库淤积和坝下冲刷研究

为了分析三峡工程对库区及坝下长江中游河势的影响,基于实测资料,较为系统地研究了三峡水库蓄水运用以来水库泥沙淤积和坝下游河床冲刷特性。研究表明,1991年以来长江干流各站径流量变化不大,输沙量明显减小;三峡水库蓄水运用后的2003～2011年入库沙量继续大幅减少,仅为原设计值的40%,水库年均淤积泥沙1.40亿t,也仅为论证阶段的40%左右,且绝大部分淤积在常年回水区和死库容内;受上游来沙减小和三峡水库蓄水拦沙影响,坝下游输沙量大幅减小,悬移质泥沙颗粒也明显变粗,长江中游原有的冲淤相对平衡状态被打破,河床发生沿程冲刷,2002年10月至2010年10月,宜昌至湖口河段总冲刷量为9.79亿m3,河床冲淤形态转变为“滩、槽均冲”,主要冲刷发生在宜昌至城陵矶河段。