黄河口演变与流路稳定综合治理研究

简要回顾了黄河口演变与治理研究现状,结合黄河口面临的入海水量锐减、单一流路长期行河和小浪底水库的调节运用等新情势,提出在流路演变、岸线变化、关键技术和方案措施方面的近期研究目标。重点突破四大关键科学技术问题——尾闾河道出汊机制、海岸形态对陆海动力响应、河口流路演变多时空尺度混合模拟和河口流路水沙调配。明确六方面研究内容——黄河口尾闾出汊的孕育过程及触发机制、黄河口流路演变过程的动力机制及流路稳定的指标体系、黄河三角洲海岸演变过程与动力机制、黄河口演变的多时空尺度混合模拟技术、清水沟流路水沙通量调配技术与示范、稳定百年的黄河口入海流路方案与治理措施等。项目成果可以为黄河口综合治理和黄河三角洲高效生态经济区建设提供技术支撑。     

黄河口演变对下游河道的反馈影响

按照不同的时间尺度分析了黄河口演变对下游河道宏观、中观和微观的反馈影响,结果表明三者之间是辨证统一的关系.为了减少黄河口演变对下游河道的反馈影响,应在黄河中上游、下游、河口尾闾段进行综合治理:①中上游实施水利水保建设、水沙调控体系建设和完善及滩区放淤工程建设等;②下游实施河道整治、引水引沙等;③尾闾河段应合理安排流路、尽量缩短河长、挖河疏浚、引高含沙洪水放淤、增强海洋动力输沙能力等.     

黄河口入海流路摆动改道与治理稳定

黄河口受上游来水来沙和海洋动力条件的综合影响，河道淤积延长、摆动改道极其剧烈复杂。本文概述了近代黄河口入海流路的演变．阐明了清水沟流路使用年限较长的原因与此期间的来水来沙条件、人工治理以及工程防御洪水的强度和入海口门处的海洋动力增强等因素有关；展望了清水沟流路的行河年限。     

黄河口河道演变规律探讨

通过分析黄河口河道在纵剖面、横断面、河型等方面的演变过程,总结归纳出黄河口河道的演变规律。指出:黄河口泥沙在潮汐涨落等因素影响下,河口河道纵剖面逐渐形成台阶状,与此同时,河口滩地横比降逐渐发展为倒比降;河口河道中段由顺直型河道逐渐转为弯曲型河道,而下段仍为相对顺直、游荡型河道。当河口河道中段比降减小到一定程度后,此河段开始漫滩、卡冰、出汊。河口台阶的形成揭示了黄河口流路由单股河道逐渐转为出汊的过程,即黄河口流路由“青壮期”逐渐转为“衰亡期”的过程。延长黄河口流路使用年限的途径是:①尽量减少黄河下游输向黄河口的泥沙量;②采取河口挖沙或人工改汊措施,地点宜选在河口河道的中下段。     

黄河口尾闾河道冲淤及其影响因素分析

入海流路改道频繁、水沙过程变化剧烈等多种因素造成黄河口流路冲淤演变过程十分复杂,在一定程度上影响了黄河下游的防洪安全。为了认识不同因素对黄河尾闾河道演变的影响程度,采用黄河口实测水沙和地形资料,分析了不同因素对黄河尾闾河道冲淤和水位变化的影响。结果表明:1964-2012年黄河尾闾河段的冲淤与水沙要素之间的关联度较低,水沙过程的改变不是影响尾闾河道冲淤的主要因素;流路改道与利津水位变化密切相关,改道前后流路长度变化越大对河道冲淤影响越明显。流路改道初期河道水流流速大幅降低导致泥沙在河道大量淤积;频繁的流路改道使水沙过程与河道冲淤之间不再呈现一致且紧密的关系。研究结果可为黄河口流路综合治理提供科学依据。     

黄河口清水沟流路原河道停水后海岸演变

1996年5月，在黄河口清8断面以上950m处实施了截流改汊工程，改汊后原河道海岸失去了泥沙补给，在海洋动力作用下发生了剧烈演变。为了掌握原河道海岸的冲淤变化，1996年10月在原河道口门前左、中、右共布设了3个断面，1996年10月至2002年10月，在同断面上按照规范实施了3次水下地形测量。结果表明：黄河口清水沟流路原河道停水后浅水海岸蚀退大于深水，北部大于南部。同水深侵蚀速率口门北侧和前方是初期大于后期，近岸浅水区大于远岸深水区；口门南侧4m以内的浅水区为冲刷，4m以上深水区呈现淤积。从年均侵蚀量看，中间断面最大，北部次之，南部最小。造成海岸侵蚀的动力因素很多，但波浪(风暴潮)和海流是海岸侵蚀的主要原因。     

利用海洋动力减缓黄河口淤积延伸速率的研究

利用黄河口平面二维波流输沙数学模型、实测资料等,计算、分析了渤海流速、波流挟沙能力、黄河三角洲滨海区冲淤和粒径的变化。结果表明:①黄河三角洲浅水区的波流挟沙能力大于深水区的;②波流海洋动力能把浅水区较细的泥沙输送到渤海深海,而不能把此区较粗的泥沙输送到深海,深水区泥沙无论粗细,很难再被海洋动力带向渤海深海;③黄河单一流路入海方式易造成更多细泥沙淤积在深水区,不利于减缓黄河口淤泥延伸速率;④减缓黄河口淤积延伸速率的新思路是利用多流路把黄河泥沙相对均匀地输送到滨海区的浅水区,以充分利用海洋动力把较细的泥沙输送到渤海深海,同时结合三角洲社会、经济、生态等需求合理处理粗沙。     

黄河三角洲海岸线的演变特征分析

受来水来沙、河口流路变化、海洋动力和人类活动等因素影响,黄河三角洲海岸线时空演变迅速而复杂。采用遥感与GIS技术相结合的方法,分析处理1987—2003年的多时相卫星遥感影像,采用非监督分类方法提取海岸线时空演变信息,结合利津水文站水沙数据,对河口面积和水沙量的关系进行了分析。结果表明:①随着水沙量的减少,河口逐渐由淤积转为侵蚀,并且程度趋于严重;②沙水比与河口变化面积之间存在较好的正相关关系。     

一,二维连接的河口冲淤数模

在河口，河流动力和海洋动力相互作用，动力因素极为复杂。对于多沙河口，其冲淤演变规律更为复杂，河口的范围包括河口段河道，入海口及口外邻近海域。本建立的适用于河口三部分水域的一、二维连续的冲淤数学模型，其中上能反映多沙河口冲淤演变频繁的现象。通过数模计算探讨了黄河口入海水沙与潮流、风吹流及波浪相互作用下的输沙规律，并实际计算了黄河口的冲淤地形及规划方案中各条流路河口的淤积范围等。     

黄河三角洲尾闾河道与海岸演变特征

采用实测资料分析方法,研究了黄河三角洲尾闾河道与海岸演变特征。研究结果表明,20世纪70年代以后,进入黄河三角洲的水沙量呈现逐渐减少的趋势,特别是80年代以后,这种减少的趋势愈加明显。尾闾河道冲淤演变,不单单只受水沙条件的影响,且随着河口的延伸,比降变缓,河道冲淤也有溯源的性质。2002年黄委会实施调水调沙以来,尾闾河道过流能力增加,主槽刷深明显,同流量水位显著下降。黄河三角洲海岸在改道初期造陆速率大,改道后期造陆速率有逐年减小的趋势,这与改道后期沙嘴向海中突出、沙嘴前缘地形变陡、海流流速增大、泥沙沉积减少、海洋动力输沙能力增强等因素有关。     

黄河口近期演变规律及发展趋势预测

本文分析了河口近期三条流路的演变规律,阐明了清水沟河道发育特点,“洪冲枯淤”规律及河口淤积延伸反馈影响的范围。据入海水沙变化趋势,河口延伸速率将减缓,在加强河口治理条件下,预测现河道自然出汊可能性很小,流路寿命将更加延长。     

波浪与潮流共同作用下二维泥沙数学模型

针对河口海岸地区波浪与潮流运动的特点,将波浪过程概化为潮周期中具有平均意义的波浪流要素,叠加到潮流运动方程中,以模拟长时段的水流运动及泥沙场的变化,建立了波浪与潮流联合作用下二维泥沙数学模型,包括贴体正交曲线坐标系下水流运动方程、非均匀悬沙、底沙输移方程、初始条件、边界条件、动边界技术及数值计算格式,引进前期含沙量的概念,得到了潮流挟沙能力公式,波浪作用下的挟沙能力采用窦国仁公式,浮泥挟沙能力采用罗肇森公式。计算的瓯江口、温州湾潮位过程与原型吻合良好,8个断面的46条垂线同步流速、流向过程计算值与实测值吻合较好。在此基础上,探讨了多连通域复杂边界条件下瓯江口拦门沙航槽开挖后潮流与风浪作用下悬沙、底沙与浮泥引起航槽回淤的模拟问题。     

黄河三角洲海岸强侵蚀机理及治理对策

黄河三角洲从挑河湾到孤东临海堤北端是黄河刁口河和神仙沟行水期间发育形成的年轻海岸，为强蚀型岸段。经初步计算，1976～1988年，每公里年均泥沙侵蚀率为320万t，现已建有桩西海堤和孤东海堤进行防护，但侵蚀仍在继续。本文分析了侵蚀的主要原因：一是流路停行初期，波状岸滩地形在涨落潮流往复作用下侵蚀；二是波浪能对底沙起作用的水深区位于强潮流区，波、流结合加剧了侵蚀作用。为此，单一的海岸防护工程，不能消除该岸段的泥沙流失，应同时通过调沙措施使其达到动态稳定。建议采用“二级分汊、多汊并存、人工控制、按需排放”的治理对策，避免海岸侵蚀，同时消除陆域洪灾。     

黄河河口水沙运动的二维数学模型

本文针对黄河河口河道水沙潮波的特点，从水流连续方程、运动方程，泥沙运动方程出发，补充了潮流挟沙能力的计算公式，建立了黄河河道河口二维数学模型。以1982年实测资料，从潮位过程、流速大小和方向及海底冲淤变形等方面对数学模型进行了验证计算。在此基础上开展了典型水沙条件下黄河河口泥沙运动规律的模拟研究。其结果揭示了黄河河口清水沟所处海域的潮流潮汐特性和泥沙输移规律。这些成果与实测资料以及卫星遥感分析结果一致，进一步表明了模型的可靠性。     

黄河口海洋动力特性与泥沙的输移扩散

本文首先对黄河口潮流、余流、风暴潮等海洋动力进行了分析，在此基础上进一步分析了黄河口泥沙的输移方向与数量，指出黄河口的泥沙在洪枯季节综合的结果是向东北方向扩散，在目前河口海洋动力条件下，有大约４０％的泥沙输往深海．本文还提出了选择最佳河口流路入海方向，充分利用河口海洋动力，提高海流输沙量，稳定河口流路的河口治理策略     

大风浪作用下河口区深水航道骤淤预测模式研究

该文在分析风浪与河口滩槽泥沙运动、河口滩槽演变和航道骤淤等研究现状的基础上,通过建立波流共同作用下的三维悬沙数学模型,以珠江口高栏港区深水航道为例,探讨大风天泥沙运动和航道骤淤规律。研究结果表明:计算值与实测值基本吻合,并预报了50年一遇情况下航道的骤淤情况。从大风浪影响滩槽变化的角度,提出了一种预报海岸河口淤积以及骤淤的一种有效途径。     

尾闾河道及海域整体冲淤数学模型研究

针对黄河下游水少沙多和河口淤积延伸速度快的特点，本文建立了一套包括一维河道和二维海域、适用于多沙河口的整体泥沙冲淤数学模型。模型建立在高含沙的不平衡输沙理论上，采用动边界和动床阻力技术，模型可同时考虑径流、潮流及波浪等多种动力因素共同作用，可用于尾闾河道冲淤、河口泥沙输移扩散和河口演变计算。本文 应用二维模型计算了整个渤海的潮汐过程，得到几个主要分潮的同潮图，计算与实测值符合良好。用1983年汛后至1996年汛前艾山-口门河道地形资料、1996年6～10月和1996年10月～2000年10月的海区地形资料对一、二维连接模型进行了验证。计算结果给出的黄河下游河道的淤积延伸过程、河道水位、河道及海区冲淤量和流路河长延伸等均与实测值基本一致，证实了模型的可靠性。     

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。     

黄河尾闾河道平滩流量变化对来水来沙的响应

通过分析1976年清水沟流路以来黄河河口尾闾河道冲淤变化及河槽萎缩特点,探讨了利津平滩流量变化对来水来沙及河口延伸的关系。结果表明:河口区平滩流量变化不仅与来水量、洪峰流量、水沙搭配系数、河口河长相关,而且与前期河床条件有关。给出了维持河口河道4 000 m3/s平滩流量需要的水量、洪峰流量及水沙搭配的定量关系以及河口延伸长度的限制条件,为河口尾闾河道的综合治理提供一定的参考。     

黄河口清水沟流路冲淤发展与使用年限预测

本文利用作者开发的一、二维连接的黄河口整体冲淤数学模型,根据有、无古贤水库二种情况进入黄河下游的水沙条件,对未来黄河口清水沟流路的淤积发展过程进行了计算研究,并根据计算结果对流路使用年限、河道向海域延伸的安全距离、淤积量和淤积分布、海域容沙量及海洋动力输沙能力等相关问题进行了分析探讨,旨在为黄河口的整治规划提供科学依据.计算研究结果表明,各流路组合运行方案的清水沟流路使用年限为53~77年,古贤水库的修建和不同流路的交替组合使用皆有利于延长清水沟流路的可使用年限.有、无古贤水库条件下河口的入海输沙能力均较为稳定,海域年均输沙量分别为2.53亿t和2.71亿t左右.