交汇河段水沙运动和冲淤特性的试验研究

本文叙述了交汇河段水沙运动特性的模型和水槽试验研究的成果。作者曾利用嘉陵江和长江交汇河段模型研究天然情况和水库运用情况下悬移质水沙运动特性,以及利用具有不同交汇角的汇流水槽研究推移质水沙运动特性。文中指出汇流比、交汇角、输沙率比以及下游水位等因素对河段的水沙运动都具有影响,其中干支流流量和汇流比的不同组合起着关键作用。河道模型试验表明:水位的变化规律是干流在固定流量下水位随汇流比的增加而增加,支流随汇流比的增加而减小;冲淤特性是汇流比大时干流边滩淤积多而支流口门段冲刷,汇流比小时反之。汇流水糟试验表明:交汇口上游干流段水面比降随交汇角的增大而变缓;相同汇流比情况下,干支流河段淤积量随交汇角的增加而增加。     

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。     

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。     

中小流量下黄河下游游荡段河床调整规律

小浪底水库运用后,进入黄河下游河道的水沙情势发生显著变化,大流量洪水频率大幅减小,中小流量洪水作用凸显。为揭示黄河下游游荡段中小流量下的演变特征,本文开展了500、1000、1500和2000 m3/s流量级下黑岗口—夹河滩段的动床物理模型试验。结果表明,垂向上,研究河段河床冲刷与淤积沿程相间分布,具有典型的游荡性河段的冲淤交替特征;横向上,中小流量下游荡段仍存在横向摆动的可能,且随着流量增大,主流弯曲系数由1.18减小至1.13,河道逐渐由蜿蜒向顺直发展;纵向上,各流量下深泓线调整趋势与冲淤量变化规律基本一致。此外,本文着重分析了河道工程与桥下河段河床的时空调整过程并运用随机模型进行了模拟。通过分析发现：时间上,河道工程附近河床垂向调整速率早期较快,之后随时间快速非线性减缓;空间上,桥下河段累积冲刷深度沿程非线性减小,空间衰减特性显著。应用表明,随机模型对典型局部河段的时空调整预测效果较好,相关系数R2可达0.74以上。本文探讨了中小流量下黄河下游典型游荡段长河段与局部的冲淤演变特征,可为未来黄河下游典型游荡性河段的河道整治与保护提供科学依据。     

水沙条件变化对三峡水库泥沙淤积的影响

三峡水库上游来水来沙变化必然影响水库淤积发展过程,进而影响航运状况。本文运用一维及二维泥沙数学模型计算分析了上游水沙条件变化对三峡水库泥沙淤积及航运的影响,一维计算结果表明,90年代相对于60年代来沙变少变细后,三峡水库的淤积发展过程将明显减慢,淤积部位偏下,并且平衡淤积量也相对于60年代水沙情况下减小;上游建库的综合作用将延缓三峡水库的淤积发展过程,上游建库情况下,变动回水区河段在三峡水库运用40年内不会出现泥沙淤积问题;重庆河段整体呈现冲的趋势,100年内基本不发生淤积。二维计算结果表明,相对于上游无库情况下,上游干流建库后,重庆河段长江干流泥沙淤积量及淤积厚度明显减少,甚至出现冲刷,航运条件明显改善;金沙碛河段受上游干流建库影响较小,仍会出现碍航问题,需要进一步整治。     

三峡水库建成后对长江中下游江湖水沙关系变化趋势初探Ⅱ.江湖关系及槽蓄影响初步研究

三峡工程建成后,改变了坝下游的来水来沙过程,中下游江、湖河床将发生冲淤变化.为研究三峡水库蓄水运用后长江中下游河势和江湖关系的变化,根据三峡工程分期蓄水进程,结合原型观测资料分析以及数学模型计算等多种技术手段进行了初步探讨研究.三峡水库运用初期(2003年6月-2032年12月31日)长江中下游干流将发生自上而下的冲刷,河床冲深,枝城以上河段较快完成冲刷,并向F游发展;受长江中下游十流河床冲刷影响,荆江南岸三口口门水位下降,荆江三口分流道河床冲淤相应发生改变,河床有冲有淤,以淤积为主;三峡水库运用后洞庭湖区淤积量减少,至三峡建库后30年末,湖区平均年淤积量为多年平均年淤积景的40%左右,三峡水库建库明显减缓了洞庭湖区泥沙的淤积:三峡水库运用后相应各河段槽蓄量也发生了变化,计算成果表明,与三峡水库建库前相比,同一水位条件下槽蓄景有不同程度的增加,枯水河槽槽蓄量增加较多,洪水河槽槽蓄量增加略小.由于泥沙运动的复杂性及其它原因,对于三峡水库建成运用后的江湖关系还需进行深入的探讨和研究,为今后研究江湖治理措施提供重要的科学依据.     

基于特征分析的多沙河流洪峰流量增值机理研究

黄河下游等多沙河流通过高含沙洪水时常出现洪峰流量增值这一异常现象.从描述多沙河流水沙运动的耦合数学模型出发,基于模型所构成的双曲系统的特征理论,分析了多沙河流洪峰流量沿程增值机理.从所获得的耦合模型的特征关系上看,当河床存在显著变形时会对浅水波的传播特性产生较大影响.河床冲刷时水流中扰动传播速度变慢,而河床淤积时水流中扰动传播变快.因此,多沙河流高含沙洪水过程中河床出现的"涨冲落淤"现象使得后期落水阶段河床变形对水流运动产生的扰动较前期涨峰时更快,是产生洪峰增值现象的原因之一.     

水库下游分组沙冲淤特性分析

水库修建前后下游河道分组沙冲淤实测资料表明:建库前特定河段粗沙淤积主要是由于水力因素沿程显著减弱;建库后近坝河段,泥沙补给不足,各组泥沙均发生较剧烈的冲刷,床沙粗化迅速;距坝较远的河段,只要上游河段有足够泥沙补给,能够基本达到饱和的各组泥沙的冲淤特性与建库前保持一致,但淤积量趋于减小;水库下游发生长距离冲刷的主要原因是床沙补给不足,尤其是细沙补给严重不足.     

多沙河流的波系结构Ⅱ：波系求解与应用

通过波前展开及拉普拉斯变换方法,本文推导了多沙河流波系结构方程的解析解,其直观地将多沙河流中洪水演进、泥沙输运及河床冲淤过程中各变量的变化过程及相互作用关系通过数学表达式定量表出。该方法为研究河流水沙运动尤其是水沙运动与河床变形耦合机理提供了一个新思路和新途径。结合黄河下游典型高含沙洪水实测资料,运用本文获得的波系结构解析解对高含沙洪水异常运动现象成功地进行了模拟。进一步分析表明,含沙量变化对低阶波传播特性影响较大,水体中含沙量越高,波传播速度越快。因此一场洪水过程中后期高含沙洪水传播速度较快,逐步赶上前期低含沙洪水,产生流量叠加形成洪峰沿程增值。     

高含沙洪水演进过程及动力学机理分析

高含沙洪水的演进十分复杂,洪峰流量一般表现为沿程减少,也经常发生沿程增加的情况。本文以黄河下游高含沙洪水为对象,基于守恒形式的高、低含沙统一浑水运动控制方程、特征线理论和变量沿特征线传播的物理本质,分析了含沙量沿程分布、冲淤作用、重力及阻力等关键因素对洪水演进的动力学作用机理和影响特征。研究表明,洪水传播过程中泥沙的存在和含沙量变化增加了洪水传播的不稳定性,由此导致的浑水密度沿程差异、剧烈淤积、重力和阻力调整均是洪峰增值的重要原因。并利用黄河下游实测高含沙洪水过程验证了本文的结论。     

三峡水库库区香溪河河口泥沙淤积特性研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后大部分支流河口段淤积明显,常年回水区内部分支流口门形成类似拦门沙的淤积体,可能对水库库容及支流航运造成影响。本文以香溪河河口段为例,分析其泥沙淤积特性及成因。结果表明,2006—2011年香溪河河口段约6.6 km范围内淤积泥沙241万m3,2002—2015年河口段深泓平均抬高7 m以上,口门附近断面最大抬高约12 m,淤积幅度大于干流河段。香溪河河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,随着干支流来沙量减少,其河口泥沙淤积将趋缓。     

黄河龙门河段揭河底洪水探析

通过统计、分析、计算相关水文资料,得出黄河中游龙门河段发生大面积揭河底的条件为：吴龙区间发生高含沙洪水,龙门洪峰径流量在6亿m3以上,输沙量在2.6亿t以上;龙门流量大于5 000 m3/s且持续时间大于5 h,含沙量大于400 kg/m3且持续时间大于3 h;龙门断面平均河床高程达到380.0 m以上。黄河龙门“揭河底”洪水对河床具有强烈的冲刷作用,冲刷深度较大,对河道形态调整同样具有很大影响。     

基于洞庭湖水沙模型的荆南三河冲淤变化研究

荆南三河起于荆江河段,水沙情势受上游来水来沙条件影响较大,荆南三河冲淤变化研究有助于认识洞庭湖地区防洪形势和江湖关系的演变。本文构建了洞庭湖水沙数值模型,计算了三峡工程运行后荆南三河各河段的冲淤变化,并结合实测冲淤数据探究了影响荆南三河冲淤的因素。计算结果表明,三峡工程运行后荆南三河河道发生普遍冲刷,冲刷趋势短期内不会变化,但冲刷强度逐渐下降。三峡工程运行后,荆南三河口门分流量、分流比和分沙比均无明显趋势性变化,分沙量大幅度减小,清水下泄改变了荆南三河冲淤状态。此外,采砂对荆南三河冲淤也有重要影响。     

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。     

黄河冲淤特性"相对清水冲刷、相对浑水淤积"

本文回顾总结了以往对黄河干支流河道冲淤特性的研究情况 ,利用所提出的冲淤临界流量与含沙量的关系与渭河下游、黄河下游进行了对比。以此为基础 ,勾画出了黄河干支流冲积河道“相对清水冲刷、相对浑水淤积”的物理图景 ,提出了多沙河流“相对清水冲刷、相对浑水淤积”的冲淤特性     

黄河干支流洪水冲刷初步研究

本文在高含沙洪水冲刷规律探讨的基础上,进一步对黄河干支流洪水冲刷河床的力学机理进行了分析,建立了非恒定水流冲刷深度与来水来沙与河道边界条件的关系,并用黄河干支流资料进行了讨论与验证,该公式为无量纳形式,考虑因素简单,计算方便,适用于所讨论区域的低含沙与高含沙洪水主槽的冲刷问题,可以估算供水时主槽的最大冲刷深度。     

黄河大柳树河段水流运动与河床冲淤特性精细实测数据初析

拟建的大柳树水利枢纽坝址位于黄河上游干流黑山峡峡谷出口处,控制黄河流域总面积的33.6%,总径流量的58%,总输沙量的10%,水多沙少,水资源开发条件优越。本文利用声学多普勒流速剖面仪、RTK和激光粒度分析仪等先进测量仪器,对黄河大柳树河段连续弯道中19个典型断面的三维流速、水深、河床高程、岸边水位、粒径等进行了实测。对黄河大柳树河段建库前的水流运动、泥沙输移、河床高程等问题进行研究。分析了各断面垂线平均流速、泥沙粒径和河床高程变化情况,并探讨了天然弯曲河道水流运动与河床冲淤变化之间的关系。结果表明,利用声学多普勒流速剖面仪能较好的测量天然河道流场、河床高程等,其测量成果可为科学管理、工程建设和运行大柳树水利枢纽提供基本资料。     

2011年汉江秋汛期两江交汇口超常淤积成因

汉江是长江中下游唯一直接入汇干流的大型支流,2011年9月汉江秋汛期间,汉江入汇口附近的长江汉口河段出现历史最大规模淤积,严重影响航运。本文通过三峡水库蓄水前后的实测水文地形资料对该现象成因进行探析。结果表明:汉江入汇口附近的超常淤积,固然与秋汛期支流来流量较大有关,但其更主要的原因是长江干流水位较历史同期严重偏低,两相组合之下导致了支流汇流比达到了近40年来的最大值,从而在汉江下游近河口段引起比降、流速增大以及剧烈河床冲刷,在汇流口附近的长江干流导致回流缓流区范围增大。该现象很可能与三峡水库汛后蓄水有关,未来时期该河段淤积频率、幅度将可能加大,其碍航效应值得重视。     

都江堰内江河段河床冲淤规律研究

都江堰枢纽区的河床冲淤变化对工程的维护和分流分沙及都江堰灌区的引水和风栖窝的淘淤都具有重要的作用。内江河段进口段的冲淤幅度较大而中下段较小，河床冲淤频繁，淘淤的作用有限。河口河段与水文站河段的冲淤变化为负相关，反映出卵石缓慢运动的滞后影响。水文站河段与卧铁河段的冲淤变化为正相关，内江中下段的挟沙力与输沙量之间基本平衡。河段的冲刷量随综合作用力的增加而加大。1977年的洪水使河口断面的主槽从左变到右而产生滩槽交替，18-1断面为过渡段，以下的五个断面没有明显的冲淤变化，说明该河段的形态基本稳定。本文的研究结果为都江堰水利枢纽的长期安全运行提供了科学依据。     

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。