不同治理模式下黄河下游水沙运行机制研究——“黄河下游滩区生态再造与治理研究”之二

通过建立黄河下游花园口至艾山河段二维水沙模型,采用实测资料分析和模型计算等多种手段研究黄河下游水沙运行机制。黄河下游宽河段以艾山为卡口形成平原水库,当发生漫滩洪水时,水流进入滩区,泥沙大量落淤,而后清水退入主槽,既减轻主槽淤积甚至产生"淤滩刷槽"效果,又减少了艾山以下窄河段的洪峰流量和泥沙淤积,是黄河下游防洪减淤体系的重要组成部分。受滩区人类活动和来水来沙等因素影响,现状河道存在漫滩水流顶冲堤防、顺堤行洪以及滩槽水沙交换不畅等问题,中小洪水期间河道淤积的泥沙90%以上分布在主槽和嫩滩,即使大洪水期间滩区构筑物影响减弱,仍有约50%淤积量分布在嫩滩;滩区防护堤方案缩窄了河道,客观上减少下游河道淤积7%~30%,但是加大了大洪水期间嫩滩淤积量;生态治理方案实施"高滩"淤筑和"二滩"再造,消除了"二级悬河"和滩槽横向倒比降,实现了洪水自然漫滩,减少下游河道淤积20%~50%,嫩滩淤积减少幅度更大,有利于遏制"二级悬河"形成。     

黄河下游滩区补偿政策研究

黄河下游滩区补偿政策研究是黄河水利委员会为解决黄河下游治理方略和确保滩区群众生产之间矛盾而设立的专项研究,研究成果已于2005年10月通过验收。该研究选取“96·8”洪水、2000年调水调沙和2003年防汛漫滩村庄及部分“落河村”进行调查,依据2002年颁布实施的《蓄滞洪区运用补偿暂行办法》,结合黄河下游滩区情况,确定了黄河下游滩区淹没补偿范围。     

滩区工程对黄河下游漫滩水流的影响分析

黄河下游滩区工程在控导水流、保护两岸滩区安全方面发挥了重要作用,但也对河道形态和行洪能力产生了重要影响。通过对历史典型漫滩洪水分析,研究了滩区工程对黄河下游漫滩水流的冲淤变化影响,提出了加强滩区工程建设管理、减小河道行洪负面影响的建议。     

河道生产堤对洪水影响的二维数值模拟研究

河道主槽两侧修建的生产堤影响滩槽泥沙横向交换,对河床演变带来很大影响。本文针对黄河下游游荡型河段的现实状况,采用平面二维水沙数学模型按现状生产堤、废除生产堤、限制生产堤三种条件进行了典型洪水的模拟,模拟计算给出了夹河滩-高村河段不同边界洪水演进、漫滩的过程及滩区淹没程度。作者分析了三种不同边界条件对洪水水位、河段流速、滩槽冲淤的影响,表明废除生产堤使洪水提前进滩,与现状生产堤状态相比大大降低了河道洪水位;限制生产堤方案可以适当控制漫滩流量,扩大滩槽泥沙横向交换,改善滩区生产条件。为了维持黄河河槽活力,协调人河关系,抑制二级悬河发展,限制下游河道生产堤治理方案是比较适宜的。     

黄河下游滩区防洪减灾分析

黄河下游滩区建设开发与防洪问题相当复杂，随着经济社会的发展，小浪底水库的投入运用，黄河下游控导工程的逐步完善，国家对黄河下游防洪问题提出了更高的要求，滩区治理开发和黄河下游防洪的矛盾日益突出。通过对黄河下游滩区的形成原因及典型洪水漫滩情况及灾情分析，提出了五种滩区防洪减灾措施，即引洪淤滩、滩区安全建设、补偿政策、堆沙筑堤修建第二道防线和建设软约束林带导流工程等。     

黄河下游二级悬河段河势及漫滩模型分析

结合实体模型试验,在洪量和沙量不变的情况下,对概化处理后不同量级洪水条件下黄河下游二级悬河段的水沙过程进行了研究。结果表明:随着洪峰流量加大,进入滩区的水量也随之增大,其漫滩范围和落淤厚度有逐步增大的趋势,但漫滩洪水基本流路无大的变化;漫滩洪水的水流交换模式包括在三角形滩区内完成的淤滩刷槽交换模式和水流漫滩后通过较长距离条形滩区落淤后回归主槽的交换模式。     

黄河漫滩洪水滩槽水沙交换模式研究

根据黄河下游漫滩洪水演进的特点,分析了滩槽水沙交换的基本模式和淤滩刷槽机理。结果表明:①滩槽水沙交换分为条形滩区交换模式和三角形滩区交换模式两种;②滩地淤积比与漫滩系数呈正相关关系,减少来沙量和增大洪峰流量皆可获得较好的淤滩刷槽效果。     

黄河下游滩区洪水风险分析及减灾措施研究

黄河下游滩区洪水漫滩灾害频发,作为防洪非工程措施的洪水风险分析对于指导黄河下游滩区实施防洪减灾措施有着重要的意义。针对黄河下游滩区呈现“二级悬河”的不利局面及下游洪水泥沙含量大的特点,采用基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型分量级计算相关洪水风险信息。根据洪水风险分析结果,制定滩区居民迁安救护方案,编制了不同量级洪水淹没下的滩区洪水风险图,增强滩区居民风险意识及应急避险撤退能力。提出了相关减灾应对措施,有着显著的防洪减灾效益。     

对黄河河南段滩区防洪运用补偿政策的思考

分析了黄河河南段滩区的洪水灾害及其影响，指出滩区受灾的主要原因有：①河槽萎缩，洪水漫滩几率增大；②输沙水量大幅度减少，河道严重淤积；③滩区安全建设不能满足防洪需要；④管理措施不落实。同时对滩区在黄河下游防洪中的地位及作用进行了分析，提出了黄河河南段滩区防洪运用补偿政策的建议：①将黄河河南段滩区作为蓄滞洪区进行管理；②滩区应享受补偿政策；③建立洪水风险管理机制。     

黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽及淹没风险研究

黄河下游漫滩洪水具有较强的塑槽作用,同时存在较大的淹没风险。通过实测资料分析、实体模型试验和数学模型计算,对黄河下游大漫滩洪水淤滩刷槽作用及淹没风险进行了初步探讨。研究表明:对于漫滩系数大于1.5的实测大漫滩洪水,主槽冲刷量一般是滩地淤积量的0.35~0.80倍。在漫滩系数小于2.5时,主槽冲刷量增加不明显,但滩区淹没面积及淹没损失增加显著;在漫滩系数大于2.5时主槽冲刷量明显增大,其滩地淹没面积达到最大,淹没损失增加缓慢。     

黄河下游中常洪水调控指标

从塑槽径流条件、水流动床阻力、河道整治、滩区及防洪等方面,论证了未来黄河下游主槽目标过流能力采用4 000m3/s左右的合理性,提出了黄河下游发生明显淤滩刷槽的临界流量。同时,根据不同量级洪水河道的冲淤特点,提出了小浪底水库控制下游流量、含沙量指标。即在目标主槽过流能力条件下,控制漫滩洪水流量不低于6 000m3/s,含沙量不大于250-300kg/m3;小漫滩洪水和非漫滩洪水,尽量按流量2 300-4 000m3/s、含沙量20-50kg/m3的水沙搭配控制,避免出现4 000-6 000m3/s8、00-2 300m3/s两个量级的洪水过程。     

黄河下游河槽萎缩与防洪

河道的形态是在一定边界条件下来水来沙过程长期塑造的结果，通过定性分析探讨了河道滩槽结构形成的机理，证明了天然河流中滩槽稳定结构是洪水与枯水长期作用的动态平衡结果，来水来沙条件的趋势性改变将导致滩槽结构的改变，在一定条件下甚至出现无明显主槽的局面，一些季节性河流的例子进一步证实了这种推论，从黄河下游这些年河床变化的特征分析，如不能有效改变长期断流和主槽泥沙淤积状况，大堤约束较小的河南河段也有向无明显主槽的完全游荡性河流变化的趋势，顺堤行洪，大堤偎水的频率将大大增加，从防洪减灾角度出发，提出了黄河下游今后河道治理可能主要在于来水来源的合理调度，河道河势控制工程的管理和滩区防洪减灾软环境的建设等几个方面。     

黄河下游河道萎缩过程中洪水水位变化研究

采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,研究了河道萎缩过程中黄河下游洪水水位的变化特征与变化机理。研究结果表明:1986年后,黄河水沙过程变异,下游河道严重萎缩,洪水起涨水位显著升高,洪水上涨过程中水位涨率明显增大,滩槽水位变化不一致性增强。洪水起涨水位的升高主要是河道萎缩过程中主槽持续淤积抬高所致,起涨水位的升高对洪峰水位抬升幅度影响大,而行洪过程中黄河下游宽河段强大的断面调整功能极易造成洪水水位的陡涨猛落,其影响也不容忽视。通过引入洪水水位涨率特征参数θ,建立了θ与黄河下游河道主槽宽度、滩槽糙率比、排沙比等因素的定量关系,结果显示,黄河下游河道萎缩过程中,输沙能力降低,主槽宽度大幅度缩窄,滩地阻力明显增大,均会导致洪水水位涨率增大。以谢才公式为基础的理论分析进一步证明,黄河下游河道洪水水位涨率与河道萎缩具有非线性响应关系,河道萎缩越严重,洪水水位涨率增大的幅度越大。     

大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区安全

在大洪水期行洪滞洪沉沙是黄河下游宽滩区的主要功能之一。近十几年来,随着黄河水沙的变化和小浪底水库的建成运用,对宽滩区运用方式的争论更为激烈,却一直缺乏系统的对比研究。为此,黄科院利用小浪底至陶城铺河道实体模型,采用2013年汛前地形,开展了黄河下游宽滩区是否修建防护堤两种不同运用方式下,大洪水期的洪水演进试验,通过对比分析不同运用方式下的下游河道在冲淤演变、洪水位变化和滩区防洪安全等方面的问题,探讨了大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区的安全形势,以期为黄河下游河道治理措施的决策提供科学的参考依据。结果表明,宽滩区修建防护堤后,中常高含沙洪水条件下主槽淤积量小于不修防护堤方案,大洪水条件下主槽冲刷量大于不修防护堤方案,说明主槽过流能力和输沙能力均有所增大。但是,修建防护堤后的嫩滩淤积量,两种洪水条件下均呈现出明显大于不修防护堤方案,河道的横断面形态和"二级悬河"形势均有所恶化。同时,由于目前地形条件下夹河滩以上河段主河槽过流能力达到了6 000m3/s,洪水向下游的演进速度和水量明显增加,导致高村以下的洪水位比不修防护堤时显著提升,增大了高村以下河段的防洪压力,滩区的防洪安全受到严重威胁。     

黄河下游游荡型河段洪水演进与河床变形过程的数值模拟

黄河下游游荡型河段的河床变形过程相当复杂，横向变形尤为突出，现有水沙数学模型一般仅能模拟河床纵向冲淤，不能模拟滩岸横向冲刷与崩塌，本文将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷的力学模型相结合，建立河床变形的平面二维混合模型。然后以黄河下游花园口至夹河滩的游荡型河段为例，采用该混合模型，首次较为全面地模拟了1982年汛期的洪水演进与河床变形过程。沿程最高水位、出口断面流量过程等计算值与实测值符合较好。计算结果还表现为大水时主槽冲刷，滩地淤积；小水时主槽淤积，滩地崩塌。该计算结果与游荡型河段的年内冲淤变化规律一致。     

论"稳定主槽、调水调沙"的治河方略

随着人们对黄河泥沙输移规律认识的不断深入，治黄方略或主张也在不断地更新。微弯整治基于多年游荡河道的防洪抢险经验，其能达到减小游荡范围的治理目标，但主槽没有稳定；双岸整治方案是基于窄深河槽洪水期具有很强的输沙潜力与泄洪能力。小浪底水库投入运用后，必须形成稳定的主槽才能保证防洪的安全，提高河道的输沙能力，从而达到更好的减淤目的；洪水漫滩机会减小了，才能使黄河滩区人民与自然和谐相处。因此，主张束水输沙，认为“稳定主槽、调水调沙”的治河方略符合当今黄河的实际。     

Two-Dimensional Composite Mathematical Alluvial Model for the Braided Reach in the Lower Yellow River

Abstract

The fluvial processes are considerably complicated in the braided reach of the Lower Yellow River, and the lateral or transverse channel deformation process is especially pronounced. The state-of-the-art of simulation techniques for the channel deformation in the Lower Yellow River was analyzed in this paper, and such a conclusion was drawn that existing mathematical alluvial models only can simulate the longitudinal channel deformation and cannot simulate such the lateral deformation as lateral erosion and failure of bank. Then a new two-dimensional (2D) composite model was developed herein, consisting of a 2D flow and sediment transport submodel and a riverbank-erosion submodel. This model not only can simulate the longitudinal and lateral channel deformations, but also can be used to simulate the fluvial processes of natural alluvial rivers with complex bed morphology. Through using the proposed composite model, the flood routing and channel deformation processes during the August 1982 flood were simulated. The maximum stage along the reach and the discharge hydrograph at the outlet so obtained were in good agreement with the observed data. Simulated results of the channel deformation processes showed that during the flood season, the main channel scours and the flood plain deposits; during the dry season, the main channel deposits and banks of the floodplain retreat due to lateral erosion by the flow and failure under gravity. Such results accord with the annual varying law of bed scouring and deposition in the braided reach.     

黄河下游洪水期断面调整对过洪能力的影响

水位表现是水流与河床边界相互作用的客观反映。对于不同的河流二者所起的作用各不相同，一般河流，河床变形不显著，水位主要依赖于流量的大小而变化；而像黄河这样的多沙河流，周界变化迅速，尤其是洪水期，槽冲滩淤，涨冲落淤，断面调整对水位影响很大。文中从定性到定量对中低含沙量的各级洪水，主槽冲刷对过洪能力的影响进行了详细分析，成果对防洪有指导意义。     

黄河水沙变化与下游河道改造

20世纪80年代中期以来,进入黄河的水沙量及其过程发生了重大变化,潼关水文站水量和输沙量大幅下降,已由1919~1959年期间的平均水量426亿m3/年、输沙量16亿t/年下降到2000~2012年的231亿m3/年和2.76亿t/年,随着黄河上中游水土保持和生态建设的持续开展,预计未来50~100年潼关站年平均水量和输沙量将逐步稳定在210亿m3/年左右和3亿t/年左右。水沙变化关系到治黄方略的制定,关系到黄河的长治久安。为了顺应黄河水沙的变化,确保黄河防洪安全,实现下游河道不改道、河床不抬高的治理目标,本文提出了新的水沙条件下黄河下游河道治理的总体思路是:改造河道、解放滩区。具体措施包括:稳定主槽、缩窄河道、完建堤防、治理悬河、滩区分类。建议深入研究下游河道改造的方案与河道缩窄的可行性及其影响,为黄河下游河道改造提供科技支撑。