入湖三角洲阶段性沉积演变过程实验研究

三角洲的形成演化过程是河流演变和河流地貌发展的重要组成部分。为探究入湖三角洲在阶段性水沙供给条件下其沉积演变过程的阶段性特点,本文采用物理实验的方法,以赣江三角洲年内上下游水沙阶段性变化特点为研究背景,考虑了水沙运动相似,通过控制实验三角洲上游来水来沙和下游湖水位条件,呈现了实验室尺度的入湖三角洲阶段性沉积演变过程,反映了三角洲及其水道系统对变动水沙条件的响应过程。实验过程中三角洲的阶段性沉积特点与天然三角洲年内演变特点相似,表明实验尺度下分阶段控制水沙和湖水位条件以探究入湖三角洲在自然条件下的演化规律是合理可行的。     

窄浅水域三角洲堆积体形成规律的试验研究

采用非均匀沙进行水槽概化试验,研究水流泥沙从山区进入窄浅水域过程中三角洲堆积体的形成规律。经过425h试验历时,总结如下规律,整体:堆积体先纵向推进,再垂向淤积抬高,最后横向展宽;纵向:初始历时内(0h~266h),堆积体表面以顺直和分汊河槽为主且以30h左右试验历时为周期交替出现,堆积体的前缘部分先随顺直河槽在河床中间左右摆动中进行纵向推进,待其淤积厚度与所在水深的比值达到0.8左右,纵向推进停止,引起河槽上段向两侧以分汊形式挟沙进行纵、横向输移。266h~425h内,随堆积体流程变长,纵向坡降变大,河床表面以微弯河槽为主,堆积体的前缘部分随河槽主流摆动进行纵、横向输移;堆积体的纵向推进速率随历时增加逐渐减小,最终以0.05m/h左右速率稳定推进;垂向:上段整体均匀淤积抬高,中、下段随河槽摆动在河床左侧、右侧和中间区域周期淤积抬高;堆积体的垂向抬高速率随历时增加逐渐减小,并以0.027cm/h左右速率淤积抬高;横向:随前缘体推进停止,水沙流在上段左右两侧以分流口形式,先垂直边壁方向、后在侧蚀作用下斜向边壁沿不同河槽方向进行横向展宽发展。     

溪洛渡水电站对三峡工程的减沙效益研究

通过溪洛渡水电站与三峡水库之间，400余km河道冲淤变形的多种途径研究，认识到坝下游宽级配卵石河床清水冲刷的冲刷量是有限的。悬移质基本不与床沙交换，上游水库淤积多少悬移质泥沙量，下游水库入库输沙量就几乎减少同样多的量；在上游水库推移质未出库前，下游水库入库推移质输沙量随时间增长呈递减。两库之间的河床变形不明显，河槽冲刷深度、水位下降幅度很有限，对环境影响不大。在不影响溪洛渡水电站的功能和效益的条件下，溪洛渡水库泥沙淤积后，对三峡水库的减沙效益是显著的。与三峡单库运行相比，不但减少了三峡水库淤积量，增加了词节库容，防洪库容，还降低了水库尾部洪水位，减小水库淹没损失，改善了通航条件。随着三峡上游若干大型水库不断修建，上游诸水库与三峡水库进行联合调水词沙，三峡泥沙问题将能延缓到大坝设计基准期以后出现。其前提是主要产沙区河流上拦沙能力很强的水库要尽早修建，其中最重要的就是金沙江上的白鹤滩水电站，必须加快设计，尽早建设。     

三峡水库首次蓄水对泥沙输移特性的影响

以2003年三峡库区及坝下游水文站水沙整编资料为基础,分析了水库上游来水来沙情况,并与2002年比较,讨论了不同阶段水库悬移质泥沙输移的不同特征。结果表明,在水库135m蓄水以前,库区河道微冲;蓄水期间排沙比最小,仅10%左右;两次蓄水过程后排沙比约15%左右;全年排沙比约30～40%,其中约85%左右的泥沙输移是在两次洪水过程中完成的,两次洪水过程排沙比近50%。来水来沙量大时,泥沙主要淤积在万县—大坝区间,来水来沙量小时,主要淤积在清溪场—万县区间。水库的输沙特性主要受库尾地形、水面比降、流量、含沙量等因素的影响。     

北江干流中下游水沙特性变化及建库影响

定量研究水库的拦沙效应是揭示水库对河道泥沙输移影响的关键之一。在对北江干流中下游近60年水沙特性变化分析的基础上，运用干、支流主要控制水文站实测资料，估算梯级水库拦沙量；基于Brune拦沙率方法，提出北江干流梯级水库综合拦沙率修正式，研究水库拦沙对下游河道输沙量减少的影响。结果表明：（1）与1956—1999年相比，2000—2005年石角站年径流量仅减少6.16%，年输沙量则减少39.17%。其中，干支流水库拦沙合计约142.59万t/a，约占石角站减沙量的52.34%；水土流失工程措施减沙量约占18.83%；径流量减少引起的减沙量约占5.07%。（2）采用修正式计算，现状条件下（2012—2016年），干流梯级水库综合拦沙率约为12.81%，与实测值较为吻合。（3）2006年以来，库区泥沙淤积量与采砂量基本平衡，北江干流梯级枢纽水库拦沙率将在较长时间内维持现状水平。     

黄河上游水能开发对下游水量及河道演变影响初析

河流的环境生态功能包括五个方面 ,其中最重要的是泄洪排沙的输运功能。本文以黄河的多年实测水文资料及统计分析结果为依据 ,对比分析了黄河天然情况下和上游修建大型水库及电站、水量过程受到人为控制后 ,下游来水来沙过程的变化及对泥沙输运和河道演变的影响。结果表明黄河的累积输沙最大流量迅速减小 ,高含沙浓度出现的频率增加 ,下游河道出现人为加速萎缩     

不同流量条件下弯曲河流颈口裁弯实验研究

颈口裁弯是弯曲河流演变过程的突变现象,其过程和机制尚未形成统一认识。本文采用室内水槽实验概化模型法,研究恒定流量和变化流量条件下裁弯前颈口缩窄过程、新河道形成及裁弯条件。结果表明,无论流量变化与否,颈口上、下游河岸的侵蚀是触发裁弯的主要因素。弯曲河流的模型河道的弯曲系数为6 ~ 7,颈口段宽度与河段河宽比值约0.43,河槽物质为非黏性沙,在单宽流量为0.0039 ~ 0.0069 m2/s,纵比降为1‰的条件下,经历足够长时间的河岸侵蚀后可发生颈口裁弯现象。裁弯即将发生时,连续河湾弯曲系数有所增加,河道的平面形态向下游发生旋转。颈口裁弯后,新河道形成经历以纵向冲刷为主、以横向展宽为主和缓慢发展三个阶段。     

圣海伦斯火山爆发对图特河北汊河床演变的影响

受1980年美国华盛顿州圣海伦斯火山爆发的影响,图特河北汊的流域特性、水沙条件和河床边界条件均发生了巨大变化,河流的调整和响应十分迅速,为研究河流受突发剧烈扰动后的河床再调整过程提供了一个很好的范例.本文选取图特河北汉上中游14个测量断面为研究对象,收集了近30年来的水文泥沙和断面资料,对河道的垂向、横向及纵向的形态调整过程进行了全面分析.结果表明,图特河北汉在火山爆发后前3年内的调整最为迅速,后期调整逐渐减缓,并向平衡状态发展,显示了河流受到扰动后调整速率逐渐衰减的重要特征,这一特点是冲积河流自动调整的反映.图特河北汉河床的调整在空间上呈现上冲下淤的特点,河流正是通过河床上冲下淤的调整方式,使得河道比降整体不断变缓,水流能量降低,上游河道冲刷减弱,进而使河流逐渐向平衡状态发展.此外,河岸崩塌展宽也是图特河北汉调整的重要方面,上游源区段和峡谷段的河岸侵蚀主要由河床持续冲刷下切导致,而宽谷段河岸的崩塌主要是由于河道的横向摆动引起.     

水沙条件与侵蚀基准面对河流水位的叠加效应——以渭河下游为例

为探究水沙条件与侵蚀基准面共同影响下的河道水位变化特征与机理,采用极值水位-极值流量和同流量下水位分析方法,研究了近70年来渭河下游的水位变化及其成因。根据三门峡水库三个运行模式,将水位时间序列（1950—2017）划分为4个阶段,即P1（1950—1959）、P2（1960—1973）、P3（1974—2002）和P4（2003—2017）。华县水位总体为上升趋势;咸阳水位在P1和P2阶段波动,P3和P4阶段则持续下降。侵蚀基准面抬高导致渭河下游河道大幅淤积,这是华县水位抬高的主要原因;咸阳水文站受侵蚀基准面影响较小,上游来沙大幅减少导致河床冲刷,加之近期河道综合整治,促使了其水位下降。渭河下游水位在未来可能延续下降趋势。研究成果对渭河下游及类似河流管理具有重要理论与实践意义。     

从三门峡水库水沙条件变化看潼关高程

本文根据三门峡水库建库前后的水沙变化，特别是近年来沙量减少、泥沙粒径变细，以及近年来入库水量尽管大量减小，而三门峡库区河道及潼关以上相当长度范围河段比降并没有明显增加的事实，说明水沙条件变化不是导致近期潼关高程居高不下的唯一原因。分析降低潼关高程的可能性时，必须全面分析这些因素的变化。单独强调目前入库水量减少而否定潼关高程降低的可能性是不正确的。即使在1986年以后入库水量大量减少的条件下，库区、渭河下游和小北干流下段仍然属溯源淤积性质。溯源淤积的根源是下游壅水。所以，降低潼关高程的必要条件是降低三门峡水库的运行水位。     

大坡度台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是大坡度台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明:当斜坡角度为40°~60°时,水翅几乎存在于整个跌落水流范围内,甚至持续到过渡水流。随着溢洪道底坡的增大,水翅流量变化范围变小、高度增加;但是随着台阶尺寸的减小,流量变化范围缩小、高度降低;水翅的落点处,台阶面上压强明显增大。     

黄河下游水沙变化及河床纵横断面的演变

近年来，黄河下游来水来沙出现一些新的特点，水沙的变化必然影响下游河床纵剖面和横断面的调整变化。本文利用黄河下游1960-1997年的水沙资料和1977-2002年的断面资料统计分析了黄河下游水沙历年、汛期和脉动变化特点以及主槽平均河床高程和河相系数变化特点。分析表明：1）1986年以后，黄河下游水沙量和水沙脉动量显著减少，艾山以下河流非汛期时常出现断流现象；2）黄河下游纵剖面呈S型发展；3）黄河下游主槽断面面积减小。主槽明显萎缩。     

落水条件下河道水库岸坡稳定性的分析研究

针对汛后落水期河道水库边坡失稳的问题,综合考虑地下水渗透作用、静水压力、孔隙水压力等因素共同作用,采用极限平衡的方法,分析了临河水位和地下水水位差、水流冲刷作用和地下水位等对河岸边坡稳定性的影响。结果表明:退水越快,河岸越不稳定;河岸的横向冲刷和纵向冲深都会促进河岸崩塌的发生;地下水位降低,对崩岸产生促进作用。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速沿程变化研究

台阶溢洪道是目前热点的研究方向。台阶流速是重要的水力参数,为研究台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速水力特性规律,本文将将台阶式溢洪道流速与对应光滑溢洪道流速对比,引入台阶相对流速的概念。通过对26.57°、32.01°、38.66°和51.3°四组不同坡度,0.5m~2.0m不同台阶高度台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了阶顶过流断面平均流速、相对流速与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能率之间的关系。台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速与流程长度、单宽流量、相对消能率呈较为复杂的曲线关系,而相对流速和这些参数表现出良好的线性关系。单宽流量、台阶尺寸、坡度对相对流速有较大影响,单宽流量大,同一流程断面相对流速小;台阶高度高、坡度大,台阶相对流速大。相对流速和相对消能率也表现为良好线性关系,同一相对消能率,单宽流量越大,相对流速越小,对水流的阻力作用减弱。     

鄱阳湖枯水期水位变化及其影响因素量化分析

湖泊湿地在维系生物多样性、陆地表层物流平衡与生态平衡等方面有着不可替代的作用。鄱阳湖是长江中下游重要的水源地和调洪场所,独特的水文条件创造了湖区丰富的生境和生物多样性。自三峡水库运行以来,鄱阳湖水位变化显著,枯水期提前且持续时间延长,10月份水位异常偏低,严重影响了越冬候鸟的栖息地。本文采用模糊划分聚类模型,围绕天然径流变化、三峡水库汛末蓄水、地形变化对鄱阳湖枯水期10月份水位变化的影响展开研究,并量化各因素的影响大小。结果表明,湖区及长江干流径流减少是造成鄱阳湖10月水位降低的主要原因,三峡水库汛末蓄水则进一步加快了鄱阳湖水位的消落,研究成果可为鄱阳湖管理及改善枯水期湖区生态环境提供依据。     

“M”形台阶溢洪道的消能特性

随着单宽流量的增大,台阶式溢洪道的消能率逐渐降低,在大单宽流量下工程运行存在诸多问题。前人对台阶式溢洪道的研究重点多集中在台阶的尺寸、布置形式、流态等问题上,很少研究台阶本身的形式。为解决大单宽流量下台阶溢洪道的运行难题,提出了台阶形状在平面上呈"M"形的台阶溢洪道,并采用模型试验和三维紊流数值模拟的方法对比研究了"M"形台阶溢洪道和传统矩形台阶溢洪道的消能特性。研究结果表明:在较大单宽流量下,"M"形台阶溢洪道较传统的矩形台阶溢洪道掺气更充分,台阶面上负压区很小,台阶面上形成多种尺度的漩涡,水流为三元流态,消能率更高。研究成果可供工程设计和运行参考。     

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。     

弯道推移质横向输沙规律与床面平衡机理

弯道推移质运动直接影响弯道输沙特性、床面形态和河湾演变。弯道推移质输移有4个典型规律,即同岸输移远大于异岸输移、推移质成带性、形成横向底坡和床沙横向分选。归纳了5家推移质横向输沙强度公式,并选择Parker公式分析了推移质横向输沙强度与横向底坡的关系。结果表明,随着横向底坡变大,从凹岸向凸岸的输沙强度将变小,当横向底坡变大到某个临界值时,输沙强度为零;当横向底坡继续变大,推移质输移的方向发生改变,推移质将从凸岸指向凹岸的输移,输沙强度随底坡的变大而变大。弯道床面的凹岸陡坡和凸岸缓坡横向平衡机理各不相同,凹岸陡坡受泥沙水下休止角、横向环流、床沙粒径、床沙分选的制约,而凸岸缓坡主要受上游来沙、横向环流、床沙粒径、床沙分选的影响。弯道床面横向平衡机理关键在于推移质颗粒静力平衡或力矩平衡,横向床沙分选机制使得底坡必须经历反复的动态调整过程,床沙分选总是朝着减小横向底坡方向进行。     

长江上游大型水库运行对长江上游水文过程的影响

2000年后,长江上游大型水库建设进入快速发展阶段,本文分析了长江上游60多座大型水库调节下上游主要水系出口控制水文站的径流变化过程.通过长年径流系列分析,大型水库群的调节使主要水文站汛期径流略有减少,而非汛期水量有明显增加,且径流过程比较平稳,有利于流域水资源的利用.由于水库群汛前预泄,流域5月份径流增加到汛期水平;汛后水库群蓄水,下泄径流减少到枯季水平,从而使汛期提前到来,又提前结束,汛期向前平移了一个月,显著的改变了天然径流的时空分布,将给中下游防洪形势带来新变化.根据上游水库群不同建设水平,分析了三峡枢纽的调度响应.认为在保障长江上游大型水库汛后蓄水保证率的前提下,上游水库的进一步建设有利于三峡枢纽的兴利效益.