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。     

黄河下游水沙条件对河道冲淤的影响

根据1950年以来黄河下游河道实测水沙资料,分析了黄河下游河道汛期淤积比与小浪底站径流量、输沙量、平均流量、平均含沙量和采沙系数的关系;根据2002-2008年小浪底水库8次调水调沙期间的实测数据,进一步分析了调水调沙时黄河下游河道水沙条件对河道冲淤的影响.结果表明:黄河下游河道汛期淤积比随小浪底站径流量或平均流量的增大而减小,随小浪底站平均含沙量或来沙系数的增大而增大;调水调沙期间下游河道均发生了冲刷,河道淤积比随来沙量、出库平均含沙量和来沙系数的增大而增大,随出库径流量和洪水历时的增大而减小;2007年汛后小浪底出库调控流量为3 600 m3/s、舍沙量为40 kg/m3时,下游河道基本达到冲淤平衡.     

黄河下游洪水的输沙效率及其与水沙组合和河床形态的关系

以1950-1985年间274次洪水的资料为基础,对黄河下游洪水的输沙效率进行了研究,查明了场次洪水排沙比随流量变化的3个临界点。同时还发现,当场次洪水平均含沙量小于34.02kg/m3时或当来沙系数小于0.01kg.s/m6时,下游河道可以不淤。黄河下游游荡段排沙比最小,过渡段次之,限制性弯曲段最大,可见窄深河段的输沙效率要高于宽浅段。上述3个河段处不冲不淤状态时的临界含沙量依次增大,证明窄深河段可以在含沙量较大时保持临界不冲不淤状况。     

黄河下游断面法与沙量法冲淤计算成果比较及输沙率资料修正

由于黄河下游各站实测输沙率资料普遍存在漏测现象及部分测次单断沙关系代表性差等原因,造成断面法与沙量平衡法计算冲淤量在一些河段存在着定量甚至定性上的差别,以花园口以上和高村至艾山两河段表现最为突出。研究表明,黄河下游断面法冲淤量不存在累积性误差,它可以真实反映不同阶段泥沙在河道纵横向的沉积量及其随时间的变化过程;而沙量平衡法计算冲淤时在一些河段则存在明显的失真现象。野外观测的输沙率资料是研究洪水期泥沙调整与水沙间关系、深化河床演变基本规律的基础,为此有必要对输沙率资料进行修正。输沙率修正的主要是在爱因斯坦全沙计算结果分析的基础上,建立输沙率修正系数与实测含沙量间的关系,修正后的输沙率资料基本能反映黄河下游各河段的实际冲淤情况。     

黄河水沙关系协调度与骨干水库的调节作用

提出了水沙关系协调度的概念,认为黄河协调的水沙关系是指长时段内维持下游河道(主槽)不淤或微淤的水沙搭配过程。黄河下游冲淤平衡临界来沙系数是0.01 kg·s/m6,采用来沙系数和冲淤平衡临界来沙系数相对关系建立了黄河水沙关系协调度表达式。当水沙关系协调度大于1,说明某断面来沙系数大于河道冲淤平衡临界来沙系数,河道呈现淤积状态,水沙关系不协调;反之,当水沙关系协调度小于1,说明水沙关系协调,且数值越小说明协调程度越高。小浪底水库拦沙和调水调沙提高了水沙关系协调程度,减轻了下游河道淤积,但是小浪底水库拦沙库容淤满后,黄河下游的水沙关系会变为不协调,河道仍将处于淤积状态。     

黄河下游河道洪水冲淤临界水沙条件的研究

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,根据非饱和输沙理论导出了河段排沙比与水沙系数关系,通过1960～1999年422场次洪水资料的统计分析,建立了黄河下游各河段的冲淤临界水沙条件,该水沙条件包括了洪水平均流量、含沙量,给出了黄河下游花园口以上、花园口～高村、高村～艾山、艾山～利津4个河段在不同三黑小(三门峡、黑石关和小董3站)水沙组合情况下的冲淤关系,该临界水沙条件可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

黄河下游河道均衡输沙关系研究

黄河下游河道不同的河道特性造就了河道冲淤演变的不均衡发展,本文以1960-1999年黄河下游水沙资料为基础,应用统计方法对黄河下游不同量级洪水与不同含沙量洪水的输沙规律进行了分析,提出了实现均衡输沙的水沙条件。结合实体模型试验资料对小浪底水库拦沙后期,黄河下游河道的冲淤演变趋势进行了预测,指出在后期运用过程中应注意上、下游河段输沙的均衡发展。     

黄河下游汛期平水期河槽冲淤调整分析

对黄河下游汛期平水期的水沙特点及其对河槽冲淤调整的影响进行了分析,结果表明:汛期平水期进入黄河下游河道的平均含沙量小于15 kg/m3、水沙搭配系数小于0.012 kg·s/m6时,下游河道以冲刷为主,反之则以淤积为主;从长时段看,汛期平水期下游主河槽处于淤积状态;汛期平水期进入下游的水量、沙量较少,对下游河道的冲淤影响相对较小;虽然汛期平水期冲淤量绝对值相对较小,但是其冲淤调整均在主河槽内进行,会对黄河下游防洪产生一定影响.     

黄河下游河道输沙水量的计算方法及应用

本文在以往输沙水量研究成果的基础上，从输沙机理分析着手，根据河道输水输沙实际过程，剖析径流量中各部分水量在泥沙输移中的作用，引入净水量的概念，提出了输沙水量和单位输沙水量的定义及其计算方法，根据1950～2000年黄河下游河道实测水沙资料，计算了1950～2000年三门峡水库运用不同时期黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的变化过程，分析了输沙水量和单位输沙水量与径流量、输沙量、流量、含沙量、冲淤量、来沙系数等因素的关系，得到了黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的计算公式。     

黄河内蒙古河段水沙及河床演变特性变化分析

随着黄河上游河段水库联合运用及水土保持工程的实施,内蒙古巴彦高勒至头道拐河段来沙量大幅度减少,河道演变剧烈,研究该河段演变特性变化可为河道防洪、防凌及下游河段水库调水调沙提供技术支持。为此,基于实测水沙及地形资料,并通过输沙率法结合同流量水位及典型断面变化分析了该河段水沙变化特性、河道时空冲淤分布特性及河道冲淤与水沙条件的耦合关系。结果显示,研究河段近期来水来沙总量偏少,至2018年有所增多,河道整体表现为冲刷,2012—2019年河段累积冲刷2.7亿t,其中汛期冲刷1.96亿t,河槽刷深展宽,河床高程下降,局部表现为上游冲刷下游淤积,包头上游河段冲刷量约为3.59亿t,下游河段淤积量约为0.72亿t,汛期冲淤变化比较剧烈。结果表明,来沙量大幅度减少,致使水流含沙量不能满足水流挟沙能力是河段发生整体累积性床刷的主要原因。     

小浪底水库拦沙期减淤运用方式探讨

小浪底水库运用方式不同于一般水库的特点在于它的减淤２调节，它吸取了三门峡水库的经验教训，采用逐步抬高汛期运用水位，以有利于山东河道减淤为目标，汛期调节出库流量集中于６００ｍ＾２／ｓ、２５００～４０００ｍ＾３／ｓ两级流量。洪水是黄河来沙与下游河道淤积的主体，为使水库多拦对下游有害的粗泥沙、多排对下游无害的细泥沙，可采取拦粗排细的运用方式，即根据水情预报，当出现流量大于２５００ｍ＾２／ｓ的洪水时，提前     

黄河下游水沙变化特点

本文以黄河下游河段小浪底、花园口、高村、艾山、利津水文站1950—2016年水沙资料为研究对象,通过实测资料分析与理论分析对黄河下游水沙特点进行研究。结果表明:近70年来黄河下游沿程各水文站年水沙量整体上呈现减小的趋势;水沙年际间、年内分配不均匀;1986年后下游水沙关系明显恶化,2003年后水沙关系又得到明显改善;近年来黄河下游大流量减少,小流量增多,输水输沙主要集中在1000~4000m~3/s洪水中;确定保证下游微淤甚至冲刷的来沙系数应不超过0.01kg·s/m~6。分析黄河水沙变化特点,掌握其变化规律可为缓减黄河下游水沙关系,完善治黄方略提供条件。     

黄河中下游水沙的时空调度理论与实践

利用小浪底水库不同泄水建筑物的组合，塑造一定历时、流量、含沙量及泥沙颗粒级配的下泄水流与下游伊洛河、沁河的“清水”对接，在花园口站形成协调的水沙关系，实现既排出小浪底水库的库区泥沙，又不淤积下游河道的目标。2003年9月6～18日，黄河水利委员会就该理论开展了原型试验，试验结果表明：①利用异重流排沙和浑水水库排沙的特点，达到了小浪底水库拦沙初期“拦粗排细”、减缓库区淤积的目的；②利用小浪底-花园口区间的洪水资源，将小浪底水库排出的细泥沙输送入海，并且不增加下游河道淤积，提高了水流的输沙效率；③实现了下游河道减淤与减灾的统一。     

黄河下游洪水期沙峰滞后特性研究

简要分析了黄河水沙异源的情况，指出沙峰滞后、洪峰与沙峰不同步是造成黄河下游涨冲落淤和小水大灾的主要原因。根据小浪底下游各站沙峰均滞后于洪峰的35场洪水，对沙峰滞后于洪峰的特性进行了剖析，建立了小浪底、花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、利津各河段沙峰滞后时间与上站洪峰流量、沙峰含沙量、洪水传播速度、悬移质泥沙群体沉速之间的回归方程，可以用来查补延长沙峰滞后时间，为下游各站沙峰传播时间的准确预报提供依据。     

高浓度调沙是减缓黄河下游河道淤积的有效途径

在浅析黄河下游河道淤积原因的基础上,指出高浓度调沙是减缓下游河道淤积的有效途径。为实现高浓度调沙,小浪底水库应该采用“蓄浑排清,清水刷槽;加沙造浓,高浓度输沙”的调水调沙方式,并通过“横向冲蚀”技术,来源源不断地形成高含沙水流出库。     

黄河调水调沙

黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多，水沙不平衡”，按照黄河下游河道冲淤规律，只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为协调的强大功能。小浪底水库位于控制进入黄河下游河道水沙的关键部位，该水库控制了黄河径流量的91％，控制了近100％的黄河泥沙，2002年7月4日进行的黄河首次调水调沙试验控制花园口断面流量不大于2600m^3/s，平均含沙量不大于20kg/m^3，小浪底水库泄流历时不少于10天，黄河下游河道共冲刷泥沙0．362亿t，试验达到了预期的目的。通过这次试验，共取得测验数据520万组，这为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数，试验证明，利用水库调水调沙，将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系，是有利于输沙入海、减轻下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一。     

黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

本文采用泥沙数学模型分别对小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用的20个可能运行方案条件下,黄河下游河道的冲淤过程和发展趋势进行了计算研究。结果表明,在黄河上修建大型水利枢纽工程对减轻黄河下游河道淤积,遏制河床抬升具有明显作用。结合三门峡水库运用以来的实测资料,分析了大型水利枢纽工程运用与下游河道演变的内在规律,建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系,给出了维持下游河道冲淤平衡的临界条件,为通过大型水利枢纽工程运用来减轻黄河下游河道泥沙淤积提供科学依据。     

黄河小浪底水库初期运用与下游河道冲淤的响应

根据实测资料,分析了小浪底水库初期运用(2000-2006年)期间水库淤积的特点,重点研究了水库运用对下游来水来沙条件的改变、下游河道冲刷及其特点、水库与河道泥沙冲淤的关系等等,并与三门峡水库蓄水拦沙运用期间下游河道的变化进行了对比,据此对小浪底水库运用及调水调沙提出了建议。     

小浪底水库拦沙初期调控异重流方式初步研究

小浪底水库拦沙运用初期,黄河中游来的峰高、量小、沙多又不够一次调水调沙过程的洪水(在考虑水库前期可调水量之后)入库后一般会形成异重流,且出库沙量大、粒径细,因此水库应及时排出;但如果水沙搭配不好,也会使下游河道发生淤积,且呈现沿程均淤的特点;随着排沙期平均流量的增大,全下游淤积比不断减小,并可以由淤积转为冲刷。针对这类洪水,推荐以下游河道不淤积的关系式进行水沙调控,可以在水库适当补水的情况下实现下游河道少淤甚至不淤的排沙效果。