近期黄河下游河道演变研究

１９８６年以来黄河上游出现历史上少有的枯水少沙系列，在这一条件下，下游澡道主槽发生严重淤积，河槽萎缩、排洪能力下降；现有的河道整治工程不能有效地控制河势，畸形河弯发展，河势不断上提等新问题，危及堤防安全。本文详细分析了近期水沙及河道演变规律，并探讨了造成水沙条件发生巨大改变的主要原因和水利水电开发对下游河道冲淤演变的影响。     

国外典型水利枢纽下游河道冲淤演变特点

水利枢纽的修建将引起下游河道水沙条件的变化,尤其是水利枢纽对河流泥沙的拦蓄作用,打破了下游河道原有的相对平衡状况。为适应新的水沙条件,河道将发生冲淤调整,导致下游河势、河型变化,对下游河道的防洪及航运等产生较大的影响。对国外典型水利枢纽修建后下游水沙条件变化特点、下游河道的冲淤演变特点、河势与河型的变化等进行了分析研究。研究结果表明:水利枢纽修建后,下游河道普遍具有冲刷降低的趋势,下游河道的冲淤变化、河势及河型的变化受河岸与河床组成、河道平面形态及水库运行方式等多因素影响。     

黄河下游河湾平面参数特性及其实验研究

以黄河下游,尤其是游荡型河段的研究资料为背景,通过模型试验,在分析河势变化过程的基础上,运用数学统计与理论探讨,研究了不同水沙条件下河湾中心角、河湾半径和河湾跨度的变化趋势,初步揭示了随水沙、比降条件的改变,河势的变化过程,总结出河流在边界条件改变后河势演变的特点,对预测河道演变趋势,有效地河道整治具有一定的意义。     

黄河下游畸形河势演化规律及其整治措施

借助实测资料及模型试验研究成果,分析了黄河下游畸形河势的形成条件、发展过程、持续时间及易发河段等演化规律,提出了畸形河势的整治措施。研究表明:畸形河湾是黄河下游特定水沙及河道边界条件下形成的特殊河湾流路,其形成条件受河床的可动性、河床泥沙组成及水沙条件等影响,畸形河势具有一定的发展过程、持续时间和易发河段等特点,通过控制裁弯的裁弯比、开挖断面、入流角度及水沙边界条件等关键技术指标,可以实现整治畸形河势的目的。     

水沙变化条件下黄河下游连续弯段水流特性研究

小浪底水库建成后,黄河下游水沙条件及边界条件发生了显著变化。在这种新的来水来沙和边界条件下,下游河道河床及河势必定发生新的演变趋势。本文选取黄河下游伟那里至大田楼之间典型连续弯段为研究对象,采用Delft3D数学模型对水沙变化条件下弯曲河道中的水流形态进行模拟。结果表明:纵向垂线平均流速在沿程及沿河宽方向均发生显著变化,且在弯段的不同部位水流形态也不同,此外弯道中边滩和深槽的存在进一步加剧了流速分布的不均匀性,使得流速重新分布;弯道中水动力轴线的变化规律与不同量级的流量密切相关,大流量和小流量时,主流线变化规律有所不同,这对河床演变具有重要影响。     

黄河下游“驼峰”河段来水来沙条件和不平衡输沙特性研究

黄河下游特殊的来水来沙条件和独特的地理环境使高村-艾山河段成为了典型的“驼峰”河段。利用黄河下游各水文站1990-2020 年的水沙实测资料,重点分析了黄河下游花园口-高村、高村-艾山河段来水来沙情况和断面形态特征,并通过黄河下游不平衡输沙率公式,建立排沙比与河道来沙系数、河相系数之间的函数关系。结果表明：小浪底水库投入运行后黄河下游“驼峰”河段来沙量急剧减少。在此基础上构建了黄河下游排沙比与淤积量之间的数值关系,并进一步建立了排沙比与来沙系数、河相系数之间的幂函数公式,该公式可以根据黄河下游河道来水来沙条件和河道断面形态等参数更加准确地计算出下游各河段的冲淤变化情况。     

黄河下游整治工程续建后对河势控导效果影响

随着小浪底水库的投入运用,进入黄河下游的水沙条件发生很大变化,因部分河道整治工程与新的水沙关系不匹配,下游河势极易发生调整,使得现有流路与规划流路不一致,一些河段出现畸形河势。通过开展黄河下游河道综合治理工程推荐方案模型试验研究工作,来检验工程续建后对河势的影响。对比工程现状方案和拟建方案的试验结果发现,拟建方案不利河势的调整部位较现状方案多,拟建方案有利于河势向规划流路调整,河势基本稳定。     

黄河宁夏段近期水沙变化及河势演变分析

为研究黄河宁夏段水沙关系和河势演变,通过实测数据分析了近年来该河段水沙变化的特点,结合1993—2015年该河段地形图测绘及大断面套绘分析评估了河势状况。结果表明:黄河宁夏段水沙关系主要表现为水沙量大幅减少、年内水量的分配比例变化较大、来沙系数变化较大等特点。近年来,黄河宁夏段岸线有了较大变化,仁存渡以上河段河岸逐渐变窄,主槽摆动不大;仁存渡以下河段,河岸趋于展宽,主流摆动剧烈。从河相关系变化来看,下青段河相系数变化不大,断面仍保持较为窄深的状态,青石段河相系数总体上呈现逐年变大的趋势,主槽逐年淤高,断面更趋宽浅。2011—2012年,2012年洪水使得河道冲刷,断面变深,致使下青段和青石段河相系数均减小。从滩槽关系变化来分析,滩槽差在1~2 m之间是主槽偏移位移较大的区间,滩槽差越大,主槽偏移位移越小,河势越难摆动。     

黄河下游游荡型河段河势演变规律

阐述了黄河下游枯水少沙系列、丰水少沙系列河势演变情况,指出了河势演变的特点,并总结了河势演变基本规律：①河势自然演变的程度同来水来沙变幅成正比;②河床的可动性决定河势演变的剧烈程度;③主流线的弯曲系数、弯道半径自上而下呈增大趋势;④河势的演变具有关联性,具体表现为＂一弯变、多弯变＂;⑤主流线有＂小水坐弯、大水趋直＂的特点;⑥节点及人工边界对河势的演变具有限制作用。     

黄河下游河道水沙变化与纵横向演变特征

采用实测资料分析的方法,探求了黄河下游河道水沙变化与纵横向演变特征。结果表明,黄河下游纵横向演变规律的研究,经过长期的探索,已取得了大量成果。但随着人类活动对流域系统干预程度的不断增大,特别是小浪底水库的运用和黄土高原大规模生态环境建设都将显著地改变进入下游的水沙条件,将对21世纪黄河下游河道治理产生深远的影响。因此,研究水沙变化条件下黄河下游河道纵横向演变规律是预测黄河下游河道演变趋势的前提,同时为小浪底水库初期运用下游河道治理提供技术支撑。     

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。     

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。     

从黄河下游"92.8"洪水看游荡性河段高含沙水流的河床演变特性

黄河下游花园口92.8洪水属于含沙量中等偏高的高含沙水流，洪峰也只是常遇流量级(6260m     

基于经验模态分解方法和信息熵的水沙关系研究

为研究黄河中游水沙关系及其细部演化特征,利用黄河中游控制性水文站——潼关水文站1919—2015年实测径流量和输沙量资料作为研究数据,采用经验模态分解方法分析径流和泥沙随机变化的复杂性,并运用信息熵理论计算不同时间尺度上径流和泥沙分解序列及原始序列的熵值、径流与泥沙各分量与其原始序列之间的互信息、径流与泥沙之间的互信息。结果表明:潼关水文站径流量与输沙量变化具有显著下降的趋势;径流量和输沙量在一定程度上表现为某种同步变化关系;径流量与输沙量的长周期分量及趋势项互信息较大,因此水沙关系宜采用长周期研究,趋势项分量数据信息阐述原始序列数据信息比较可靠。     

对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

选取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及规划设计的未来50 a水沙系列,利用黄河下游一维水沙数学模型,模拟计算了对口丁坝双岸治理方案下黄河下游河道在3种水沙系列条件下的冲淤状况。结果表明,游荡性河段采用对口丁坝方案整治后,输沙能力得到了提高,该河段多输送的泥沙一半以上输送到利津以下,其余部分淤积在高村—利津河段,其中淤积以高村—艾山河段为主,艾山—利津河段的冲淤情况与现状相比变化不大。     

黄河水沙变化与下游河道治理思考

由于黄河水沙条件的不利变化，黄河下游出现了小水大灾和长期断流，三门峡水库“蓄清排浑”运用经验的局限性表现得更为突出。从黄河下游河道输沙，防洪和水资源充分利用出发，小浪底水库应采取泥沙多年调节的运用方式，枯水，平水年蓄水拦沙运用，丰水年洪水期集中泄空冲刷产生讷和洪水，塑造窄深河槽，改造高村以上宽浅河道，利用窄深河槽输送较高含沙洪水入，，经多方案计算结果比较分析表明上述方案减淤效益显著，并可大量节省输     

黄河下游弯曲型河道挖河减淤机理的试验研究

本文在概化模型试验的基础上，对不同挖槽尺寸及水沙条件下黄河下游弯曲河段的疏滩挖槽特性进行了研究。在一般情况下，挖槽尺度越大，挖槽上游流速增幅、控槽段流速减幅、溯源冲刷量、挖槽回淤量越大，但挖槽回淤率及挖槽效率却不是随着挖槽尺度的增加而单调增加的，对于本次试验条件而言，当挖槽河相关系处于5－8之间时，挖槽效率相对较高。在挖槽尺寸一定的情况下，流量的增加或含沙量的减小将导致挖槽上游段溯源冲刷量的增加和挖槽回淤量的减小，而泥沙粒径的减小有利于促进溯源冲刷的产生，并抑制回淤量的增加。     

黄河下游高含沙水流基本特性与输沙能力

采用理论研究和实测资料分析方法对黄河下游高含沙水流的基本特性进行了系统分析,得出黄河下游高含沙水流多属于两相非均质流,与一般含沙水流具有相同的运动规律的结论。采用达西阻力公式形式,给出了适用于黄河下游高含沙水流的悬移运动阻力坡降及推移运动阻力坡降计算方法。黄河下游高含沙水流经常处于不平衡输沙状态,这种不平衡输沙条件下的河段排沙比大小不能反映平衡输沙条件下的河段输沙能力。因此,探讨了河段纵坡J、横断面参数M及泥沙粗细组成对输沙能力的影响,给出了以河道形态参数表达的河道输沙能力关系。分别以花园口河段和艾山河段为代表分析了黄河下游上、下河段输沙能力大小的沿程变化,发现相同流量下,上段河道输沙能力为下段河道的1.3~1.4倍。本文成果对研究黄河下游高含沙洪水处理对策及水库调水调沙运用的效果具有一定理论意义和实际价值。     

黄河小北干流河道冲淤演变规律研究

通过分析实测资料,探讨了黄河小北干流近几十年来的水文系列特点及河道冲淤演变规律,指出小北干流河段汛期淤积,非汛期冲刷,呈累计淤积状态。研究了河道冲淤量对来水来沙的响应关系,汛期冲淤量主要与汛期水量和沙量有关,非汛期冲刷量主要与非汛期水量正比。本文还建立了预测汛期冲淤量的BP网络算法,给出了小北干流河道不同来沙量时的合理输沙水量。     

小浪底水库运用前后黄河下游河道河型变化及成因分析

利用实测资料分析、理论判别和分形维数计算等方法,以黄河下游铁谢—伊洛河口、花园口—黑岗口和夹河滩—高村三个典型游荡性河段为研究对象,分析其1960年以来的主流摆幅、弯曲系数和主河槽宽深比等河势参数变化,以及小浪底水库修建前后下游游荡性河段的河型演化过程。结果表明,自20世纪90年代初,除花园口—黑岗口河段仍表现为游荡河性外,其他两个河段因整治工程不断完善其游荡性均有明显减弱,河型趋于限制性弯曲方向发展。自1999年10月小浪底水库拦沙运用以来,三个研究河段的整体游荡程度显著减弱,河势趋于规划流路方向发展,特别是夹河滩—高村河段河势基本稳定。小浪底水库长期下泄低含沙小流量过程,水流动力减弱,加之不断完善的河道整治工程,是河势游荡程度显著减小、河势归顺及河型发生变化的主要原因。