小浪底水库拦沙对黄河下游河道的减淤作用

在小浪底水库蓄水拦沙期,进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,含沙量急剧降低,中水流量持续时间增长,水库调水调沙提高了河道输沙能力,改善了泥沙淤积部位。拦沙期(1999年10月—2018年10月),黄河下游河道共计冲刷21.015亿m~3。分析小浪底水库运用以来黄河下游河道泥沙冲淤时空变化特性及水库对水沙的调控效果,对比计算有、无小浪底水库两种工况下黄河下游河道冲淤量变化及减淤作用。水库拦沙期黄河下游河道减淤比为1.373∶1,其拦沙减淤效果与水沙条件、水库运用方式及河道边界等因素有关。     

小浪底水库“拦沙后期”水沙调控运用的思考

阐述了小浪底水库对黄河下游防洪减淤的贡献和当前下游河道出现的新情况。根据三门峡水库的经验,提出在"拦沙后期"水库下泄泥沙的级配控制、扩大下游河道的输沙能力、水库高含沙调控等水库水沙调控可能遇到的挑战。建议在"调沙减淤"的理念下,制定新的水库水沙调控模式和运行方式,建立包括水库以及下游河道在内的一整套水沙调控决策系统,以尽可能地延长水库寿命和确保下游河道的长治久安。     

小浪底水库拦沙期防洪减淤运用方式研究取得多项创新性成果

<正>由黄河勘测规划设计有限公司,黄河水利科学研究院、黄委水文局等单位完成的"小浪底水库拦沙期防洪减淤运用方式研究"项目通过了主管部门组织的成果鉴定。鉴定认为.该项目基于实地调研和原型观测,运用数学模型计算,实体模型试验等技术手段,系统研究了小浪底水库拦沙期防洪减淤运用方式的关键技术,在以下几个方面取得了突破和创新:(1)首次提出了"多年调节泥沙、相机降低水位冲刷、拦沙和调水调沙"的小浪底水库拦沙后期防洪减淤运用方式,系统解决了多沙河流水库调度和下游河道减淤的技术难题.     

小浪底水库对下游河道的冲刷效果及趋势预测

对小浪底水库对黄河下游河道的冲刷效果及趋势进行了分析和预测,结果表明:①小浪底水库投入运用以来,通过水库拦沙和调水调沙,黄河下游冲刷效果明显,至2010年10月,黄河下游河道累计冲刷泥沙19.4亿t,2 000 m3/s同流量水位下降1.6 m左右,下游河道主槽最小过流能力由2002年汛初的不足1 800 m3/s提高至4 000 m3/s;②在小浪底水库主要拦沙期的2008—2020年,下游河道基本不淤积,2020年以后下游河道快速回淤,在2028年左右回淤量达到建库前水平,届时小浪底水库拦沙期恢复的4 000 m3/s左右的中水河槽将难以维持。建议尽早开工建设古贤水利枢纽,争取在2025年前后建成生效。     

小浪底水库运用后黄河下游河道洪水与泥沙输移特性

根据小浪底水库拦沙运用后的河道观测资料,分析了黄河下游河道泥沙冲淤及河床质组成的时空变化特性。伴随着河道的持续冲刷,导致河床粗化、细泥沙补给不足,水流挟沙能力明显降低。建立了河道冲刷效率与累积冲刷量的量化关系,河道冲刷效率随累积冲刷量的增加呈指数衰减。2018年黄河下游河道的输沙能力相对于2000年降低约57.1%。分析了洪水期河道冲淤量与水沙量、流量及累积水量间的函数响应关系。考虑到河床粗化对输沙能力降低的影响,对2018年7月洪水冲淤结果进行了验证。建立了在洪水不同含沙量级条件下,利津站含沙量恢复值与流量间的关系。     

古贤水库与小浪底水库联合运用研究

介绍了古贤水库的概况,分析了古贤、小浪底水库联合运用的需求,研究提出了古贤、小浪底水库联合调控指标,即调控流量为3 500⁴ 000 m3/s,洪水历时不小于5 d。根据古贤、小浪底水库的内在联系和相互关系,考虑不同来水来沙、库区蓄水及河床边界等因素,初步拟定了水库联合运用的方式。采用水沙数学模型计算手段,分析了古贤、小浪底水库联合运用在协调黄河下游水沙关系、减少河道淤积、长期维持中水河槽过流能力等方面的效果。结果表明:古贤、小浪底水库联合拦沙和调水调沙运用,可协调进入下游河道的水沙关系,减少黄河下游河道泥沙淤积,使下游河道长期处于微淤状态,小浪底水库拦沙期恢复的下游河道4 000 m3/s以上中水河槽过流能力将保持50 a以上,同时还可使潼关高程冲刷下降2 m左右,水库联合减淤的效果明显。     

黄河下游高含沙洪水水库调控技术研究

黄河下游场次洪水来沙系数与下游河道的冲淤关系密切,进入下游的典型高含沙洪水的平均来沙系数为0.093~0.105,如洪水期在下游沿程无引水,小浪底水库不调节,则相应全下游淤积可占到来沙的59%~62%,故小浪底水库拦蓄高含沙洪水为下游减淤是有必要的。但必须考虑由此导致的水库淤积加重及入海沙量减少。本文提出了以小浪底水库排沙比Y表达的控制指标,对代表性洪水系列的计算表明,在现有洪水来沙系数范围内,小浪底水库正常运用的宏观控制指标可取Y=2/3,能兼顾水库尽可能少淤、下游减淤及多排沙入海,确保减淤比在40%以上。在实际操作中需视洪水来沙系数预报值,据小浪底水库合理拦沙运用的控制指标进行调控。迄今小浪底水库淤积已占原设计拦沙库容的30%以上,应考虑降低汛期水位,为洪水期水库排沙比提高到Y=2/3左右创造条件,以抑制库容淤损过快的势头。     

黄河下游节水减淤的高含沙水流输沙方式研究

黄河下游泥沙淤积的主要原因是河道输沙能力不足,目前着眼于发掘河道输沙能力的各种“调水调沙”减淤措施,包括通过河道输送高含沙水流入海的设想,排１ｔ泥沙用水量为４０￣１００ｍ＾３,浪费了大量的水资源,而减淤效果并不明显。本提出通过明渠高含沙水流将大量泥沙在进入下游河道之前自水库输送到两岸洼地及低滩,既可使下游减淤,又能使水沙得到充分利用。中分析了高含沙输沙明渠的不淤流速、水力坡降、断面尺寸等设计计     

小浪底水库进一步水沙调控亟待研究的问题

分析了小浪底水库运用以来黄河下游河道发生的变化,指出水库在扭转河道连年萎缩、恢复河道泄洪能力方面作出了重要贡献。水库现已进入拦沙后期,建议水库运用理念应适时由"拦沙减淤"转变为"调沙减淤",在充分发挥下游河道输沙能力、减少河道淤积前提下,尽量减少水库淤积,延长水库寿命,并提出在建立新的水沙调控模式中亟待研究的疑难问题。     

不同水库拦沙期黄河下游河道调整对比分析

利用实测资料,从实测水沙条件入手,对比分析了三门峡和小浪底水库蓄水拦沙期,黄河下游冲淤效果,认为小浪底水库拦沙初期,由于水沙量、洪水场次、历时洪峰流量均减小,导致黄河下游河槽冲刷效率低,且流量较小时,存在上冲下淤的象;流量在4000m<'3>/s左右时,下游冲刷效率较大.研究成果对小浪底水库运用式和调水调沙研究有指导意义.     

黄河口海洋动力输沙能力分析

采用数学模型和资料分析的方法对清水沟时期黄河入海泥沙的输移扩散规律进行了分析研究。通过数模计算得出：随着河口三角洲的演变,河口海洋动力输沙能力也相应变化,河口沙嘴突出岸线的程度越大,海洋输沙能力越大,输入外海的泥沙越多;对于特定的岸边界,海洋输沙能力的变化取决于入海水沙搭配关系,在入海沙量相同条件下,来沙系数越小,输送至外海沙量越多,反之亦然。通过实测资料分析指出：黄河口海洋输沙十分复杂,涉及岸边界、各种持续和偶发的动力等诸多因素。实测的冲淤分布往往是诸多因素综合作用的结果,很难分离出某种因素单独所起的作用。实测数据显示,河口泥沙冲淤分布与来水来沙条件相关性不强。但总的看来,黄河改道清水沟以来,1977-2000年间,来沙量偏少,输入外海泥沙的比例比其它流路时期偏大,排沙比达54％,平均每年输入外海泥沙的绝对量为2．83亿t。但具体到各个年份,不论是排沙比还是绝对量,年际间差异都很大,每年输入外海的沙量并不局限在2.3亿t。     

三峡库区细沙输移运动状态的水槽试验研究

三峡库区内淤积泥沙均属细颗粒泥沙范畴,运动规律较为复杂。依靠传统泥沙理论即以挟沙力为判断标准,所得冲淤情况与实际观测情况有所出入,需进行进一步研究。在三峡库区典型淤沙河段——皇华城河段现场观测的基础上,通过水槽试验研究库区细颗粒泥沙的运动特点,对不同水深流速下细颗粒泥沙的运动状态进行归类整理,发现其淤积过程可根据水深与流速的不同划分为3个区域,即冲刷区、相对平衡输送区及淤积区,并指出用流速作为判断细沙输移状态的标准更符合库区实际冲淤情况。     

黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水研究

输沙需水是维持主槽不萎缩的重要条件。本文在考虑黄河下游非汛期冲刷、大漫滩洪水淤滩刷槽冲淤特点的基础上,根据非漫滩洪水水、沙及河道冲淤关系,研究提出了维持主槽不萎缩的输沙需水计算方法,并结合小浪底水库典型水沙调节方案,分析计算了黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水量变化范围。研究表明,主槽维持规模、来沙量、水沙过程是维持主槽不萎缩输沙需水的重要影响因素,小浪底水库合理调控黄河下游水沙搭配关系后,维持主槽不萎缩的输沙需水可明显减少。     

韩国京仁阿拉航道泥沙技术咨询

首先从航道泥沙淤积原因、减少航道淤积措施、泥沙原型观测方法、流域泥沙疏导措施、三峡工程泥沙研究等5个方面总结了中国水利枢纽工程航道泥沙治理的技术、研究与实践。指出了韩国京仁阿拉航道4个关键泥沙问题:流域产沙输沙估算与观测,航道输沙能力复核与泥沙监测,渠首防沙工程与非工程措施,航道泥沙疏浚与回淤评估。最后提出了京仁阿拉航道泥沙观测、治理与研究一揽子建议。     

柳河流域输沙能力探讨

分析了柳河各个河段及支流含沙量、输沙能力、径流等情况,掌握流域内水土流失状况的分布,探讨流域内的变化规律,为柳河流域的综合治理提供科学依据。     

泥石流泥沙输移比的概念与计算方法探讨

通过泥石流SDR,可将泥石流流域侵蚀产沙、泥沙输移及泥石流沟道和入汇处主河河床演化有机地联系起来,用于推求流域的土壤侵蚀量,泥石流沟道的冲刷与淤积状况,泥石流所输送的泥沙进入主河的数量,以及对下游河道演变、水库使用年限的影响程度等方面。但目前泥石流SDR的研究还没有开始,在分析泥石流输沙特征的基础上,将SDR引入泥石流输沙的研究中,并将泥石流SDR分解为反映泥石流沟输沙能力的沟道泥石流SDR和反映主河输移泥石流泥沙能力的汇口泥石流SDR两个环节。给出了根据定义使用实际的监测数据计算两类泥石流SDR的具体方法,并在蒋家沟中实施,计算出蒋家沟2007年的一场泥石流过程中沟道SDR为0.14,入汇主河后的悬移质汇口泥石流SDR为0.36。泥石流SDR的模型计算法方面也根据定性分析列出了可能的影响因子,在总结河流SDR的研究成果和分析泥石流输沙特性的基础上进行了模型建立方法的初步探讨。     

黄河枯水和断流对下游河道冲淤及防洪的影响

近几年，由于上游水库水量的调节与中游地区产沙、三门峡水库排沙不协调，汛期水少沙多矛盾突出。特别是中游产沙集中的高含沙洪水，得不到上游来水的稀释，形不成输沙强度高的较大流量的洪水，导致下游主槽严重淤积。     

航道整治工程泥沙数学模型的构造及计算方法

建立了正交曲线坐标系下二维紊流全沙数学模型，水流模型采用紊动动能和紊动耗散率闭合雷诺方程，把悬移质输沙概化为单纯淤积、单纯冲刷和淤粗冲细三种情况，依据悬沙与床沙交换机理建立了挟沙能力和非均匀沙分组挟沙能力的表达式．在水流输运及分组含沙量输运方程的离散过程中，采用守衡性较好的控制体积法和SIMPLEC计算程式，以提高计算稳定性和加快收敛．本模型对复杂条件的河床适应性较强，为平面二维长河段的河床变形计算进一步创造了条件．     

小浪底水库对泺口至利津河段冲淤变化分析

根据小浪底水库2002~2015年的调水调沙资料,对泺口至利津河段的冲淤情况进行分析,认为调水调沙使泺口至利津河段的河道得到明显冲刷,主槽断面形态向良性发展,平滩流量大幅增加,过流能力大大增加。同时近几年调水调沙资料表明河道冲刷力度减弱,冲刷效率降低,河床粗化,主槽过流能力已基本稳定。     

宁蒙黄河治理对策

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2 000～2 500 m~3/s,临界含沙量5.4～10.5 kg/m~3,调控时间为15～20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2 500 m~3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3 000 m~3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2 600 m~3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。