黄河宁夏段水沙变化特点及临界来沙系数研究

通过对黄河宁夏河段下河沿、青铜峡、石嘴山3个水文站近60 a来实测水文泥沙资料的分析,运用统计分析方法,研究了黄河宁夏河段水沙变化特性以及河道冲淤情况,尤其是龙羊峡、刘家峡水库投入运行后所带来的影响。在此基础上,从输沙率与流量、汛期和非汛期输沙量与水量的关系探索了维持青铜峡—石嘴山段河道冲淤平衡的临界来沙系数和分粒径临界来沙系数。结果表明:(1)龙刘水库联调对宁夏河段来水来沙量影响较大,以下河沿站为例,来水量与来沙量呈减少趋势,且减少主要发生在汛期,输沙量减幅大于来水量减幅;青铜峡—石嘴山段汛期临界来沙系数为0.002 36 kg·s/m6;粗、中、细沙的临界来沙系数不同,其中细沙的临界来沙系数最大,中沙和粗沙的相近。     

近50a黄河宁蒙河段输沙量的沿程变化规律

从河段输沙量及排沙比的角度分析黄河宁蒙河段的水沙特点。以青铜峡站和河口镇站1952—1990年的实测水沙资料为研究对象,统计分析了输沙量与水量的关系,以及河段排沙比与水量和来沙系数的关系。结果表明,宁蒙河段输沙量与水量的关系在全年和汛期的统计特性略有不同,指数关系式更能体现河段在汛期的输沙特性,而二次式关系更能体现河段在全年的输沙特性。河段排沙比的年统计特征与汛期一致。     

黄河宁蒙河段2018年汛期水沙特性分析

2018年黄河流域发生多次强降雨过程,干流先后形成3次编号洪水,宁蒙河段高水位、大流量持续近3个月。分析了宁蒙河段汛期雨水情特点、洪水演进以及含沙量变化过程;通过套绘洪水期石嘴山及以下水文断面,计算了相同水位下的断面面积,绘制水位—断面面积关系曲线,分析了汛期宁蒙河段典型断面的冲淤变化以及过流能力。结果表明:2018年汛期宁蒙测区平均降雨量、来水量较历年均值总体偏多,出现3场较大的洪水过程,水位偏高,大流量持续时间长,宁夏河段出现3场较大的沙峰过程;汛期宁蒙石嘴山以下水文断面总体表现为冲刷,河道过洪能力明显提高;除头道拐断面以外,石嘴山以下各水文断面均发生较明显的冲刷。     

黄河上游宁蒙河道冲淤变化分析

黄河上游来水沙地区分布不均匀，水沙异源。大型水库修库前，来沙多，宁蒙河道淤积，５０年代淤积尤为严重。青铜峡、刘家峡水库运用后，水库大量拦沙，宁蒙河道发生冲刷。龙羊峡，刘家峡水库联合运用后，汛期蓄水削峰，出库中小水流量历时加长，大流量出现机会大大减少，宁蒙河道重新调整，主要表现在；水流挟沙能力降低；河道淤积严重，水位升高，平滩流量减小；河势摆动加剧，滩岸坍塌严重；西柳沟高含沙洪水淤堵干流呈加重趋势。     

黄河宁蒙河段冲淤时空分布特征与淤积原因

在补充完善水沙、观测断面等资料的基础上,采用沙量平衡法和断面法分析计算了1960年以来宁蒙河段的泥沙冲淤量,两种方法计算结果接近、各有特点,可互为补充使用。分析冲淤量时间分布特征表明,不同时期年内的冲淤分配特征不同,1987年以来宁蒙河段泥沙淤积加重,且淤积加重主要集中在汛期和小于0.1 mm的各粒径组泥沙,大于0.1 mm的粗泥沙淤积量有所减少。分析冲淤量空间分布结果表明,宁蒙河段淤积主要发生在内蒙古三湖河口至头道拐河段和巴彦高勒至三湖河口河段,1987年以来以河槽淤积为主,横断面萎缩。根据宁蒙河段水沙来源情况,从多个方面分析宁蒙河段淤积变化原因表明,干流水沙条件变化尤其是龙刘水库联合运用对干流水沙条件的显著改变,包括减少了汛期水量以及大流量过程,是导致宁蒙河段淤积加重的主要原因。     

黄河宁蒙河道近期调整特点及原因分析

以长系列实测资料为基础,对比分析了宁蒙河道不同时段的冲淤调整特点及其原因,认为：①宁蒙河道近期淤积量明显加大,河道萎缩;②河道排洪能力下降,同流量水位年均上升0.1 m,内蒙古河段不同水文站平滩流量减少了800-4 000 m^3/s;③近期降水、天然径流量、河道引水、支流来水来沙以及龙羊峡、刘家峡水库调节河道来水来沙过程等因素是宁蒙河道淤积加重的主要原因。为了减缓宁蒙河道淤积,建议加快多沙支流水土保持治理速度并增加汛期水量。     

近五百多年来黄河宁蒙河段泥沙沉积量的变化分析

宁蒙黄河河段主要穿行于断陷盆地中,近期淤积严重,同流量洪水水位抬升,洪灾和土地盐碱化问题加重.为了弄清该河段泥沙淤积长期变化过程,正确预测河段泥沙淤积变化趋势,以利制定合理的治河措施,本文利用河段来水来沙与河道淤积关系、气候要素与区域产沙关系以及古气候与古径流等相关资料,重建了宁蒙河段近500多年来年沉积量的变化过程.结果显示1989年以前505年间宁蒙河道年均泥沙沉积量达0.55×10<'8>t/a,其中1850年至1989年间为0.52×10<'8>t/a,高于上世纪50至80年代宁蒙河道年均泥沙沉积量.因此黄河宁蒙河段是一个长期泥沙淤积比较强烈的河段.虽然近20多年来宁蒙河段年淤积量已高于近500多年来宁蒙河道年泥沙沉积量,但历史上也出现过连续25年河道年均淤积量接近近20多年的年均淤积量.     

黄河宁蒙河段洪水冲淤规律分析

分析了1973—2005年宁蒙河段汛期场次洪水的冲淤特性、冲淤效率与下河沿断面水沙量之间的关系。结果表明:当下河沿断面洪水平均含沙量大于7 kg/m3时,宁蒙河段以淤积为主;当下河沿断面洪水平均含沙量小于7 kg/m3时,宁蒙河段以冲刷为主,且流量为2 200～2 500 m3/s时冲刷效率最大,此时洪水总水量应大于25亿m3。     

黄河宁蒙河段冬灌期引退水对河道流量影响分析

宁蒙河段首凌和首封多出现在11月中旬至12月中旬,与宁蒙灌区的冬季灌溉期交叉,受宁蒙灌区灌溉引水和退水影响,宁蒙河段凌汛初期流量波动明显,对河段凌情影响显著。分析宁蒙灌区凌汛初期引退水规律;讨论宁蒙河段各水文断面流量对引退水的综合响应,为宁蒙河段凌汛期流量演进及凌情预测提供技术支持。     

黄河头道拐站水沙来源空间分布及其影响因素

根据1950-2010年实测资料,采用不同时间序列对比和回归分析方法,对黄河上游沙漠宽谷河段干流6大水文站水沙关系变化、出口控制站头道拐水文站水沙来源的空间分布及其影响因素进行了分析,结果表明:1头道拐水文站径流主要来自兰州以上地区,泥沙主要来自兰州-头道拐区间支流。与基准期的1950-1968年相比,头道拐站1969-1986年和1987-2010年平均径流量分别减少10.1%和40.6%,年平均输沙量分别减少37.2%和75.4%。2宁蒙河段径流量减少主要发生在石嘴山-巴彦高勒河段,多年平均径流量减少52.2亿m3;输沙量减少主要发生在青铜峡-巴彦高勒河段,多年平均输沙量减少0.244亿t。宁蒙河段单位水量冲淤量随着头道拐水文站年平均来沙系数的增大有增大趋势,河道冲淤基本平衡的来沙系数约为0.0023kg·s/m6。影响头道拐水文站水沙来源空间分布的主要因素有气候波动、龙羊峡和刘家峡水库调节、工农业用水、水土保持综合治理等。     

黄河内蒙古河段主槽萎缩原因和对策分析

近20年来，黄河内蒙古河段处于持续淤积状态，从而使主槽严重萎缩。分析1960～2006年典型断面输沙量资料认为，淤积在该河段的泥沙主要来自十大孔兑流域和乌兰布和沙漠。由于1986年以前来水条件（特别是汛期洪水条件）较好，故河床淤积量不大；1987年以后，来水偏枯和洪水减少等使区间来沙对内蒙古河段淤积的影响凸现。龙羊峡和刘家峡水库的调洪运用是造成该河段汛期水量和洪峰流量减小的主要人为原因。要改善内蒙古河段主槽萎缩形势，一方面要调控进入宁蒙河段的洪水量级尽可能达到1500~2000m3/s以上，另一方面要加强该区间重点产沙区的水土流失治理，并调整孔兑入黄方式。     

2012年汛期黄河上游洪水对宁蒙河道的影响

对2012年汛期黄河上游洪水在通过宁蒙河道时的水文断面形态、河底高程、过洪能力变化等进行了分析。结果表明:2012年汛期黄河上游洪水的水量大、持续时间长,洪水对宁蒙河道产生了明显的冲刷作用,河道过洪能力得到了较大提高,有利于2012—2013年度的黄河防凌。对今后研究工作提出了建议:①在宁蒙河段布设专门的淤积测验断面,以期得到准确合理的河道冲淤变化资料;②加强宁蒙河段凌汛期水文测报关键技术的研究。     

黄河巴彦高勒-头道拐河段泥沙冲淤调整特点

通过实测资料分析,阐明黄河上游宁蒙河道巴彦高勒-头道拐河段不同粒径泥沙来源及冲淤调整特点:长时期（1952—2012 年）河段来沙组成以细泥沙为主,占总沙量的52.7%,且来源与中泥沙和较粗泥沙相同,主要来自巴彦高勒以上;特粗泥沙是淤积的主体,占总淤积量的56.2%,且来源比例在巴彦高勒以上、十大孔兑和沿河沙漠三个地区比较相近。不同粒径泥沙的普遍冲淤调整规律为:细泥沙、中泥沙和较粗泥沙随来水来沙发生冲淤调整,特粗泥沙持续累积淤积。因此,不同粒径泥沙在不同时期的年内调整特点有较大差别,汛期1986 年以前特粗泥沙是淤积的主体,细泥沙和中泥沙冲刷;1986 年后细泥沙和中泥沙转冲为淤,细泥沙成为淤积的主体。非汛期泥沙由1986 年前的冲刷转为1986 年后的淤积,主要在于细泥沙和中泥沙由冲转淤及较粗泥沙的增淤。初步分析表明,河段各时期泥沙的冲淤调整取决于干流来水来沙量及水流过程,十大孔兑的来沙量也有较大影响。研究结果可为宁蒙河道悬河治理提供基础支撑。     

黄河宁蒙河段水沙变化特性与成因研究

根据宁蒙河段不同来源的水沙资料,分析了宁蒙河段干流、支流和入黄风积沙量变化,从人类活动影响和自然条件变化两方面研究了水沙变化的机理,以及近期水沙变化的原因。结果表明:各种因素均不同程度地影响了宁蒙河段水沙变化,其中工农业生活引水是干流水量减少的主要影响因素,水库拦沙是干流沙量减少的主要影响因素,2000年以后支流水保措施减沙影响增强,风速减弱是入黄风积沙量减少的主要影响因素;龙羊峡与刘家峡水库联合调度是黄河干流汛期水量比例和大流量过程减少的主要影响因素。     

小浪底水库运用以来高村—艾山河段冲淤演变

研究了小浪底水库运用以来黄河下游高村—艾山河段泥沙冲淤演变情况和冲刷强度的变化趋势。结果表明:在非汛期,黄河下游发生冲刷的河段主要在高村以上尤其是夹河滩以上,高村—艾山河段大致维持冲淤平衡状态,而艾山以下河道则发生淤积;调水调沙使高村—孙口河段由微淤状态进入微冲状态;孙口—艾山河段由微冲微淤状态变为冲刷状态;从冲淤强度沿程分布看,高村—孙口河段1999年10月至2006年10月间汛期和非汛期均为冲刷,孙口—艾山河段汛期冲刷而非汛期略为淤积。     

黄河宁夏河段河道演变分析

通过对黄河宁夏河段河道演变的分析,研究了宁夏河段河道冲淤及河势变化情况。结果表明:1993—2009年,黄河宁夏段下河沿至青铜峡河段河道多年平均冲淤平衡,青铜峡至石嘴山河段河道呈淤积状态。宁夏河段河道的冲淤变化主要取决于来水来沙条件,1986年以后汛期水少沙多,泥沙全部淤积在河道主河槽内,主槽淤积萎缩,中小洪水水位明显抬高。宁夏峡谷河段及卵石河床冲淤变化及主流摆幅较小,其余河段河床冲淤变化及主流摆幅较大。河道整治工程的实施对控制河势变化有积极作用。黄河宁夏段水沙条件、河道边界条件及河床质地是影响河道演变的本质原因。     

黄河上游宁蒙河段平滩流量变化过程研究

采用黄河上游宁蒙河段各水文站1965—2004年实测资料,分析了宁蒙河段平滩流量的变化过程,表明宁蒙河段平滩流量随时间呈现减小的趋势,特别是1986年龙羊峡水库运用后减小更为明显,已由20世纪60年代中期的3 600~5 800m3/s减小到2004年的1 100~3 600m3/s,尤以内蒙古河段的三湖河口站最为严重,从1986年的4 100m3/s左右减小到2004年的1 100m3/s左右,内蒙古河段平滩流量减小幅度要大于宁夏河段,主河槽出现明显萎缩。文中给出了宁蒙河段历年平滩流量与年和汛期来水量的响应关系,具有随年和汛期来水量增加而增大的规律。进一步分析表明,当年来水量为200亿m3或汛期来水量为80亿m3时,宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别约为3 100,2 850m3/s;当年来水量为300亿m3或汛期来水量为170亿m3时,宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别约为4 300,4 000m3/s。分析结果可为宁蒙河段河道进一步整治的研究提供基础。     

黄河宁蒙河段二次冲淤成因及近期变化

基于宁蒙河段的水沙和河道断面资料,分析了该河段主要水文站年内的冲淤过程、规律和近期变化情况。结果表明:1宁蒙河段河道在年内经历两次冲淤平衡,一次是冬季的冲淤平衡,一次是春、夏、秋季的冲淤平衡,后者水量较为丰沛且对河道冲淤起主要作用;2宁蒙河段淤积主要发生在内蒙古河段,石嘴山和头道拐水文站的断面冲淤变化不大,其余水文站断面均发生了明显淤积;3近期河道淤积的主要原因是径流量较少和大流量洪峰日数显著减少。     

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。     

宁蒙河道冲淤规律及输沙特性研究

根据黄河上游水文及河道实测资料,探索了宁蒙河道的冲淤规律与榆沙特性,结果表明:①宁蒙河道单位水量冲淤量与来沙系数关系较好,汛期、非汛期、洪水期在来沙系数分别为0.003 4、0.001 7、0.003 8 kg·s/m6左右时河道冲淤基本平衡;②宁蒙河道具有泥沙"多来、多淤、多排"的特性;③上游大型水库的运用方式对宁蒙河道的冲淤演变产生了不利影响,但冲淤规律和输沙特性并未发生显著改变;④建议在保证适当水量以维持河道健康的前提下,采取更直接、高效的措施解决宁蒙河道的淤积问题.