黄河洪水演进洪峰增值现象及其机理

2004～2006年小浪底水库异重流排沙期间,在小浪底～花园口区间出现了下断面的洪峰流量明显大于上断面洪峰流量的洪峰增值现象.本文详细描述了洪峰增值现象发生过程和主要特征.通过对黄河小浪底水库及其下游河道实测资料的研究和水力学理论分析认为,洪水发生洪峰增值的主要原因是河道糙率的大幅度减小.河道糙率与水流含沙量、悬沙级配、床沙级配、床沙床面形态、河道断面形态及河岸周界情况等因素有关.在小浪底水库异重流排沙之前有清水下泄过程,使河道床沙粗化,糙率大幅度增大,当异重流出库后,高浓度细颗粒泥沙使水流黏性增加、紊动削弱,河床被极细沙填附,河道糙率大幅度减小,导致后续水流流速加大,并赶上前方水流,发生洪峰叠加.     

下泄洪水峰值增加时糙率降低和河床冲刷的相对关系

黄河下游河道下泄高含沙洪峰流量沿程增值的现象和所谓的人造洪水,引起了水力工程师和科学家的浓厚兴趣。下泄流量增大涉及防洪系统负荷的增加和洪峰向下游移动引起的洪水风险的增加。但是,隐含在这个现象下的基本原理仍然未得到阐述。这种现象的复杂性要求对其有综合的理解。就高含沙水流的紊流和糙率降低,2004年8月我们在小浪底到夹河滩河段作了一个数值模型研究。在这个模型中,我们用了一个关于曼宁系数n和体积含沙量间的简单幂律公式。为了集中在现象本质的研究上,河流被概化为一维顺直河流,河流断面为规则不变的矩形断面,而且,河床介质为均质泥沙,构建的方程和数值解解释了河床变形和浊流之间的关系。考虑含沙水流引发的河床糙率减小因素,模型成功地再现了下游洪峰增值的现象。由于高含沙水流落后洪峰很短时间,洪水波的后部分经历了较少的摩擦,可以超过前面的洪水波。模型结果同样表明,河床变形对巨大的洪峰流量和下游流量演变影响很小。     

小浪底水库运用后小花间洪峰增值原因分析

统计了黄河下游小浪底—花园口区间发生洪峰增值的洪水场次,分析了小浪底水库投入运用以来洪峰增值的原因。结果表明:小浪底水库下泄清水造成花园口以上河道床沙粒径变大,床面阻力增大,槽蓄量大;在水库排泄高含沙量水流时,作用于床面上的剪力增大,河床形态阻力突然降低导致流速增大,使得槽蓄量突然减小,洪峰流量、水量沿程增大;其他条件相同时,前期的河道流量越大,槽蓄量越大,引起的洪峰增幅也越大。     

黄河下游洪峰增值机理与验证

针对黄河下游“04.8”洪水出现的洪峰异常增值现象，探讨了洪峰增值的水动力学机理，认为小浪底水库异重流排出的极细高含沙洪水在下游河道输移的过程中，引起河道糙率变小，是造成洪峰异常增值的根本原因。而后采用能够合理反映含沙量及泥沙级配变化对河道糙率影响的黄河河道准二维水沙数学模型，对此洪水进行的模拟，验证了上述观点。同时指出河道糙率变小引起的洪峰增值对黄河下游防洪安全可能造成的危害，应引起有关部门的高度重视。     

渭河下游河道冲淤变化对洪水演进特性的影响

基于三门峡水库建库后渭河下游河道演变及洪水过程实测资料,采用实测资料分析,理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了渭河下游河道发生冲淤变化对洪水特性的影响。结果表明:自水库建成至2003年间,渭河下游河道发生淤积萎缩引起渭河洪水演变特性发生了显著地改变,渭河下游洪水位抬升、洪水传播历时延长以及洪峰削峰率增大,而这些洪水特性也是造成渭河下游河道发生淤积萎缩的主要原因。2003年之后,因渭河下游河道水沙条件的变化,洪水洪峰流量大幅度减小,河道出现冲刷,漫滩流量相较于先前减小,使渭河下游洪水位下降、洪峰传播历时缩短、洪峰削峰率不断减小。     

黄河下游窄河段洪水演进特征研究

基于小浪底水库运用前后黄河下游窄河段的河道形态变化,利用MIKE11模型,对黄河下游艾山—泺口窄河段2000年、2003年、2013年洪水过程进行模拟。根据实测资料进行了河床糙率率定及模型检验,并分析不同年份洪水水位流量的变化、洪峰沿程折减以及洪水传播时间变化。结果表明:小浪底水库进行调水调沙以后,黄河下游窄河段过流能力增强,河道对洪水的沿程削峰能力减弱,洪水传播时间缩短。     

高含沙洪水基本特性及其对行洪的影响

采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,研究了黄河下游高含沙洪水过程及其对防洪的影响。研究结果表明,黄河高含沙水流具有明显的宾汉流体特征,具有较强的输沙能力。"04.8"高含沙洪水在下游演进过程洪峰流量沿程增大,峰形趋于尖瘦,沙峰滞后于洪峰。黄河高含沙洪水造成下游河道河势变化剧烈,防洪调度难度大,易发生异常高水位,严重威胁防洪安全。     

孔雀河上复杂河段的洪峰流量推求

在水文分析计算中,要用到的一些河流或河段无水文资料,必须进行洪水调查和采集数据,进行水文测验工作。首先选好测验断面,再确定糙率值。无资料河段的糙率,可以选用上、下游河段的实测值或选用相似河段的实测值。糙率是反映河床、岸壁形状的不规则性和表面粗糙程度的一个系数,它直接影响河流沿程能量损失的大小。天然河道不规则,断面形状不断发生变化,只有在洪峰值出现时,短暂的时间里为恒定流。但只要选取较好的控制断面,也可以把部分河段看做是恒定非均匀流。从能量的角度分析,不仅要考虑沿程能量的损失,还要考虑局部的能量损失。因此,可以实测资料,通过伯努里方程式,反推糙率值,计算出洪水调查断面的河段糙率0.068,最后推求洪峰流量。阐述了孔雀河上复杂河段洪峰流量的推求方法。     

山东黄河泥沙特性及沙峰运移规律

在论述黄河山东段泥沙时空分布及不同时期泥沙粒径变化的基础上，重点分析了洪水过程中沙峰的运移规律：山东河段沙峰的削峰率为沿程向下游递减，且与沙峰的大小成正比；沙峰沿程输沙量变化，高村至艾山段沿程减小。艾山至利津段基本稳定。沙峰运移过程中与相应洪峰发生的时间一般是不同步的，高村至艾山段，沙峰常超前于洪峰，而艾山至利津段，沙峰常滞后峰；不漫滩洪水，沙峰一般滞后于洪峰，漫滩洪水，沙峰一般超前于洪峰。     

黄河洪水洪峰增值机理及影响因素研究

黄河洪水含沙量高,常出现洪峰流量沿程增加现象,但机理和影响因素尚无共识。本文基于断面积分的浑水连续和运动方程,推导了洪峰流量在特征线上变化的(常微分)相容方程,从而得到影响洪峰流量增加/减少的控制因素(即相容方程的源汇项)。据此,对1973—2012年间18场表现出洪峰流量沿程增加的洪水过程进行分析,计算了各控制因素的量级。结果表明,加剧洪峰增值的首要因素是外力的时间累积效应,其次是压力能沿程变化;削弱洪峰增值的主要因素是对流输运不平衡。进一步分析表明,适当增加上游流量并减少来沙,或增加上游流量并增大局部河段的过流面积,有可能抑制甚至消除洪峰增值现象。     

基于流溪河模型的中小河流洪水预报方法

针对中小河流缺乏河道断面资料而无法实际应用分布式水文模型的问题,以流溪河模型为原型,假定河道断面为矩形,采用卫星遥感影像估算河道断面尺寸,通过实测洪水资料优选模型参数,提出了中小河流洪水预报的流溪河改进模型。应用于江西省典型中小河流——太平江流域的结果表明:河道分级越多,模型模拟的洪水的洪峰流量越大、次洪径流系数越大;洪峰出现时间越提前,模拟的洪水过程的效果越好,精度越高;改进的流溪河模型对50场洪水模拟的相关系数达0.92,洪峰误差均值为5.54%,最大不超过20%,平均峰现时间差为0 h;洪水过程的预报结果可评定为甲等。该模型可应用于中小河流实时洪水预报中。     

黄河下游"05·7"洪水"异常"现象初步分析

针对"05·7"洪水在黄河下游河道的演进过程中发生的流量沿程增大等"异常"现象,利用实时水情资料分析了此次洪水的来水来沙条件和河道冲淤情况,认为"05·7"洪水没有对下游河道的排洪能力造成明显不利影响,并且认为造成"05·7"洪水小花间洪峰流量沿程增大的原因不是测验错误.     

1986年以来黄河下游水沙变化及河道演变分析

１９８６年以来，受气候变化、工农业用水增加及大型水库调节的影响，黄河下游出现枯水少沙、大洪水几率减小、高含沙洪水频繁发生、年内水沙分配改变的情况致使河道主槽发生严重淤积、河道萎缩、平滩流量减小、河道排洪能力降低，中常洪水即可出现高不位，洪峰传播时间长且沿程变形复杂，小水大灾。     

新沂河糙率测定及其变化规律分析

介绍了新沂河测验河段选择和断面布设、计算公式选择及参数确定,计算并确定了河道糙率。结果表明,水位糙率关系曲线精度较高,符合规范要求。从工程实施前后糙率成果对比可以看出,河段糙率普遍减小,符合河道整治前后的工况情况,反映了河道行洪能力加大;从糙率的沿程变化分析可知,糙率呈沿程增大趋势,符合新沂河沿程扩散的河道特性。     

黄河秋汛简况

对黄河下游历年秋汛洪水的降雨、来水来沙特性以及秋汛洪水对黄河下游河道的冲刷作用进行了分析。在天然情况下黄河秋汛洪水发生的几率较大，可占花园口站5000m^3／s以上洪峰总数的1／3。龙羊峡等水库运用后，黄河下游秋汛洪水的洪峰与洪量均已大幅度减小，地区来源组成发生明显变化，上游来水比重减小，渭河、泾河、北洛河及伊洛河、沁河已成为下游洪水的主要来源区，经小浪底、陆浑、故县等水库调节后，黄河下游秋汛洪水的洪峰流量下降到2000—4000m^3／s。秋汛洪水的特点是洪峰流量较小、洪峰历时较长、洪峰水量较大、含沙量较低。秋季洪水一般在下游不会漫滩，冲刷均发生在主槽内，对抑制黄河下游主槽淤积、维持主槽的过洪能力十分有利。     

黄河花园口"05·7"洪水"异常"现象分析

在分析河道断面状况和水流传播变化情况的基础上,论述了花园口站"05.7"洪水沿程增大的现象,并通过"92·8"、"04·8"等洪峰增值洪水过程的对比,指出花园口站"05·7"洪水发生洪水增值现象是刚刚结束的调水调沙使河道普遍刷深、河床形态变优造成的.     

河道洪水传播时间影响因素分析

通过理论和实例分析,指出影响河道洪水传播时间的因素既有河道边界条件的外部因素,也有洪水过程自身的内部因素。不同的入流过程,在向下游演进过程中,洪峰的传播时间与坦化率差别非常大。建议:①做好河道清障工作,维持河道行洪畅通;②将来水库的调度不仅要调控进入下游河道的洪峰流量,还应对进入下游河道的洪水过程进行优化和塑造。     

黄河山东段洪水运行特性分析

根据历年实测资料分析，黄河山东段洪峰削减率较大，流量在８０００ｍ２／ｓ以上，平均削减率近４０％；流量在８０００ｍ３／ｓ以下，平均削减率近２８％。其原因与洪峰流量大小，漫滩程度、洪峰形状等因素有关。洪水运行速度，平槽流量以下，随流量的增加而加快，且自上而下沿程加快，洪水漫滩后则随流量的增加而减慢，且艾山以上自上而下沿程递减，而艾山以下则沿程速增。     

黄水沟试验河段洪量损失率分析

通过试验河段各断面7次实测洪峰流量及出现时间的对比分析,得出各次洪水最大洪峰流量从黄水沟防洪闸西支(断面2-2)至黄水沟西支和先公路桥断面3(断面3-2和3-3合成)的洪峰流量沿程衰减率(K)在35.7%～58.0%之间,从洪水过程最大洪峰流量特征来看随着洪峰流量的增大,黄水沟水文站至黄水沟分洪闸之间的洪峰流量沿程衰减率减小,为保护沿河居民的生命财产及河道上的水利、交通等设施安全提供科学依据。     

非漫滩高含沙洪水异常传播机理和临界条件

黄河下游发生高含沙洪水时常伴随洪峰增值的异常现象,给黄河下游的防洪安全带来了极大的影响。本文基于高含沙水流床面附近存在流凝现象并可能形成具有屈服应力的黏性底层的事实,建立了高含沙洪水分层模型和流动的波系方程,对多沙河流非漫滩洪水洪峰沿程增值现象的机理进行了研究,并给出了发生洪峰增值的临界条件。论文还应用该结果对2004年、2010年发生的黄河下游高含沙洪水增值现象进行了分析。结果表明,当洪水的Froude数大于临界Froude数时,动力波形成的逆扩散导致洪水中的扰动被扩大、集中,从而导致流动失稳,这是这两场洪水洪峰增值的根本原因。