黄河下游河道泥沙不均衡调整及其对水沙条件的响应北大核心CSCD

黄河下游河床调整主要取决于来水来沙条件和河床边界条件,水沙和边界条件又受到人类活动的影响。黄河下游河床演变极其复杂,河床纵横向冲淤调整不均衡特征明显,不均衡冲淤可能形成排洪“瓶颈”河段,危害河道防洪安全。针对河道不均衡调整现象,从不同河段河槽冲淤量、河槽横断面变化、水文站3 000 m^(3)/s同流量水位变化等方面,分析了各河段不同时期河道不均衡调整特征及河槽恢复水平,揭示了排洪“瓶颈”河段形成、发展及消失与水沙条件的关系。目前夹河滩以上河段的河槽基本恢复到1969年或1960年以来最好水平,夹河滩至高村河段恢复到1989年水平,高村至利津河段恢复到1985年水平。研究成果可为黄河下游水沙调控提供理论支撑。     

黄河下游河道冲淤时空分布规律研究

根据黄河下游河道特征和进入下游河道的水沙条件,对下游河道冲淤的时空分布规律和冲淤量进行了研究,结果表明：下游河道冲淤量与花园口水文站的来沙系数有较好的相关关系;当进入下游河道的水沙条件与河道挟沙能力不相适应时,河道会自动迅速调整,调整速率沿程逐渐变小,进入艾山以下河段后河道冲淤时空分布规律趋于一致;根据推求的经验公式计算了小浪底水库运用初期下游河道冲淤量和冲淤强度的沿程分布,结果与实测值基本一致。     

河床演变的均衡稳定理论及其在黄河下游的应用

在系统分析有关河床演变均衡稳定理论的研究成果基础上,指出河流熵理论的最小可用能耗率原理及其表达式完整地表达了冲积河流河床演变的自动调整作用基本原理,应用河流最小可用能耗率原理的表达式封闭河床演变方程组,建立河床演变均衡稳定数学模型,应用该模型计算了黄河下游各河段在不同水沙条件下的河槽均衡稳定断面,并计算分析了小浪底水库下游的清水冲刷、拦粗排细和水温变化及涨冲落淤等因素对河槽均衡稳定的影响,分析了河道输水输沙优化的临界指标,提出了强化非恒定流调水调沙、调控60-100 kg/m3的不利来水含沙量和以滞洪拦粗排细运用为主等改善小浪底水库运用的措施。     

黄河下游河道泥沙数学模型

本文针对黄河下游来水来沙特性和河道冲淤演变的特点，建立了复式断面数学模型，综合考虑了洪水演进，不同粒径的泥沙的冲淤特性，断面上的冲淤分布，悬沙和床沙级配的变化调整及其对水流挟沙能力的影响等方面的问题，本文提出了断面形态调整的计算模式，较好地反映了黄河下游河道比较复杂的河床条件的冲淤规律，黄河下游花园口－利津１９７４－１９８７年实测水沙系列验证计算表明，在冲淤总量，沿程分布及其过程等方面，均与断面法     

黄河下游河道滞沙条件及滞沙空间研究

水沙搭配关系是影响黄河下游“驼峰”河段(东坝头-艾山)冲淤发展的重要因素,滞沙则是调配水沙关系的有效手段之一.首先通过分析黄河下游水沙过程与“驼峰”段冲淤之间的关系,论证了需要在“驼峰”段上游河道滞沙的水沙条件.基于河道特性及近期演变过程的分析,将滞沙范围确定为小浪底-花园口河段.考虑到滞沙对于行洪和河道稳定性的影响,以滞沙河段平滩流量及河槽稳定条件为约束,得到了本河段理论最大滞沙量1.44亿m3,此结果可为通过河道滞沙治理“驼峰”河段提供理论支持和技术支撑.     

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。     

小浪底水库运行以来对黄河下游河道河床演变特性的影响

小浪底水库自1999年10月下闸蓄水,23年来深刻改变了进入黄河下游河道的径流泥沙过程,进而引起了下游河道的再造床。本研究以1960—2022年长序列水文泥沙、断面地形、遥感影像等多源资料为基础,从径流泥沙、冲淤演变、形态调整三个方面阐明了小浪底水库运行以来对下游河道河床演变特性的影响。结果表明：(1)水库拦沙效果显著,下泄水量在年内分配更加均匀、沙量则向汛期更加集中;大流量和高含沙事件的严重程度和发生频率均有所降低;悬沙调整不明显,床沙粗化显著。(2)扭转了黄河下游河道持续淤积的趋势,冲淤调整主要发生在花园口至高村的游荡性河段;冲刷效率持续下降,主槽过流能力得到显著恢复。(3)游荡性河段横断面形态向窄深发展,二级悬河发育得到有效缓解,整体河势处于相对稳定状态。研究成果丰富了多沙河流修建水库对下游河道影响的科学认识,也可为小浪底水库优化调度提供科技支撑。     

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。     

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。     

不同治理方案下黄河下游河道的冲淤变化研究

为定量比较黄河下游河道现状治理方案(简称为宽河方案)及"两道防线"模式中的防护堤窄河方案(属于常态下的窄河方案)下的河床冲淤变化,通过适用于长历时与长河段的准二维水沙数学模型,引入河床综合稳定性指标作为河相关系均衡调整准则,针对未来黄河年均来沙分别为3亿、6亿、8亿t这3种50 a水沙系列条件进行了模拟计算。结果表明:在来沙量客观上明显减少的趋势下,窄河治理方案不仅有利于滩区的防洪减灾,而且比现状治理方案更有利于河床减淤;若采取年均6亿、8亿t的多沙系列条件开展计算,则窄河方案比宽河方案在小浪底—花园口河段和花园口—高村河段的减淤效果都明显,而高村—艾山河段略有增淤,艾山—利津河段淤积量亦有所减小。     

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。     

论小浪底水库拦沙和调水调沙运用中的下泄水沙控制指标

分析了黄河下游河槽水力形态与流量和含沙量的关系;黄河下游河槽输沙能力与河槽水力形态、泥沙沉速和来沙系数的关系.按照黄河下游各河段的河槽水力形态和输沙能力与流量、含沙量和泥沙沉速的关系,优化水库拦沙和调水调沙相结合的调度,组合形成黄河下游河槽长距离输沙减淤和不淤积的流量、含沙量和泥沙沉速的水沙过程,可以给出水库拦沙和调水调沙的水沙控制指标.     

基于洪水过程的黄河下游游荡型河段冲淤特性研究

为了把握洪水泥沙过程对黄河下游游荡型河段河床冲淤调整的影响,通过平面二维水沙数值模拟与实测资料分析,进行了不同水沙过程下黄河下游河道冲淤规律的探讨。研究发现不同洪水泥沙过程对河槽的调整塑造有明显不同的影响,大洪峰流量塑造的河槽在非洪峰期难以维持原有输沙强度。主槽累积刷槽效应与洪水泥沙过程有很好的响应关系,塑造出最适宜河床断面形态的洪水过程才能实现最佳输沙效率。在不同量级漫滩洪水条件中,对应洪峰6 000m3/s的洪水过程,塑造的断面形态具有最大累积刷槽效应,故可采用其作为黄河下游漫滩洪水的调控指标。     

小浪底水库运用初期黄河下游河道冲淤变化预估分析

利用黄河下游一维泥沙冲淤数学模型,对两个均为15年的小浪底出库不同设计水沙系列进行预估计算,结果表明:两个系列铁谢-利津河段皆呈冲刷状态,15年累计冲刷泥沙总量分别为6.012亿t和0.716亿t。分析得出,在今后小浪底水库调水调沙初期运用过程中,若充分考虑黄河下游河道特别是山东河道的输沙能力,利用水库的调节库容,对水沙进行有效的控制和调节,使不适应的水沙过程尽可能协调,以便于泥沙在下游河道中顺利输送,从而减轻下游河道的淤积,甚至达到不淤或冲刷的效果,努力实现下游河床不抬高的目标。     

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。     

黄河下游非漫滩高含沙洪水的沿程淤积分布

小浪底水库即将由拦沙初期转入拦沙后期,水库降水排沙会使黄河下游河道发生不同程度的淤积,给维持下游一定过流规模的主槽带来困难。通过对比4个不同含沙量与泥沙级配方案下游河道的冲淤量及泥沙沿程淤积情况,认为:1含沙量低且悬沙粒径细的非漫滩高含沙洪水在黄河下游河道淤积量相对较少,且各河段淤积较为均衡;2非漫滩高含沙洪水含沙量沿程调整迅速,含沙量越高,衰减幅度越大,中粗沙含量沿程明显减少,细沙含量沿程衰减得少;34个方案均以中粗沙淤积为主,淤积主要发生在花园口以上河段,粗沙淤积量占总淤积量的比例分别为58.0%、46.9%、48.5%、58.8%,花园口—夹河滩河段内各粒径泥沙淤积分配比例基本均等,夹河滩—高村河段淤积量小,粗沙淤积量相应较小,细沙淤积比例稍大。建议在小浪底水库降水冲刷期尽量避免下泄小流量、高含沙量的水沙过程,若不可避免,则应考虑尽可能减小悬沙粒径。     

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。     

黄河下游河槽治理方法分析

本文对已有的河槽形态与水流狭沙力关系的研究成果进行了探讨。进一步在考虑米沙组成变化、河槽综合阻力变化的条件下．计算得到了黄河下游典型断面流量分级平均水沙条件下河槽平衡输沙横剖面。平衡横断面与实际断面比较．下游无论游荡段与弯曲段，实际断面都显得过于宽浅。分析认为，尽管河槽缩窄可加大水挟沙能力．但受河型发育机制的制约．在现有水沙和边界条件下黄河下游河槽的横剖面是无法自动调整形成输沙平衡形态的。文中还利用黄河下游来水来沙和河道冲淤实测资料证明了黄河下游水流不冲狭沙量小于不淤沙量．河道从淤积转向冲刷时．水流含沙量明显降低，固此减少同流量下台沙量的变化有利于减轻下游河遭淤积。从理论分析结果看：缩窄中、小流量“下的河槽．以多级河槽方式重点整治花园口以下河段．使横断面总体形态呈上凸形．能显著减小黄柯河槽中的淤积；同时，应配合河道整治，利用水库调节水沙和进行必要的挖沙疏浚措施。具体实施方法还需要进一步研究；