不同量级洪水对黄河下游游荡段冲淤变化的影响

小浪底水库运用后,改变了进入黄河下游的水沙条件,引起了下游河道的再造床过程。以小浪底水库调控后的不同水沙过程为基础,研究这些不同水沙组合洪水在下游河道的演进过程及其对冲淤变化的影响,可为黄河下游“二级悬河”治理提供科学依据。文章首先介绍了模拟黄河下游游荡段实际断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型,并利用黄河下游1982年5—10月实测洪水资料对该模型进行了验证,计算所得流量过程、含沙量过程及沿程最高水位等均与实测值较为吻合;最后采用该模型计算了水沙总量相同条件下,不同量级洪水过程在下游游荡段的演进过程,分析了不同量级洪水对河床冲淤变化的影响。结果表明：不同水沙过程对下游游荡段冲淤变化有明显影响,洪峰流量为10000 m3/s及相应含沙量为60 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最大,洪峰流量为4000 m3/s及相应含沙量为30 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最小。从淤滩刷槽的综合效果看,洪峰流量为6000 m3/s及相应含沙量为40 kg/m3的洪水过程对于下游游荡段河床调整较为有利。     

三门峡水库水沙综合调节优化调度运用的研究

本文采用系统分析的方法,研究三门峡水库在满足防洪、防凌要求,并使库区保持泥沙冲淤基本平衡、潼关河床高程在允许范围内升降条件下,通过水库调水调沙合理运用,使下游河道淤积减少,同时,使水库灌溉、供水和发电效益最大的水沙综合调节优化调度运用方式。为此,建立了水库水沙联调随机动态规划模型,并围绕“降维”问题,对所引用的泥沙冲淤计算模型作了适当的改进,目标函数是以下游河道泥沙淤积量为基本目标,包括发电、灌溉、供水和潼关河床高程影响,由罚函数和权系数组成的综合目标函数,共有七个状态变量,一个决策变量,水库入流是由流量和含沙量描述的二元随机过程。通过随机动态规划模型求解计算,得出相应的优化调度规划。本文采用优化调度规则和现行调度规则对两组水文系列进行计算,获得了良好的结果(参阅图3)。     

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明：床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d₅₀由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m³转变为淤积0.059亿m³,冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。     

黄河下游河道洪水冲淤与水沙搭配关系

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；利用1960～1999年422场洪水资料分析了影响洪水冲淤的各种水沙因素，建立了黄河下游4个河段洪水排沙比与综合水沙系数的关系，该水沙系数包括流量、含沙量、洪峰流量变幅、洪水沿程衰减系数、洪水历时等5个因素；利用4个河段的冲淤临界条件勾画出了4个河段洪水冲淤调整与来水来沙搭配(或组合)之间的关系；该关系可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

基于洞庭湖水沙模型的荆南三河冲淤变化研究

荆南三河起于荆江河段,水沙情势受上游来水来沙条件影响较大,荆南三河冲淤变化研究有助于认识洞庭湖地区防洪形势和江湖关系的演变。本文构建了洞庭湖水沙数值模型,计算了三峡工程运行后荆南三河各河段的冲淤变化,并结合实测冲淤数据探究了影响荆南三河冲淤的因素。计算结果表明,三峡工程运行后荆南三河河道发生普遍冲刷,冲刷趋势短期内不会变化,但冲刷强度逐渐下降。三峡工程运行后,荆南三河口门分流量、分流比和分沙比均无明显趋势性变化,分沙量大幅度减小,清水下泄改变了荆南三河冲淤状态。此外,采砂对荆南三河冲淤也有重要影响。     

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件，考虑悬移质和推移质运动，采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型，对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式，对现有三峡库区数学模型进行了改进，并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明，模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。     

模糊神经网络对汛期三门峡水库泥沙冲淤量的计算

本文通过对多年实测资料的分析 ,总结出对三门峡水库泥沙冲淤量影响很大的变量的经验公式。在分析了汛期三门峡水库泥沙冲淤影响因子的基础上 ,鉴于模糊集合论与神经网络和智能预报的研究关系密切 ,可对非线性问题进行智能预报的特点 ,利用模糊神经网络模型对三门峡水库泥沙冲淤量进行了计算。该模型精度满足要求 ,计算结果比较合理 ,适合计算水库泥沙冲淤量     

变化环境下黄河下游治理模式对河床冲淤的影响

针对近年来入黄水沙量减小的形势,结合黄河下游滩区治理的新思路,利用一维水沙数学模型开展了长历时尺度的下游河道模拟研究。采用2013年汛前实测大断面作为初始地形,针对年均来沙3亿t、6亿t和8亿t三组水沙情景,分别模拟了现状宽河治理模式和防护堤窄河治理模式下下游河道未来50年的冲淤演变趋势,重点关注了累计冲淤量、沿程冲淤分布、滩槽冲淤分布和平滩流量等要素的变化趋势。结果表明:三种水沙情景下窄河模式整体均较宽河模式表现为减淤,其中在来沙3亿t的情景下,窄河治理模式的减淤效果在沿程各河段均有体现;在来沙6亿t和8亿t的情景下,窄河治理模式在游荡型和弯曲型河段有所减淤,但在过渡河段增淤,可导致驼峰淤积现象,河床冲淤规律相对复杂,对治理模式的影响需要进一步研究。     

长江入海水沙通量与三角洲演变模式关系

为了研究流域水沙变化对河口三角洲演变模式的影响,建立了长江口三角洲地貌演变速率和流域入海水沙通量响应曲线,明确了历史时期和近期入海流量和输沙率改变对三角洲演变模式影响。结果表明:流域入海流量无明显的变化趋势,输沙率和含沙量均表现为阶梯性减小趋势,近期(2003-2010年)流量年内分配比例10月和11月减小,12月至次年3月增加,输沙率洪季减小幅度大于枯季;河口三角洲演变模式经历了淤涨~淤涨减缓~侵蚀的过程,建立了其冲淤速率和流域入海水力要素关系曲线,表明输沙率对三角洲淤涨中贡献大于流量,但大水年或枯水年流量影响不容忽视;近期水沙组合发生明显变化,促使三角洲淤涨的水沙组合比例减少,侵蚀比例增加,平衡状态中,流量引起淤涨比例增加,输沙率引起淤涨比例减少,表明流量在三角洲演变模式中的作用有增强趋势。     

黄河下游平滩河槽形态与水沙搭配之关系

概括总结了对黄河下游断面几何特征与水沙关系(断面河相关系)的研究现状,基于"记忆"效应提出了几何特征与前期水沙的公式,利用1969～1996年水沙资料以及1973～1996年花园口～利津河段统测断面资料进行了统计分析,建立了花园口～高村、高村～艾山、艾山～利津河段平滩几何特征与前期水沙参数的(沿程河相)关系,认为各河段断面平滩几何特征与前期(前4年)水沙搭配条件有关,前期冲淤对断面形态的影响可以通过水沙搭配来反映,边界条件对断面形态的影响可以通过水沙参数的指数来反映.     

跨河建筑物局部水沙动力数值模型开发与应用

局部河床冲刷是引发桥梁、渡槽等跨河建筑物水毁的重要因素,利用数值模拟方法能够对洪水过程中跨河建筑物的局部冲刷风险进行分析与预测。介绍了一套用于模拟跨河建筑物附近水沙动力过程的数值模型HydroCRS,可计算建筑物所在河流的流场分布、泥沙运动及河床冲淤情况。模型采用一、二维嵌套的方法,在提高计算效率的同时能够较好地对接水文预报模型,以形成从气象预报到水文预报、再到局部冲刷风险预测的完整模拟系统。将模型应用于南水北调中线一期工程总干渠双洎河渡槽段工程的水沙动力过程模拟中,模型能够反映实际复杂地形下河床冲刷特性,为工程实践及风险评估提供参考。     

高原宽谷河段河床粒径与辫状形态特征研究

我国西南高原地区的河流在地质作用和河流动力过程等因素的塑造下,河谷形成宽窄相间的藕节状,其中宽谷河段呈现独特的辫状河流地貌,洲滩林立与汊道纵横的不规则形态特征十分显著。本文对其典型宽谷河段的泥沙粒径与河流地貌进行了现场观测,并根据卫星遥感影像资料解译了河道几何参数与洲滩几何参数等辫状地貌特征指标。泥沙柱状样和表层样的对比结果表明,目标河段内泥沙粒径沿程先增大后减小,表层河床组分以中、细砂为主,泥沙粒径垂向分布较均匀;遥感影像解译结果表明研究河段地貌特征在洪、枯季存在的显著差异,可通过基于汊道和洲滩参数的地貌参数进行描述。研究成果可为高原典型宽谷河段的河流形态和泥沙运动研究建立一定的基础。     

黄河下游河道场次洪水输沙特性分析

本文分析了黄河下游河道1950-1985年277场洪水的输沙特性,建立了考虑各变量高次方和交叉作用的排沙比回归模型。利用输沙率关系和逐步回归的方法,找到了排沙比的主要影响因素,确定了排沙比公式的形式。为进一步验证逐步回归的结论及确定交叉项中各变量的指数,利用实测资料回归分析得出各参数,然后对参数进行检验。并利用1986-1999年13场高含沙洪水实测资料对排沙比公式进行了验证。结果表明,本文所建立的排沙比公式能够反映场次洪水的输沙特性,有助于了解黄河下游河道的输沙规律。     

基于非线性理论的推移质输沙率公式

基于非线性理论的尖点突变模型,分析了水流条件和泥沙颗粒在床面相对位置对泥沙输移过程的非线性动力学特征的影响,得到尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了定性描述泥沙输移的尖点突变模型,并通过坐标变换和拓扑变换,构建了非线性推移质输沙率公式。经与推移质输沙率实测资料、基于同理论推移质输沙率公式和经典推移质输沙率公式对比,分析了低强度输沙时不同公式计算结果存在差异和高强度输沙时计算精度发生突变的原因,讨论了泥沙起动切应力对输沙率公式的影响,验证了本文公式具有良好的适用性,证明了本文非线性推移质输沙率公式是合理的。     

孔兑入黄数值模拟及分析

本文利用平面二维水沙数学模型对十大孔兑之一的西柳沟入黄进行模拟并分析。结果表明:在流场方面,高含沙洪水入汇后,壅水区水位升高,流速先降低后升高,不同点的流速升高不同步;河床在支流入汇口处存在突降,形成高流速区,经高流速区后流速迅速降低,泥沙淤落;相较于低含沙水流入汇,高含沙水流入汇的回流区外形更狭长,水流结构更复杂;低含沙水流入汇来沙全部输向下游,高含沙水流入汇则会有部分泥沙向上游输送;在入汇口上下游,上沙坝的形成过程是从两岸向中间发展最终合拢并堵塞主河槽,下沙坝则同时淤升,左岸抬升较为均匀,右岸抬升先快后慢,沙坝最终沿右岸延伸;在实际当中,交汇区的流场及河床变形与洪水过程密切相关。     

中小流量下黄河下游游荡段河床调整规律

小浪底水库运用后,进入黄河下游河道的水沙情势发生显著变化,大流量洪水频率大幅减小,中小流量洪水作用凸显。为揭示黄河下游游荡段中小流量下的演变特征,本文开展了500、1000、1500和2000 m3/s流量级下黑岗口—夹河滩段的动床物理模型试验。结果表明,垂向上,研究河段河床冲刷与淤积沿程相间分布,具有典型的游荡性河段的冲淤交替特征;横向上,中小流量下游荡段仍存在横向摆动的可能,且随着流量增大,主流弯曲系数由1.18减小至1.13,河道逐渐由蜿蜒向顺直发展;纵向上,各流量下深泓线调整趋势与冲淤量变化规律基本一致。此外,本文着重分析了河道工程与桥下河段河床的时空调整过程并运用随机模型进行了模拟。通过分析发现：时间上,河道工程附近河床垂向调整速率早期较快,之后随时间快速非线性减缓;空间上,桥下河段累积冲刷深度沿程非线性减小,空间衰减特性显著。应用表明,随机模型对典型局部河段的时空调整预测效果较好,相关系数R2可达0.74以上。本文探讨了中小流量下黄河下游典型游荡段长河段与局部的冲淤演变特征,可为未来黄河下游典型游荡性河段的河道整治与保护提供科学依据。     

黄河下游河道河床阻力计算研究评述

河床阻力是河流动力学基本问题之一。黄河下游含沙量高,泥沙颗粒较细,河床调整变化快,水沙条件的特殊性和河道形态频繁剧烈的变化给准确计算河床阻力带来很大困难。过去针对黄河下游特性的河床阻力计算已有较多研究成果,但黄河下游水沙及河道特性本身难以把握,床面形态测量难度大,导致目前河床阻力计算研究成果仍较为分散,未能从理论和计算方法上取得较好的共识。本文分析了影响黄河下游河道河床阻力大小的因素,对河床阻力计算研究方法进行总结,并指出进一步研究的方向。     

冲积河流河型的成因及分类与判别计算方法研究

本文建立的冲积河流河型成因的输沙平衡程度概念认为,不同冲积河流河型形成的根本原因在于其输沙平衡程度的不同。根据强平衡输沙概念,建立了冲积河流稳定程度公式。利用黄河、渭河和汉江部分资料进行的初步计算表明,根据河型成因的输沙平衡程度概念,基于冲积河流稳定程度公式,采用模糊聚类方法,可以建立一套完整的河型分类与判别的模糊聚类计算方法。