交汇河段水沙运动和冲淤特性的试验研究

本文叙述了交汇河段水沙运动特性的模型和水槽试验研究的成果。作者曾利用嘉陵江和长江交汇河段模型研究天然情况和水库运用情况下悬移质水沙运动特性,以及利用具有不同交汇角的汇流水槽研究推移质水沙运动特性。文中指出汇流比、交汇角、输沙率比以及下游水位等因素对河段的水沙运动都具有影响,其中干支流流量和汇流比的不同组合起着关键作用。河道模型试验表明:水位的变化规律是干流在固定流量下水位随汇流比的增加而增加,支流随汇流比的增加而减小;冲淤特性是汇流比大时干流边滩淤积多而支流口门段冲刷,汇流比小时反之。汇流水糟试验表明:交汇口上游干流段水面比降随交汇角的增大而变缓;相同汇流比情况下,干支流河段淤积量随交汇角的增加而增加。     

渭河下游河段平滩流量的变化

平滩流量是河道主槽过流能力的一个重要指标,在河床演变学上具有重要意义。部分学者认为河段平滩流量更能反映整个河段的过流能力,然而,对于河段平滩流量研究范围及其影响因素的研究尚不多。本文以渭河下游咸阳-潼关河段为对象,研究河段平滩流量以及收敛长度的变化。断面平滩水位根据基于几何标准的WOL方法确定,河段平滩流量则采用收敛法估算。根据渭河下游河道长序列水沙过程的模拟分析发现,河段平滩流量与入口水沙条件呈现良好的相关关系,能很好地反应河道平滩特征的变化。同时,用于获得河段平滩流量的收敛长度与河道的冲淤变化密切相关,对实际估算河段平滩流量具有一定意义。     

黄河下游输沙平衡关系及应用

在两相非均质流输沙平衡一般关系式中引入黄河下游泥沙特性,得到了以流量及河槽形态表达的黄河下游输沙平衡关系,可用于分析水沙变化对河段纵横形态调整的趋向和特性。通过1977年典型高含沙洪水在夹河滩站的水位与流量关系,验证了输沙平衡关系式用于河槽横断面调整的可靠性,并表明这种调整是不能持久的。建立的黄河下游输沙平衡关系,与河道治理中"平衡比降"及"河相关系"等参数有密切联系,因河道纵坡降调整与其横断面形态有关,所以"平衡比降"表达式中必须有横断面因素。黄河下游输沙平衡关系为下游各种渠道设计提供了快捷的计算方法,对引黄灌溉渠道输沙入田、引黄放淤渠道输沙淤滩及减少下游河道泥沙淤积具有重要意义。     

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。     

山区大比降河流寸滩河段卵石推移质输沙率研究（Ⅰ）—无量纲输沙强度

中国西部存在大量比降大、相对光滑度小、河床组成粒径粗的山区大比降河流,本文针对其河流特性,选择寸滩河段作为代表计算河段,搜集了1954~2007年5233组实测资料作为基础资料,分析比较了6个经典推移质无量纲输沙公式的计算精度。参照计算精度最高的Fredsoe(1976)式的思路,假设输沙强度Φ与有效水流强度Θ*成幂次关系,以水流强度与泥沙起动临界水流强度为主要变量,建立了寸滩河段的推移质无量纲输沙公式。通过对比,本文公式能很好地反映寸滩河段推移质输沙规律,计算精度较经典公式有一定提高,可为该河段的水沙研究提供借鉴与参考。     

松花江中下游河相特性分析

为分析松花江中下游的河相特性,收集整理了松花江中下游平原河段7个典型水文站1955—1987年实测流量、实测大断面、日均流量、日均悬移质输沙率等项水文资料,运用水位–流量关系分析得到了造床流量、造床水位、造床河宽,根据水位–流量关系、水位–面积关系与矩形堰流接近的性质,将天然过水断面概化成复式矩形水力当量断面,水力当量断面与天然过水断面相比,具有相同的水位–流量关系、水位–面积关系,具有相同的造床流量、造床河宽、造床水深。松花江中下游宽深比形式的河相关系表明B/H是水深的函数,B/H值的总体趋势是上游小、下游大,范围为3.26~9.12 m-0.5,介于长江与黄河之间。     

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。     

三峡工程蓄水以来长江与洞庭湖汇流关系变化北大核心CSCD

三峡工程蓄水后,长江干流监利站同流量下的水位有一定降低,而城陵矶站和螺山站同流量下水位抬升。监利站流量为5000m3/s时水位下降1.0m左右,流量大于15000m3/s时无显著变化;城陵矶站流量为2500m3/s时水位抬高0.4m,流量大于10000m3/s时暂无显著变化;螺山站流量小于15000m3/s时水位无明显变化,但高水时期有所抬高,当流量为35000～45000m3/s时,蓄水后同流量下水位抬高约0.6m。长江与洞庭湖汇流区相互顶托比较严重,顶托关系与两者来流大小的相对关系密不可分。长江与洞庭湖顶托最小的最优流量比(城陵矶站与监利站流量比)在0.55～0.85之间,一般总流量越小,最优流量比越小。近段时期以来,由于四水加之三口分流减小引起城陵矶与监利站流量比减小,导致长江对洞庭湖的顶托加剧,抬高了城陵矶同流量相应水位,但另一方面由于城陵矶流量减小,降低了水位,两者可以部分甚至全部抵消。现阶段,螺山站同流量下相应城陵矶站水位没有发生明显变化,仅在高水(螺山流量大于等于25000m3/s)同流量下城陵矶水位抬高0.1～0.4m。三峡工程蓄水后,洞庭湖出流段水面比降呈逐渐减小趋势,鹿角-莲花塘平均水面比降较1991-2002年平均值减小22.8%,高水期间和枯水期间减小幅度达到30%左右。     

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。     

特约文章：三峡水库下游河床冲刷与水位变化

为探析三峡水库下游河床冲淤与水沙输移之间的关系以及河床冲淤对洪枯水位的影响,采用三峡水库运用前后长江中下游水文泥沙和河道地形资料,分析归纳了主要水文站水沙变化、沿程河道冲淤分布和洪枯水位变化特征。研究表明：冲刷集中于枯水河槽既与洪水频次减少、中等流量持续时间加长有关,也与中等流量下河道冲刷率大、洪水流量下河道冲刷率小的特点有关;主冲刷带自上而下推移,目前仍位于荆江河段;粗沙（d > 0.125 mm）的年均输移量至监利基本可恢复至蓄水前的多年均值,城陵矶以下长河段冲刷主要是细颗粒冲刷导致;河道冲刷导致中枯水位明显下降,并在城陵矶以上沙质河段呈现加速下降趋势,但当流量大于平滩流量附近的临界值时,高水位变化不大,初步预估这种变化特点将在较长时期内保持。     

三峡入库沙量变化趋势及上游建库影响

定量研究上游水库拦沙效应是揭示三峡入库水沙条件变化的关键之一.本文分析了长江上游12000多座水库拦沙对三峡水库来沙量减少的影响,并预测在建、拟建水库运行后三峡入库沙量变化趋势.结果表明,1991-2005年三峡上游水库群年均拦沙约18000万t,其中嘉陵江和金沙江流域水库群的年均拦沙量分别为6010万t和5000万t...     

长江中游非均匀沙冲淤对来水来沙响应初步分析

为分析长江中游河段不同粒径组泥沙冲淤对来水来沙的响应,本文依据年统计资料,建立了非均匀沙冲淤量与来水来沙量的相关关系。分析结果表明,长江中游非均匀沙年冲淤量与年输入沙量的关系比较密切,泥沙粒径越大,其相关性越强,且单位来沙量改变引起的河道冲淤量越大、河道冲淤平衡时对应的临界输入沙量越小。     

三峡水库区间侵蚀产沙变化分析

三峡区间地形起伏,降雨多,强度大,具有发生水土流失的潜在条件。因此,区间产沙量成为三峡入库泥沙不可忽视的一部分。然而,由于区间来沙难以定量计算,自三峡水库初步设计以来,入库泥沙量均未考虑区间来沙。本文利用GIS空间分析技术和基于统计方法的RUSLE模型,分别选取三个不同降水典型年(2000、2007和2010年)计算得到三峡区间水土流失空间分布图。模型计算结果显示,三峡库区土壤侵蚀模数平均值,大小顺序依次为2000年、2007年、2010年,分别为2474.26t/(km2·a)、2126.02t/(km2·a)、1844.24t/(km2·a),从而可以估算这3个年份三峡库区的土壤流失量分别为1.45×108t、1.24×108t、1.08×108t。     

分汊河道水流运动特性研究

在边界拟合正交曲线坐标系下，运用同位网格模式和界面动量插值的条件建立了二维水流数学模型，采用天然河段的实测资料对模型进行了验证。运用该模型研究了长江中游弯曲型分汉河道分流区在不同流量情况下水流运动与挟沙力因子的变化规律，为研究三峡蓄水后对坝下游河道的影响提供了研究手段。     

黄河下游水沙变化及河床纵横断面的演变

近年来，黄河下游来水来沙出现一些新的特点，水沙的变化必然影响下游河床纵剖面和横断面的调整变化。本文利用黄河下游1960-1997年的水沙资料和1977-2002年的断面资料统计分析了黄河下游水沙历年、汛期和脉动变化特点以及主槽平均河床高程和河相系数变化特点。分析表明：1）1986年以后，黄河下游水沙量和水沙脉动量显著减少，艾山以下河流非汛期时常出现断流现象；2）黄河下游纵剖面呈S型发展；3）黄河下游主槽断面面积减小。主槽明显萎缩。     

基于4G的径流泥沙远程监测云平台设计

径流泥沙含量是衡量土壤侵蚀程度的重要指标,对径流泥沙的在线实时监测是水土保持工作的一项重要内容。针对当前径流泥沙监测自动化、信息化程度低,无法实现远程无人监控的问题,设计了一种基于4G的径流泥沙在线远程监测系统。现场设备实时采集的含沙量、降雨量、径流量等数据通过4G无线网络远程传送至云平台,实现对所采集数据的显示、存储、统计和分析,用户登录此平台即可实现对径流泥沙含量的远程实时监控。应用结果表明系统运行稳定,可实现对径流泥沙的远程无人监测,对提高水土保持系统的信息化水平具有重要意义。     

特约文章：近期长江中游枯水河槽调整及其对航运的影响

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,枯水河槽形态调整显著,对航运条件产生了较大的影响。本文首先采用枯水河槽形态参数计算方法,确定了长江中游各固定断面的枯水河槽形态参数;然后采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的河段平均方法,计算了2003—2016年长江中游4个子河段的平均枯水河槽形态参数。计算结果表明长江中游枯水河槽宽深比总体呈减小趋势,河床趋于窄深,对航运条件有利。此外还建立了各子河段枯水河槽形态参数与前期多年平均水沙条件之间的经验关系：当滞后响应年数n = 5时,经验关系在宜枝及荆江河段的决定系数达到最大;而当n = 7时,经验关系在城汉及汉湖河段的决定系数达到最大。总体而言,各河段枯水河槽形态参数调整（除河宽外）均可对进口水沙条件的改变做出较好的响应,且越靠近三峡大坝,响应程度越高。     

悬移质挟沙能力水槽实验方法探讨

水流挟沙能力是研究悬移质泥沙输移的核心问题之一.对不均匀泥沙,由于细颗粒调整的滞后性,传统循环水槽实验较难获取悬移质与河床泥沙相对应的输沙平衡条件,需要大量精度不高的浓度测量和无法避免细沙在系统中循环影响实验精度.本文通过改进水槽进口加沙和增加出口过滤系统,并采用不平衡淤积方式逼近平衡输沙进行实验和研究挟沙.实验得到从...     

滞后响应模型在黄河内蒙古河段的应用

通过黄河内蒙古河段巴颜高勒站和三湖河口站实测水沙资料分析表明,巴颜高勒站平滩流量的调整与包括当年在内的前期10年的水沙条件相关,三湖河口站则与包括当年在内的前期14年的水沙条件相关.将滞后响应模型应用于黄河内蒙古河段平滩流量的计算,得到了适用于巴颜高勒站和三湖河口站平滩流量的计算方法.计算结果表明,滞后响应模型能够很好的描述该河段的平滩流量调整规律,计算精度较高.分析认为滑动平均计算方法可以看作是滞后响应模型的一种简化形式,针对巴颜高勒站和三湖河口站平滩流量的滑动平均计算方法也可得到较高的精度.     

基于河道平面变形数值模拟的等效造槽流量计算方法

针对河岸崩塌剧烈、河道平面变形特征显著的冲积河流,从河岸变形角度提出等效造槽流量(造床流量)的计算方法.以等效造槽流量作为计算条件,成功应用于下荆江石首河段平面变形的三维水沙数值模拟中,结果表明:采用等效造槽流量近似天然水沙过程,能较好地模拟出时段内河道的显著平面变形特征,与天然来水来沙过程模拟结果较接近;采用等效造槽流量作为计算条件时,其最大优势在于节省计算用时,提高计算效率,为长河段、长历时的河势模拟研究提供了一有效途径.