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。     

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。     

黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点

黄河下游水流含沙量大,河床调整迅速,河道输沙能力变幅大,输沙过程与规律复杂。因此研究黄河下游泥沙输移规律,是研究河床变形过程、预测河道发展趋势的基础,对水沙治理与河道整治规划具有重要的现实意义。本文以黄河下游游荡段为对象,基于1986—2015年游荡段实测水沙资料与地形资料,分析了花园口-夹河滩河段与夹河滩-高村河段的非均匀沙输移特点。研究结果表明：①输沙率经验公式的相关性与泥沙粒径有关,泥沙粒径越小,输沙率经验公式的相关性越好,细沙的相关系数可达0.99。②排沙比与来沙系数、河相系数均呈负相关,且河相系数较大时,排沙比变幅较小。夹河滩-高村河段的中沙排沙比与来沙系数、河相系数的相关关系较其他粒径组泥沙更为密切,花园口-夹河滩河段则分别为细沙和粗沙排沙比。③在同时考虑了水沙条件与断面形态对河段排沙比的影响之后,输沙率经验公式的精度明显提高,相关系数在0.48 ~ 0.65之间。     

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。     

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。     

梯级水电站水库水沙联合优化调度研究进展

水沙联合调度由于其多目标特性和求解的复杂性,一直都是水库调度中的难点。文中详细阐述梯级水库水沙联合优化调度的基本理论,并介绍了水库优化调度子系统和水库泥沙冲淤计算子系统,总结了水沙联合调度中多目标的选取、目标函数的建立及约束条件的制定等。探讨梯级水库水沙联合调节计算的常规算法和智能优化计算方法,并对子系统间的耦合机理、水沙的链接方式、多目标的处理方法等水沙联合调度中的关键问题进行了分析,提出了梯级水库水沙联合调度研究中一些有待深入研究的问题。建立水库群水沙联合优化调度模型,来定量地描述梯级水库联合调度运行规则、泥沙输移变化规律,实现兴利、防洪、泥沙输移等的最佳协调,成为有待进一步研究的重点。     

移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟北大核心CSCD

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。     

瓯江口航道治理工程水沙环境问题研究

基于现场实测资料,对瓯江口的水沙特征、冲淤演变、航道的淤积特点及原因进行了分析。建立了波浪潮流泥沙数学模型和台风骤淤数学模型对瓯江口航道二期治理工程正常航道年泥沙淤积和台风泥沙骤淤进行了计算,对其对周围水沙环境的影响进行了分析。研究结果表明：1）瓯江口航道二期治理工程对周围水沙环境的影响很小;2）瓯江口航道的泥沙淤积主要是大风骤淤,瓯江口航道治理二期工程方案可以通过控制三角沙达到航道减淤的目的,采用北导堤和三角沙西堤作为整治方案有明显的减淤效果。     

三峡水库首次蓄水对泥沙输移特性的影响

以2003年三峡库区及坝下游水文站水沙整编资料为基础,分析了水库上游来水来沙情况,并与2002年比较,讨论了不同阶段水库悬移质泥沙输移的不同特征。结果表明,在水库135m蓄水以前,库区河道微冲;蓄水期间排沙比最小,仅10%左右;两次蓄水过程后排沙比约15%左右;全年排沙比约30～40%,其中约85%左右的泥沙输移是在两次洪水过程中完成的,两次洪水过程排沙比近50%。来水来沙量大时,泥沙主要淤积在万县—大坝区间,来水来沙量小时,主要淤积在清溪场—万县区间。水库的输沙特性主要受库尾地形、水面比降、流量、含沙量等因素的影响。     

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。     

黄河上游不同用水情景下可调输沙水量概念探析与估算分析

近年来,黄河上游水沙关系不断恶化,造成沙漠宽谷河道淤积、萎缩现象日益突出,严重制约和影响了黄河上游防凌安全及水能资源综合开发与有效利用。黄河上游梯级水库的联合调度运行,是缓解河道泥沙淤积、发挥水库水沙调控效益、从而提高危险断面过流能力的有效技术措施之一。此文在初步探析黄河上游可调输沙水量基本概念的基础上,阐明了可调输沙水量与水库可调水量之间的相关关系,进而通过计算黄河上游龙羊峡水库1987~2010年可调水量,探讨了满足综合用水需求和发电用水需求两种情景模式下的黄河上游历年可调输沙水量及水库水沙调控效益。结果表明:满足黄河上游综合用水需求情景下,龙羊峡水库富余水量可完全满足下游河道输沙用水需求;满足发电用水需求情景下,发电用水不能集中下泄,导致水库水沙调控效益不明显。若需实现河道调水调沙任务,则应适当降低电站出力需求。研究成果为进一步缓解黄河上游水沙关系、制定水沙调控方案提供了科学合理的理论指导依据。     

特约文章：黄河水沙变化与治理方略研究

The key problem in the management of the Yellow River stems from its distinct characteristic, namely the insufficient runoff and excessive sediment loads lacking sufficient coordination, which causes complexity and difficulty in management. This paper examines the changes in runoff and sediment loads of this river and its characteristics of fluvial process in recent decades, based on a review of its management history. Then, we describe a strategic thinking of river management that would be effective in the existing water and sediment condition of the river to cope with its various new features, such as sharp decline in runoff and sediment loads, river channel shrinkage, intensified ‘secondary suspended river’, and increasingly prominent contradiction between floodplain reclamation and river harnessing. Our strategy in managing the Yellow River is to regulate its relation between water and sediment and improve the lower channel, under which several engineering measures should be adopted: construct a river regulation system for water and sediment control, reconstruct and maintain the primary channel with sufficient water and sediment transport capacity, lower the Tongguan elevation in the middle reach, improve the river channel in the lower reach, and stabilize the flow paths in the river mouth. The strategy and measures would provide a useful support for comprehensive management of the Yellow River.     

黄河下游河道的输沙平衡关系及应用

Equilibrium sediment transport relations in terms of discharge and channel shape for the lower Yellow River were obtained by introducing the characteristics of sediment transport of the lower Yellow River into the general formulations of equilibrium sediment transport for two-phase heterogeneous flows. These relations can be used for analyzing the characteristics and trend of adjustments in longitudinal and transverse channel shapes of a channel reach in response to variations of flow and sediment load. The applicability of the equilibrium sediment transport relations was verified for adjustment of channel cross section based on the stage-discharge relation of a typical hyperconcentrated flood at the Jiahetan station in 1977, which indicates that the adjustment was not a permanent one.The proposed equilibrium sediment transport relations for the lower Yellow River are closely related to parameters of “equilibrium slope” and “hydraulic geometry” used in river training. Because of the adjustment of channel slope is related to cross-sectional shape, the cross-sectional parameter must be included in the “equilibrium slope”.The equilibrium sediment transport relations for the lower Yellow River provide a quick calculation method for various channel designs. This is very important for transport of sediment from the Yellow River to farmland using irrigation channels, deposition of sediment on floodplains using desilting channels, and reduction of sediment deposition in the lower Yellow River.     

从三门峡水库水沙条件变化看潼关高程

本文根据三门峡水库建库前后的水沙变化，特别是近年来沙量减少、泥沙粒径变细，以及近年来入库水量尽管大量减小，而三门峡库区河道及潼关以上相当长度范围河段比降并没有明显增加的事实，说明水沙条件变化不是导致近期潼关高程居高不下的唯一原因。分析降低潼关高程的可能性时，必须全面分析这些因素的变化。单独强调目前入库水量减少而否定潼关高程降低的可能性是不正确的。即使在1986年以后入库水量大量减少的条件下，库区、渭河下游和小北干流下段仍然属溯源淤积性质。溯源淤积的根源是下游壅水。所以，降低潼关高程的必要条件是降低三门峡水库的运行水位。     

不同治理模式下黄河河口段冲淤演变的数值模拟

黄河河口为弱潮陆相河口,具有区间来水量少、来沙量高、河口延伸速度快的特征,进入河口的沙量对特定流路河口冲淤演变起主导作用。在前人研究基础上,认为预测河口段河长延伸值必须考虑陆上和滨海淤积量的共同影响,再基于1958年汛后—2000年汛后利津以下实测资料建立了河口段各部分累计淤积量与利津站累计来沙量的相关关系,利用准二维水沙数学模型对黄河下游及河口段进行耦合模拟,在年均来沙3亿t、6亿t和8亿t这3种设计水沙系列条件下, 计算了黄河下游小浪底—河口段现状治理模式和“两道防线”治理模式对黄河河口各部分累计冲淤量、西河口以下河长延伸值等特征量的影响。其结果表明：黄河河口段未来50年在现状治理模式和“两道防线”治理模式下均呈淤积趋势,在三种水沙条件下“两道防线”治理模式的河口段淤积量较之现状模式增淤量分别为2.10亿t、3.48亿t和4.20亿t;同时,“两道防线”治理方案中设置的防护堤对西河口以下河长有明显影响,与现状模式相比河长延伸值分别增加1.27 km、2.07 km、2.49 km。     

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.     

基于变化范围法的黄河头道拐站水沙变化分析

采用变化范围法（RVA法）对龙羊峡、刘家峡水库运行前后黄河头道拐水文站日均径流量和含沙量数据进行分析,量化评价水沙变化程度。在定量分析的成果上,结合Copula函数,进一步探讨了水库运行前后月水沙丰枯遭遇和同步频率的变化规律。研究结果表明,龙刘水库运行后,头道拐水文站径流量和含沙量减少,二者整体均发生中度改变,径流量整体改变度高于含沙量整体改变度;汛期内和极大值情况下水沙受影响程度较高;月水沙同步频率增加,非畅流期同步率变化显著,畅流期内同步频率大于异步频率。水库管理者可根据分析得出的水沙变化规律,针对性采取诸如桃汛期抬高库水位、汛期增加洪水脉冲等调度策略,在不增加淤积的前提下提高水库的综合效益。     

锦屏二级非常规洪水冲沙减淤优化调控研究

泥沙淤积严重会影响水库正常运行,但汛期畅泄冲沙又会造成一定发电损失。针对人工泄水冲沙解决水库泥沙淤积问题,设计了一种非常规洪水冲沙方式,通过物理模型试验研究了对称非常规洪水与非对称非常规洪水输沙规律。结果表明,对于对称非常规洪水,平均流量相等条件下,输沙能力随着流量变幅的增大而增大;对于非对称非常规洪水,平均流量与峰流流量不变条件下,输沙能力随基流时长与峰流时长比值的减小而增大。并基于此建立了锦屏二级三维水动力泥沙数值模拟模型,设计了合理的非常规洪水冲沙方式,验证了非常规洪水对锦屏二级库区泥沙输移效果的优化。非常规洪水冲沙方式对解决水库泥沙淤积,节约冲沙用水量,达到经济最优有一定参考意义。