黄河下游河道汛期输沙水量及输沙效率分析研究

利用小浪底、花园口等水文站的水沙资料,计算黄河下游河道各水文站不同运用时期的输沙水量及其占对应时期径流量的比例,探究河道的输沙规律及影响因素。分析发现,黄河下游河道汛期冲淤平衡时,各水文站输沙水量与小浪底水文站的水沙指标具有较好相关性,总体上随径流量、流量和来沙量的增加而增加,随含沙量和来沙系数增加而减小并趋于稳定,输沙水量占径流量的比重随含沙量和来沙系数增加而增加并趋于稳定。这表明,黄河下游在汛期输沙水量较为稳定,且输沙水量较小,输沙效率高。通过小浪底水沙过程调配,达到了黄河下游河道水沙资源优化配置的目标。     

黄河下游河道输沙規律及小浪底水库对下游河道减淤作用分析

本文根据黄河下游多年实测资料,分析了水流流量、含沙量以及泥沙粒径、河床形态等因素对下游河道输沙能力的影响,探讨了黄河下游河道的输沙规律,并以三门峡水库投入运用后下游实测资料,利用多元回归分析方法,建立并验证了全下游河道输沙率关系式。本文根据黄河下游河道的输沙特性,对小浪底水库的运用方式提出三个方案,分析了不同运用方式对减轻下游河道淤积的作用。结果表明,只要运用得当,减淤效果显著,在水库最初25年运用期内可使下游河道减淤近67亿吨,相当于下游河道17年以上的淤积量,水库拦沙减淤比可达1.1∶1。     

断面间距对黄河下游高含沙洪水模拟结果影响

针对黄河下游河道特点及高含沙洪水演进特性,建立基于耦合解法的一维非恒定流非均匀沙数学模型.利用该模型计算黄河下游2004年8月的高含沙洪水过程,采用实测水沙资料对模型进行验证.验证结果表明,各水文站的流量、含沙量等计算值与实测值吻合较好,所建模型可以用于模拟高含沙洪水演进及冲淤过程.采用该模型计算不同断面间距条件下同场次的高含沙洪水过程,分析不同断面间距下的计算结果.分析表明:不同断面间距对一维模型的计算精度有一定影响,在计算边界条件及其他参数取值相同的条件下,计算断面间距对流量及水位的影响相对较小,对含沙量及河道冲淤过程的影响较明显.在黄河下游地形及水沙特性均复杂的情况下,采用一维数学模型计算高含沙洪水过程时,应适当考虑断面间距的影响.     

黄河下游河道输沙规律及小浪底对下游河道减淤作用分析

本文根据黄河下游多年实测资料，分析了水流流量、含沙量以及泥沙粒径、河床形态等因素对下游河道输沙能力的影响，探讨了黄河下游河道的输沙规律，并以三门峡水库投入运用后下游实测资料，利用多元回归分析方法，建立并验证了全下游河道输沙率关系式。本文根据黄河下游河道的输沙特性，对小浪底水库的运用方式提出三个方案，分析了不同运用方式对减轻下游河道淤积的作用。结果表明，只要运用得当，减淤效果显著，在水库最初25年运用期内可使下游河道减淤近67亿吨，相当于下游河道17年以上的淤积量，水库拦沙减淤比可达1.1：1。     

黄河下游漫滩洪水含沙量和级配变化研究

通过模型试验,研究了黄河下游夹河滩到高村断面河段漫滩洪水含沙量及颗粒级配的沿程变化规律。结果表明：（1）各种流量条件下,主槽含沙量沿程增大,但差别较大。（2）漫滩挟沙水流在滩区含沙量沿程衰减,在生产堤内及滩面衰减幅度较大,在二滩衰减幅度较小;同时,漫滩挟沙水流中的泥沙颗粒在落淤过程中有明显的分选作用。（3）二滩沿程含沙量衰减率与大河洪峰流量有关,流量越小,含沙量衰减越快。     

黄河下游河道1952～2000年特征大断面变化特性

黄河下游河道滩区防洪形势的严峻性使下游滩区的治理受到广泛关注.针对这种现状,作者搜集整理黄河下游各大断面历年汛期实测资料以及断面资料,用Visual FoxPro程序建立数据库;采用断面法计算汛期特征断面冲淤量;通过分析各断面历年汛期冲淤面积和平均冲淤深度变化,分析了近50 a不同来水来沙条件下河道冲淤演变特点,得到不同来水来沙对河道冲淤影响的几点认识.     

黄河泥沙数学模型研究

介绍了适合于黄河中下游水库、河道的泥沙冲淤一维数学模型．该模型在断面概化、含沙量及冲淤量横向分布计算和非均匀沙计算等方面采取了新的处理办法．     

黄河泥沙数学模型研究

介绍了适合于黄河中下游水库、河道的泥沙冲淤一维数学模型，该模型在断面概化，含沙量及冲淤量横向分布计算和非均匀沙计算等方面采取了新的处理办法。     

黄河第6次调水调沙对花园口至夹河滩段河道的影响分析

概述了2007年黄河第6次调水调沙的运行情况.从水文泥沙过程、调水调沙前后悬移质粒径变化、河道冲淤量及主槽过流能力等方面,分析研究了2007年汛前调水调沙对花园口至夹河滩段河道的影响.分析结果认为,花园口水文站来水量41.01亿m3,花园口至夹河滩河段冲沙0.041亿t,2水文站所在断面主槽过流能力增加幅度为300~500 m3/s,在流量3 000 m3/s时相应水位下降0.03~0.14 m,河段的行洪能力得到明显改善.     

挟沙水流试验研究

通过开展挟沙水流试验,对河槽断面的纵向时均流速横向与垂向分布、瞬时流速频率分布、紊动强度垂向分布规律进行了研究,最后分析了断面宽深比对张瑞瑾公式的影响.得出如下结论:在相同横断面面积、流量情况下,随着断面宽深比的减小,准二维流动的中心区所占河宽比例减小,断面流速分布更加趋中;挟沙水流主流区流速垂向分布基本上仍然符合对数分布,随着含沙量的增大,卡门常数k有减小的趋势;中垂线上各点瞬时流速频率分布基本上符合正态分布;靠近水面处紊动强度最弱,紊动强度随相对水深的减小而增大,随后紊动强度随相对水深的减小而减小;随着断面宽深比的减小,张瑞瑾公式中的系数呈增加的趋势,流量幂指数呈减小的趋势.     

清水作用下全动床复式河槽泥沙输移特性及其模拟

推移质运动是河流动力学的基本问题之一,通过水槽试验探讨了清水作用下全动床复式河槽泥沙的输移特性,并通过理论分析提出了该类河道的推移质输沙率的计算方法.试验表明:在清水作用下全动床复式河槽推移质输沙率先随时间单调递增,而后随时间单调递减;推移质中值粒径先随时间大幅度增大,后随着时间的增加中值粒径增大的幅度减小,最终将趋于初始床沙中值粒径.根据推移质输沙率的变化特性,运用仙农熵的概念与理论,通过最大熵原理和变分法推导了河道粗化过程中的推移质输沙率公式,并对该公式参数的敏感性进行了分析.计算结果表明,该公式可以模拟全动床复式河槽河道粗化过程中的输沙率随时间的变化特性.     

采砂区布置对分汊河道的影响分析

以长江天兴洲河段为例,应用平面二维水沙数学模型,采用实测水沙数据进行率定与验证,模拟了不同流量级下采砂区相对分汊口距离不同采砂后分流比、水位和流速变化规律,模拟结果表明,在相同水流条件下,随着采砂区距分汊口距离的增加,采砂后主汊分流比与河段水位和流速变化都呈先增后减的规律.进一步选取2004年作为典型水沙年预测采砂后河段冲淤变化和回淤率,预测结果表明,河段总的冲淤量随着采砂区相对分汊口距离的增加呈先减后增的规律,而采砂区回淤率呈先增后减的规律.模型成果可为本河段采砂的可行性和采砂规划控制提供科学依据.     

长江泥沙调控与干流河床演变及治理中的关键科学技术问题与预期成果展望

长江流域面积180万km2,人口和国民生产总值均超过全国的40%,是我国水资源配置的战略水源地、水电开发的主要基地、连接东中西部的“黄金水道”和珍稀水生生物的天然宝库,在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。近些年来,在自然条件和人类活动的双重影响下,长江泥沙时空分布与产输过程发生了重大变化,给河流开发利用与保护均带来了显著影响,而沿江经济社会快速发展和生态文明建设不断对长江泥沙提出调控要求。同时,河流工程建设和泥沙资源化利用的发展也使长江泥沙调控具备了基本条件。但泥沙兼具灾害性与资源性,泥沙调控与河流功能发挥之间存在着矛盾与统一,需要深入研究。国家重点研发计划项目“长江泥沙调控及干流河道演变与治理技术研究”以揭示长江泥沙输移分布与河流开发及保护之间的耦合作用关系,研究提出满足沿江经济社会和生态环境需求的长江泥沙调控、河道演变与治理的基本理论和关键技术为总目标。重点研究长江泥沙来源与时空分布变异规律和趋势,河道演变对水沙输移变化的响应机制,控制性水利水电工程联合运用下长江干流和洞庭湖、鄱阳湖的水沙输移规律,河床重塑过程与驱动机制及其防洪、航运和岸滩利用等多重效应,长江泥沙多维耦合与协同调控的理论和方法,并研发多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道治理技术。通过本项目研究,预计将揭示多因素影响下长江来水来沙时空变异特征与趋势、水沙输移与河道演变的响应机制;定量预测控制性水库联合运用下长江和洞庭湖、鄱阳湖泥沙输移与冲淤过程,揭示长江河道的重塑过程、相对平衡状态与驱动机制,阐明河流系统再造的防洪、航运及岸滩利用等多重效应;构建长江泥沙调控的理论框架,建立泥沙调控指标体系、方法和模型;研发江河湖库多尺度、多目标与多过程泥沙联合调控技术和河道综合治理技术,并予以示范。本项目的研究将推动河流动力学学科发展,促进长江水沙资源利用与保护,为流域社会经济发展和河流生态保护提供基础保障,具有显著的社会经济与环境效益。     

某抽水蓄能电站拦沙库泄洪排沙系统的水力特性研究

以某抽水蓄能电站下水库泄洪排沙洞为研究对象,利用相似理论建立了比尺模型,该模型通过了河道阻力试验验证。试验中,观测了不同水力条件下的洞内水流流态、水面线、流速、消能状况以及下游护岸冲刷情况。试验观测结果表明,泄洪排沙洞进口流态平顺、泄流能力及隧洞段流态均满足设计要求,但陡坡扩散段以下的急流涵洞段出现水跃闷洞、明渠深度不足、出口扩散段不能集中拉沙等问题。基于调整纵坡、协调各段输水能力、抑制水跃强度的修改思路,进行了优化修改试验。经多次比对试验,最终确定了优化修改方案,解决了涵洞段与明渠段水流衔接的协调性。修改方案较合理地控制了洞内水深,消除了明流洞水跃壅塞现象,改善了洞内流态;同时,增设扩散段输沙槽,有效提高了小流量集中拉沙的能力,满足了不同水流条件下的泄流安全要求。该研究成果对类似工程设计与安全运行具有一定的参考价值。     

三峡工程运用后上荆江枯水河槽调整及其对航道的影响

三峡工程运用后,上荆江河段河床冲刷较为剧烈,枯水（5000 m3/s流量下）河槽形态相应发生调整,对航运产生了较大影响。本文通过一维水动力学模型确定了各固定断面的枯水河槽形态参数。由于不同断面的河槽形态沿程存在显著差异,故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2002-2015年上荆江河段尺度的枯水河槽形态参数。计算结果表明：受大范围护岸及护滩工程的影响,研究时段内上荆江枯水河槽宽度仅有小幅度增加,而相应的水深和面积增加约0.68 m及870 m2,增幅分别达12%及15%,航道条件总体上有所改善;枯水河槽宽深比呈持续减小趋势,由2002年的5.73减小至2015年的5.17,故近期上荆江枯水河槽形态趋于窄深;但在火箭洲、沙市及公安弯道等局部河段,江心洲或凸岸边滩的剧烈冲刷导致河槽展宽,宽深比明显增加,引起局部水深不足、航槽不稳定等现象。此外通过分析河槽形态调整对前期水沙条件的滞后响应,建立了河段尺度的枯水河槽形态参数与前6年平均的汛期水流冲刷强度之间的经验关系。结果表明：受人类活动干扰,上荆江河段尺度的枯水河槽宽度与前期水沙条件的相关程度较低,故建立的枯水河槽宽度公式不能反映水沙条件变化对河宽调整的影响;而上荆江河段尺度的枯水河槽水深、面积、宽深比与前6年平均的汛期水流冲刷强度的相关程度分别为0.92、0.95及0.85,故这三个参数均可较好地对由于三峡工程运用引起的水沙条件改变做出快速响应。     

山区河流植被洲滩河段水沙运动特性试验研究

山区河流受水沙条件和河流形态影响,植被洲滩发育丰富,显著改变局部河段的水沙运动及其演变特征。基于室内洲滩模型自然生长植被的水沙试验,探讨了植被与泥沙补给对洲滩河段水流结构及冲淤变形的影响。试验结果表明：植被茎叶加大对水流扰动,减缓水流流速,上游补给泥沙在植被周围形成小型沙丘,以波状输移为主;大量来沙条件下,泥沙多落淤洲头及洲尾,促使洲滩的快速发育;淹没植被枯萎,茎叶凋落,加剧洲头及洲滩两侧坡脚冲刷;植被与上游来沙显著影响洲滩汊道分流特性,加沙和植被茎叶部分促使左汊分流比降低。因此,山区河流植被与上游泥沙补给调整洲滩汊道过流能力及发育过程,对植被洲滩河段的水沙运动产生较大影响。     

黄河下游游荡段持续淤积及冲刷时平滩河槽形态调整规律

自1986年以来,由于上游来水来沙量不同程度的减少及小浪底水库的运用,进入黄河下游的水沙条件发生了较大变化.下游河道分别经历了持续淤积和持续冲刷的过程,其平滩河槽形态调整较为显著,尤其在游荡段.利用1986-2012年汛后实测淤积断面资料,统计了各年游荡段汛后28个断面的平滩河槽形态参数(平滩河宽、水深及面积等).然后,采用基于对数转换的几何平均结合断面间距加权平均的方法,计算了基于河段尺度的游荡段平滩河槽形态,并分析了这些参数的变化规律.计算结果表明:河段平滩河槽形态的调整与汛期及非汛期水沙条件都密切相关,且能与前期4年平均的汛期及非汛期的流量及来沙系数建立经验函数关系.该关系式可反映出流量、来沙系数对平滩河槽形态各参数的不同影响,并有较高的相关系数.     

河流网泥沙输移动力学模型的稳态分析

为了建立一种能够反映河网上泥沙输移的动力学模型,以体现泥沙在河流网上的输移特点和最终的冲淤平衡态,在对河网中支流级别及河段数作出新规定的基础上,即以支流汇入到干流所历经的汇流次数作为支流的级别,而支流河段数由高一级别支流的汇入决定,重点考虑了支流某河段携沙能力受本河段及相邻河段冲淤变化的影响,建立了反映河网上泥沙输移基本物理过程的模型.模型反映出不同河段上携沙能力和冲淤变化之间的自我调节是使河道趋于稳定的原因所在.结果表明,利用模型对稳态冲淤特点进行分析的结果与自然河域枯水期的泥沙冲淤特点吻合.该模型的提出为泥沙冲淤控制及河道演化等专业领域的传统问题提供了新的研究视角.     

Water demand for ecosystem protection in rivers with hyper-concentrated sediment-laden flow

1IntroductionTheriversystemisoneofthemostimportantnaturalecosystems,andithasquiteintimaterelationshipwithhumanbeings.Theprimaryriverinefunctions,suchaswatertransfer,sedimenttransportation,floodrelease,self-purification,landscapeforrecreationorasbiologicalhabitats,navigationandsoon,havegivenmuchconveniencetohumanproductiveactivitiesanddailylife.Ontheotherhand,thenaturalriversystemhasbeeninterferedextensivelyinrecentyearsbyhumanactivities,andthustheriverecosystemhasbeendamagedandriverinefunction…