冲积河流河床演变的滞后响应模型-Ⅱ模型应用

采用三门峡库区累计淤积量、潼关高程、黄河下游高村站平滩面积和利津站平滩流量、科罗拉多河建库后的下游河床冲刷、密苏里河建库后的下游河道展宽以及图尔特北叉河在圣海伦火山爆发后的河床升降资料,对前文建立的滞后响应模型的三种计算模式,包括通用积分模式、单步解析模式和多步递推模式的合理性和适用性进行了检验。三种计算模式的计算结果与实测值均吻合较好,表明滞后响应模型能够很好地描述河床演变中存在的滞后响应现象和前期累计影响,对定量研究冲积河流河床演变的滞后响应具有重要的理论意义和实际价值。     

冲积河流平滩流量的滞后响应模型

基于冲积河流自动调整的基本原理,根据河床在受到外界扰动后调整速率与其当前状态与平衡状态之间的差值成正比的基本规律,提出了冲积河流平滩流量的滞后响应模型,阐明了前期水沙条件对平滩流量滞后影响的物理本质.采用黄河下游5个主要测站1960~2003年实测平滩流量资料对滞后响应模型进行了检验,结果表明所建模型能够反映平滩流量的滞后响应过程,而且在水沙条件发生变化时,该河段通过冲淤调整达到新的平衡状态的时间约为5年.     

长江沙市段断面面积对水沙变异的滞后响应研究

通过长江中游沙市站的实测水沙、断面资料的分析表明,沙市站河槽形态的调整对水沙变异存在一定滞后性。为了研究沙市河段河床演变的滞后响应规律,从3个方面对适用于黄河流域的河床演变滞后响应模型进行改进:①以沙市站多年平均枯水位下的断面面积作为滞后响应模型的特征变量;②引入“年组合流量”概念;③在模型迭代公式中使用分段函数,从而得到适用于沙市河段的河床演变滞后响应模型。利用模型迭代公式进行计算,结果表明改进后的河床演变滞后响应模型计算精度R²处于0.7~0.8之间,可以很好地描述沙市站河槽形态的调整规律。     

基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。     

图特河北汊对圣海伦斯火山爆发响应过程的模拟

受1980年圣海伦斯火山爆发的影响,图特河北汊（North Fork Toutle River）河道被掩埋深度达140多米,重新发育河道在时空上均表现出冲淤交替的调整特点。以往研究方法仅能模拟河床高程单调上升或下降的变化趋势,而不能模拟火山爆发后30多年间河道冲淤交替的动态调整过程。本文收集了图特河北汊近30年来的水沙资料和断面形态资料,采用河床演变的滞后响应模型,对图特河北汊的河床高程及河道冲淤过程进行了模拟。结果表明,滞后响应模型的不同计算模式均能较好地模拟图特河北汊对火山爆发的响应调整过程,模型计算精度较高。由于滞后响应模型考虑了前期水沙条件对河道演变的累计影响,因此该模型能够较好模拟河道由扰动后的非平衡状态向平衡状态调整的全过程,可用于模拟和预测河流受突发剧烈扰动后的动态调整路径。     

基于冲积系统趋衡响应模型的河床冲刷研究与预测

运用河流辩证法原理分析非平衡态河流的演变趋势，可见水沙或边界变化等扰动引发的系统偏差普遍表现出时空衰减的特性，在趋于新平衡态的过程中，水流与河床的相互作用总是使偏差朝减小的方向调整，遵循“趋衡性”或“趋衡响应原理”。据此假定扰动发生概率符合泊松分布及单个扰动响应强度满足指数衰减率，给出冲击系统趋衡响应模型的初步形式，基于美国多座水库下游河道实测数据的规律性检验表明，冲积系统对扰动的响应强度随时空推移呈非线性衰减趋势，体现了河流演变的时空趋衡性。在此基础上，选取泥沙起动难度与水流强度反映影响床面泥沙运动状态的两个矛盾方面，以两者之比作为定量描述趋衡衰减系数的动力学参量，率定相关系数后模型即有定量预测水库下游河道河床累计冲刷深度的功能。进而，运用基于三门峡水库下游实测资料率定后的模型对黄河中游古贤水库修建后下游河道的沿程冲刷及潼关高程下降引起的渭河下游河道溯源冲刷过程进行预测。结果表明，龙门和潼关的计算河床累计冲刷深度分别为1.84m和1.43m；潼关高程下降引起的渭河下游溯源冲刷河段长度约为250km，华县、渭南溯源冲刷深度分别为0.54m和0.25m。研究成果为冲积河流非平衡态时空调整过程的预测提供了新思路，具有较大工程应用价值。     

长历时河床演变模型在河道整治工程中的应用

基于河流、河口长河段长历时河床演变模型的基本原理建立了浙江省飞云江河口长历时演变的经验动力模型，利用实测水文、地形资料对模型的参数进行了验证，验证计算结果表明无论是水力要素还是河床冲淤变化．计算与实测基本吻合。在验证的基础上，利用该模型研究了飞云江河口局部河段堤线外推对飞云江河口河床冲淤的影响。研究结果表明，整治工程对飞云江河口河床的响应主要产生两级反应，一级响应主要在工程实施初期，河床变形的时间尺度短，二级响应主要在工程实施后较长的时期内，河床变形的时间尺度长，系整治工程实施及局部河床调整对整个河流系统的影响。     

分析潮汐河口稳定性的突变模型

本文针对潮汐河口的演变特点，依据冲积河流稳定性概念，提出了以河床冲淤强度表征的纵向稳定指标和以宽深比表征的河床横向稳定指标，并利用突变理论建立了由上述两个指标组成的河口稳定性的尖点突变模型，给出了河口稳定性的综合判据和河口演变图式。实际应用表明该模型能较好地解释河口演变过程和描述河口的稳定状态，可为充分合理地整治及开发河口提供依据。     

冲积河流河床综合稳定性指标研究

根据河床演变理论，利用已有的基本公式，导出了冲积河流河床绝对稳定应满足的水沙床无量纲数（量）条件，由此建立了由水沙床因素构成的实用冲积河流稳定程度函数公式。基于该公式建立了冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则，然后利用黄河下游11年资料和渭河部分资料进行了初步验证。计算表明，建立的冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则是合理和有效的，可以利用该判别方法预测大型河流因水沙条件改变而导致的河型变化趋势。     

冲积性河流河床横断面形态研究与进展

冲积性河流河床横断面形态的变化调整,不仅影响河流的排洪输沙能力,而且还会影响河流两岸堤防的安全与稳定、岸边土地的规划利用及居民的正常生活生产。为此,深入研究河道横断面形态调整规律及其机理具有重要意义。主要对冲积性河流河床横断面形态现有研究成果和进展进行总结,归纳现有研究方法的优点与不足,提出有待进一步研究的问题:①现有研究手段和方法的完善。基于实测资料的经验分析,虽然简单方便,但其局限性很大,许多成果只对具体的实例有较好的适应性;而数学模型仅能模拟室内模型小河或人工渠道的调整过程,对于复杂天然河流的模拟,还需要进一步完善。②注重实测资料分析与理论研究的结合,深化对河床断面形态调整内在机理的理论认识。目前较为流行的力学理论、线性理论和滞后响应理论所建立的模型中各个影响参数和调整的内在机理都还有待进一步研究细化。③应拓展现有计算方法的应用范围。以往的计算方法一般是针对某一特定河段建立的,缺乏在其他河段的应用,需要扩大应用计算方法的适用范围,提高实用性。     

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。     

河流最小可用能耗率原理和统计熵理论研究

河流是一个具有能量紊动粘性热耗散结构的开放系统 ,依照热力学熵差和统计熵定义了河流水力熵差和统计熵 ,根据耗散结构动平衡稳定的熵和能耗理论 ,建立明渠流和冲积河流的水力熵和统计熵理论 ,提出了明渠流和冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式 ,该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性 ,不仅在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理———自动调整作用原理 ,而且还反映了床沙质和冲泻质的划分标准、高含沙水流和挟沙力等特性 ,并用该理论解释了冲积河流水沙运动和河床演变的各种现象。     

“天然河流河床演变”专题总报告

本专题为天然河流的河床演变,时至今日,完全不受人类活动干扰的天然河流几乎是不存在的,所谓天然河流,实际上是指受人类活动干扰较小的河流,由于河床演变仅在冲积河流中才得以充分发展,所谓天然河流的河床演变,主要系指天然冲积河流的河床演变。本专题共收到论文三十一篇,其中关于河道方面的一般性问题一篇,以长江为主的南方河流河床演变问题十四篇,黄河河床演变问题五篇,河口方面的一般性问题二篇,     

水库泥沙淤积滞后响应的理论模型

河床演变中普遍存在着滞后响应现象,而以往的水库泥沙研究对滞后响应现象很少考虑.本文在作者近期关于水库泥沙淤积滞后现象研究的基础上,从河床演变学的自动调整原理出发,建立了水库泥沙淤积滞后响应的理论模型.并以三门峡水库泥沙淤积为例,利用提出的理论模型分析了库区累计淤积量对流量加权平均坝前水位的响应、潼关高程对年入库水量的响应及水库末端比降对年平均坝前水位的响应,结果表明所建理论模型能够描述泥沙淤积的特征,为水库泥沙淤积的研究提供了一种新的方法.     

黄河下游河型分类与判别模式研究

利用黄河下游11年资料的计算表明，本文在前人研究成果的基础上，根据泥沙运动基本理论、河床演变基本原理以及河流输沙强平衡概念建立的，以实用冲积河流稳定程度公式为理论和计算依据，由模糊聚类分析和判别分析方法构成的黄河下游河型分类与判别模式，可以为小浪底水库运用后黄河下游河型的分类与判别提供有力的理论依据和具体的计算方法，同时，也对其它冲积河流河型的分类与判别有一定的借鉴作用。     

冲积河流河床横向变形的初步数学模拟

本文从宏观角度对主槽摆动与坍岸等河床横向变形进行了数学模拟,用黄河、长江一些资料验算表明,本模型可估算主槽摆动与坍岸的相对数量及河床演变过程中断面形态的演变趋势. 冲积河流河床横向变形是研究冲积河流河床演变的一个重要问题,对两岸国民经济建设有着重要的意义.不少学者都对此作过一些考虑.本文试图从宏观角度对主流摆动与坍岸进行数学模拟,并通过断面形态的变化影响水沙演算.     

利津水位对河口演变响应的计算方法

本文分析了黄河口的演变特征及其对利津3 000 m3/s同流量水位的影响。黄河口每次改道后尾闾河道的河长突然缩短,比降陡增,之后河长以先快后慢的速率增长,尾闾河道比降则呈指数衰减,经过约5~6年调整至平衡比降,其变化过程反映了典型的河床演变滞后响应特性。基于黄河口河道的演变特征,提出了河口河道水位和纵比降变化的概化模式,并采用滞后响应模型建立了河口河道同流量水位的计算方法,较好地计算了1954—2012年间黄河下游利津3 000 m3/s同流量水位的变化过程。该计算方法不仅考虑了河床演变的滞后响应特性,而且反映了来水来沙和河道淤长与蚀退对利津同流量水位的共同影响,能够连续地模拟河口淤积延伸及改道过程中河口河道特征水位的长期变化过程。研究成果可为分析黄河口淤积延伸与下游河道相对侵蚀基准面的变化关系提供参考。     

监利站平滩面积对水沙条件变化的滞后响应

河床对水沙条件变化的滞后调整过程已被众多研究者通过实测资料分析所证实。以荆江河段上的监利站为研究对象,选定平滩面积作为反映河床调整的参数,通过分析河道平滩面积调整的滞后响应过程与特点,探讨其响应调整规律,并建立与之相适应的滞后响应模型。研究表明,监利站的前期来水来沙条件对当前平滩面积调整的影响真实存在,滞后响应理论同样适用于长江荆江河段的监利站。同时,通过对适用于黄河流域的滞后响应模型(即黄河滞后响应模型)进行改进,建立了适用于监利站的平滩面积滞后响应模型。     

平滩流量滞后响应模型的改进

针对冲积河流平滩流量滞后响应模型中存在的不足,对模型进行了两方面的修正:一是对原模型的结构形式进行了修正,包括调整了初始年份平滩流量平衡值Qe0的影响权重,推导了不同年份采用不同参数β时的模型方程;二是对模型中参数的计算方法进行了修正,包括考虑洪峰流量的影响修正了平滩流量平衡值Qe的计算方法,考虑汛期流量的影响修正了参数β的计算方法。利用黄河下游花园口、高村、孙口、艾山和利津五个水文站的实测资料对改进的模型进行验证,结果表明,修正后的模型反映了平滩流量随水沙条件改变的调整规律,模型计算精度有较大提高。     

基于滞后响应模型的三门峡水库冲淤计算方法

基于水库冲淤平衡纵剖面几何关系和机理分析,得到了潼关高程和库区累计淤积量平衡值的计算公式。进而考虑河道调整速率随冲淤状态及水沙条件变化,采用滞后响应模型单步模式建立了潼关高程和累计淤积量计算方法。结果表明,潼关高程计算值与实测值的决定系数R²在1975—2002年和2003—2018年分别为0.80和0.75,累计淤积量计算值与实测值的决定系数R²在1967—2002年和2003—2018年分别为0.95和0.84。利用准平衡时间与调整速率参数的关系,计算了潼关高程和累计淤积量达到准平衡态所需时间,结果显示,潼关高程达到准平衡态的时间约为10.2年,累计淤积量达到准平衡态的时间约为6.7年,表明潼关高程的变化滞后于累计淤积量的变化。此外,潼关高程和累计淤积量逐时段以平衡值为目标的调整过程体现了河床演变的自动调整与滞后响应特性。