黄河下游节水减淤的高含沙水流输沙方式研究

黄河下游泥沙淤积的主要原因是河道输沙能力不足,目前着眼于发掘河道输沙能力的各种“调水调沙”减淤措施,包括通过河道输送高含沙水流入海的设想,排１ｔ泥沙用水量为４０￣１００ｍ＾３,浪费了大量的水资源,而减淤效果并不明显。本提出通过明渠高含沙水流将大量泥沙在进入下游河道之前自水库输送到两岸洼地及低滩,既可使下游减淤,又能使水沙得到充分利用。中分析了高含沙输沙明渠的不淤流速、水力坡降、断面尺寸等设计计     

高含沙水流长距离输沙机理与应用

高含沙水流在我国多沙河流中普遍存在，而对河道危害严重。本提出高含沙水流长距离输进机理与条件，在进一步研究高含沙水流不淤流速及输沙临界坡降的基础上·提出长距离高含沙输沙渠道的设计计算方法。以黄河下游水抄特性为背景指出天然河道及人工渠道输沙的异同，探讨了高含沙水流在泥沙处理、节约输沙用水等方面的应用前景。     

黄河小浪底水库运用与下游河道防洪减淤问题

黄河下游淤积发展的根本原因是来水流量减少、河运输沙能力严重不足．通过干流小浪底水库“调水调沙”运用，减少下游河道淤积的指导思想，似乎仍然建立在河道输沙能力强，足以将大部分或绝大部分泥沙输送入海的认识基础上．极据黄河下游水沙特性及河道的具体条件，通过试验得出河道输沙能力的关系，分析了不同河段输送各级含沙量需要的输沙流量及游荡性河段在高含沙条件下的演变特性和带来的危害．提出在下游来水量日益减少的情况下，河道减淤除利用水库调节水沙外，应采取出库高含沙水流通过渠道向两岸低地放淤等综合减淤措施．其优点是大大减轻了河道的输沙负担，使小浪底水库不受或少受排沙运用制约而发挥应有的综合利用效益，还可大量节约黄河的输沙用水．     

黄河下游河道高含沙水流的输沙能力分析

相同水流条件下，高含沙水流比低含沙水流具有更大的输沙能力，本文通过对高含沙水流颗粒组成下游河道具体条件的分析，得出下游道高含沙水流输沙能力关系式，用以阐明各种因素对河道输沙能力的影响，为今后小浪底水库运用及下游减淤措施的规划提供一定依据 。     

多沙河流横断面调整及其对排洪和输沙能力的影响

多沙河流输沙能力的变化，突出地表现为河槽横断面的调整。黄河下游高含沙洪水过后，使游荡型河段河槽宽深比大幅度减少，从而提高了同流量的输沙能力，但因此使排洪能力大幅度下降。频繁出现的高含沙洪水异常高水位证明，断面缩窄比前期河床淤高对洪水位的影响更大。为了解决排洪与输沙的矛盾，建议排江与输沙分道，即尽可能地将高含沙水流徙用干流水库拦蓄，再用明渠向两岸高浓度输沙放淤，而河道只输送低含沙水流入海。     

黄河下游高含沙水流输沙的可能性与制约因素

鉴于黄河历史上曾出现过主槽冲刷状态下的高含沙洪水,考虑到高含沙洪水的强大输沙能力,围绕黄河下游的高含沙洪水泥沙输送能力开展了研究,并对一般挟沙水流和高含沙水流的临界含沙量进行了定量计算。结果表明:天然条件下可实现使河道处于冲刷状态的高含沙洪水,其水沙条件具有一定的特殊性,特别是经过河道沿程天然筛选后的级配与含沙量需满足一定的条件;长距离输沙时,持续的高含沙历时也是远距离传播的必要条件之一。     

黄河下游低含沙洪水的冲淤特性兼论艾山-利津河段不淤临界流量

黄河下游上、下河段河道形态迥异,同流量输沙能力上段大,下段小。观测表明一定流量的低含沙洪水,就全下游来说可以产生冲刷,但对下段(艾山以下)来说往往发生淤积。本文通过实际资料分析了下游河段的排沙比关系及不同来沙条件下泥沙冲淤强度等规律,并利用下游低含沙水流挟沙力关系,深入分析了艾山—利津河段不淤临界流量。结果表明这段河道不淤流量不仅与来水含沙量有关,还与河口段淤积延伸对艾山—利津段水面比降有顶托作用有关。     

黄河下游输沙能力的表达——“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之一

黄河下游输沙能力的表达,即不同河型的输沙能力公式.从公式可以看出,输沙能力的大小,除与泥沙粗细有关外,主要决定于坡降和河相系数.挟沙能力沿程调整的方式是:黄河下游上段游荡型河段坡降大,主要靠河相系数大来抵消;而下段弯曲型河段坡降小,主要由河相系数减少来补偿.     

黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)

利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料,结合高含沙水流流变特性分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同,均可用曼宁公式进行阻力计算;由于黄河泥沙组成较细,d50=0.03~0.10mm,随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低,泥沙在垂线上分布变得更加均匀,当含沙量大于200kg/m3以后发生改变;从泥沙存在对水流结构,流速在垂线上的分布特性上分析,含沙量200kg/m3左右时输送最困难,并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大,粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送,洪水期实测含沙量可达800~900kg/m3,表现出高含沙水流的高效输沙特性;黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3,在流量2 000~3 000m3/s时,高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。     

黄河下游引黄灌区输沙渠道优化设计

黄河下游两岸有万亩以上灌区近100处,引黄灌溉给农业生产带来巨大效益,但渠道泥沙淤积十分严重,主要原因一是没有可靠的公式来核算渠道的输沙能力,二是没有根据水力优化断面参数来确定渠道断面尺寸,往往使渠道设计断面面积偏大,流速偏低。通过黄河下游泥沙组成得到黄河下游输沙平衡关系,并利用渠道断面参数优化原理,可使渠道输沙能力成倍增加。输沙渠道优化设计不仅为引黄灌区改造和输沙入田提供理论依据,还可为黄河下游高含沙水流远距离输沙提供新的技术支持。     

黄河下游高村—艾山河段冲刷效率变化研究

利用混合挟沙力和不平衡输沙公式,对黄河下游高村—艾山河段冲刷效率的变化进行了分析。结果表明:小浪底水库投入运用以来,高村—艾山河段及其上、下游河段的床沙均发生粗化,一方面使得水流的输沙能力降低,从而降低了冲刷效率;另一方面使进入该河段的含沙量减小,这将有利于该河段的冲刷,提高冲刷效率;随着冲刷历时的延长,高村—艾山河段的冲刷效率虽有所降低,但降低幅度较小。     

1946年以来黄河下游泥沙治理研究的主要进展

1946年以来,关于黄河下游根治的认识,首先经过“治本靠拦沙”到“下游也有治本任务”的重大转变,然后,是对“下游也有治本任务”进一步全面深入的分析论证.“黄河下游也有治本任务”的论证具有高度的科学性.重点对围绕“下游也有治本任务”的研究作了梳理总结,主要进展为,多来多排现象的发现、“小水挟沙”的不利影响和对洪水重要性的充分认识、山东河道的输沙潜力及窄深河槽排洪输沙能力的论证、泥沙多年调节思想的形成和发展.通过水库水沙调节优化进入下游河道的水沙过程.将下游高村以上宽河道整治成窄深河槽,使整个下游形成一个输沙通道输沙人海.     

黄河下游河道输沙泄洪机理、能力及治理前景

经过我国几代人对黄河泥沙输移的研究和实践,认识已有重大突破。围绕黄河高含沙水流运动规律及应用前景这个中心,研究了高,低含沙水流运动规律多方面问题,为多沙河流防洪规划提出了新的指导原则。其中黄河下游可以利用高含沙洪水输沙入海,窄深河道洪水的非恒定性输沙泄洪机理是新的治黄主张的理论基础。     

从水沙条件探讨黄河下游上下河段冲淤调整关系

在以往对黄河下游河道上段(高村以上)和下段(高村到利津)冲淤调整关系研究的基础上，通过1960～1999年422场次洪水资料的统计分析，按三门峡水库不同运用期分析了上下段的冲淤关系，建立了上下段排沙比与水沙系数的关系，认为上下段冲淤关系随水沙搭配条件而变：水流严重不饱和时上下段冲淤性质一致；轻度不饱和情况下上下段冲淤性质相反；水沙搭配基本平衡时上下段冲淤变化不大。根据上下段冲淤临界水沙系数关系绘制了上下段冲淤关系图，并首次按三黑小(三门峡、黑石关、小董三站)水沙搭配进行了定量分区：上冲下淤、上淤下冲、上下皆冲和上下皆淤区。     

黄河下游塑槽输沙需水量计算方法

本文从能量平衡原理出发分析了挟沙水流的能量耗散机理及水流塑槽和输沙能量的分配模式,河道水流能量的消耗主要用于塑槽和输沙两个方面,即一部分水流能量用来克服河床边界阻力,维持一定的河道主槽;另一部分则用于输送水流中挟带的泥沙,维持河道的输沙平衡。根据水流能量的这一分配模式,并结合水沙条件对平滩流量的累积影响作用,建立了塑槽输沙需水量的计算方法。将该方法用于黄河下游各主要测站的塑槽输沙需水量计算,取得了较好的效果。以三黑小的来水来沙为输入条件,得到了黄河下游河道塑槽输沙需水量的计算公式,并给出了维持黄河下游平滩流量为4000m3/s的塑槽输沙需水量区间。     

小浪底水库运用前后黄河下游河道河型变化及成因分析

利用实测资料分析、理论判别和分形维数计算等方法,以黄河下游铁谢—伊洛河口、花园口—黑岗口和夹河滩—高村三个典型游荡性河段为研究对象,分析其1960年以来的主流摆幅、弯曲系数和主河槽宽深比等河势参数变化,以及小浪底水库修建前后下游游荡性河段的河型演化过程。结果表明,自20世纪90年代初,除花园口—黑岗口河段仍表现为游荡河性外,其他两个河段因整治工程不断完善其游荡性均有明显减弱,河型趋于限制性弯曲方向发展。自1999年10月小浪底水库拦沙运用以来,三个研究河段的整体游荡程度显著减弱,河势趋于规划流路方向发展,特别是夹河滩—高村河段河势基本稳定。小浪底水库长期下泄低含沙小流量过程,水流动力减弱,加之不断完善的河道整治工程,是河势游荡程度显著减小、河势归顺及河型发生变化的主要原因。     

多沙河流水流输沙能力的研究

河道中出现的高含沙量水流绝大部分属于非均质两相水流，和低含沙水流一样，同样存在水流挟沙力问题.但由于高含沙水流性质的改变，其挟沙能力关系式与低含沙水流存在着较大的差别.本文分析了国内应用最为广泛的水流挟沙力关系式所存在的一些问题，提出了以水流紊动支持泥沙悬移为基础的水流挟沙力公式，并通过水槽输沙试验得到了含沙量较高(S>40kg/m3)时的一种新型挟沙力公式.该公式通过黄河下游、洛惠渠等实测资料的验证，结果令人满意，可应用于计算不同河槽形态的河道输沙能力，水流阻力.     

黄河下游河道巨大的输沙能力与平衡的趋向性——“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之二

尽管黄河下游河道以堆积性著称,河底、水面不断抬高,但在长期水沙作用下,特别是河流的自动调整和反馈迅速,其平衡的趋向性也很明显。从上、下河段挟沙能力及典型资料看,当流量为1000~4000 m3/s时,上段(河南河段)挟沙能力与下段(山东河段)之比为1.049~0.915,即流量小于2000 m3/s时,上段挟沙能力大于下段;而当流量大于2500 m3/s时,下段挟沙能力则大于上段;流量为2300 m3/s时,上、下河段基本平衡。从多年平均过程看,如果不考虑高含沙洪水,不漫滩,流量沿程不变,下段输沙量为上段输沙量的1.01倍,也说明多年输沙量是平衡的。特别是从1960年9月至1996年10月的资料看,三门峡至利津河段淤积36.32亿t,其中20次高含沙量洪水淤积37.22亿t,若不计高含沙洪水,则全河冲刷0.90亿t,占来沙348亿t的0.26%。     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。