冲积河流河床演变的滞后响应模型-Ⅰ模型建立

滞后响应是冲积河流河床演变中的一种普遍现象,也是研究冲积河流河床演变规律的关键因素之一。本文基于冲积河流自动调整的基本原理,根据河床在受到外部扰动后的调整速率与河床当前状态和平衡状态之间的差值成正比的基本规律,首先建立了河床演变滞后响应的基本模型,进而建立了适用于不同条件的计算模式,包括通用积分模式、单步解析模式和多步递推模式等。建立的滞后响应模型和计算模式既能描述滞后响应现象又能反映前期累计影响,为定量描述河床特征变量随时间的响应过程提供了理论基础和计算方法。     

黄河下游泥沙淤积的滞后响应规律分析

根据河床滞后响应模型,分析黄河下游山东段来水来沙、河床冲淤演变情况及淤积量对来水来沙滞后响应。结果表明,黄河下游艾山——利津河段累计淤积量与艾山站15年滑动平均流量、来沙系数以及利津站13年滑动平均同流量水位抬升值的相关程度较好,反映出艾山——利津河段淤积对艾山站来水来沙条件及利津站河底高程变化的滞后响应规律。     

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。     

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。     

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.     

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。     

龙川江防洪工程建设对河床演变的影响

应用一维恒定非均匀沙河床演变数学模型，分析了堤防工程建设及青山咀水库建成后，下游龙川江楚雄城区10．4km河段的演变规律，揭示了河床冲淤变化对防洪的影响。冲淤计算结果表明，堤防工程建设后，河床发生微量淤积，但使洪水位抬高有限，对河道过流能力影响不大。青山嘴建库后，下游河床将发生冲刷下切及床沙粗化，但年际间的变化不至于危及堤防安全。为青山嘴建库提供了一定的评价依据。     

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。     

黄河小北干流和渭河下游淤积过程模拟

在分析黄河小北干流和渭河下游河道淤积的主要影响因素和演变机制的基础上,将河道淤积体纵剖面的平衡形态概化为一个由潼关高程抬升值ΔZ、初始河床比降J0和平衡比降Je所决定的三角形,得到了河道初始形态与平衡形态之间淤积体的体积计算公式,进而基于河床演变的滞后响应模型,建立了既能考虑河床调整的滞后响应特性又能考虑潼关高程和水沙条件协同作用的黄河小北干流和渭河下游河道淤积量的计算方法。采用1960—2001年黄河小北干流和渭河下游河道长系列冲淤资料对计算方法中的参数进行了率定,并采用2002—2010年实测河道冲淤资料进行了检验,结果表明,建立的计算方法能够较为全面地反映河床调整的驱动机制和内在机理,模拟计算及预报精度较以往方法有较大提高。结果还显示潼关高程对两河道的长期累计淤积过程的影响占主导地位,在1960—2011年实际水沙条件下,潼关高程每下降1m,小北干流和渭河下游累计淤积量分别减少约5.1亿m3和2.7亿m3;近期潼关高程和水沙条件对河道的淤积均具有重要影响,二者对2003年水库采用318m控制运用以来产生的河道减淤量的贡献约各占一半,体现了潼关高程和水沙条件的协同作用。     

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。     

三门峡水库时空冲淤与滞后响应

基于三门峡水库1960—2016年水沙和冲淤资料,本文分析了水库纵向与横向、年内与年际、时间与空间上的冲淤演变规律。结果表明:三门峡水库的冲淤过程可大致分为1960—1969年快速淤积、1970—1973年快速冲刷、1974—2002年缓慢淤积和2003—2016缓慢冲刷4个阶段;库区冲淤是上游来水来沙与下游水库运用协同作用的结果,1974年水库蓄清排浑运用前,主要受水库运用引起的溯源冲淤的影响,之后水沙作用增强。溯源冲淤向上游传播过程中冲淤幅度逐渐减小,溯源冲刷的影响时间相对较短,而溯源淤积的影响时长向上游不断延长,上游回水区河道溯源淤积累计量达到最大值的时间明显滞后于库区河道,当库水位开始下降及库区河道开始冲刷时,上游回水区仍可处于溯源淤积的影响之下。改进了河床演变的滞后响应模型,得到了权重归一化的滞后响应模型,克服了原有模型中特征量平衡值的权重之和小于1而可能对平衡值进行偏大估计的缺点。采用改进后的模型建立了三门峡水库累计淤积量的计算方法,该方法可较好模拟三门峡水库蓄清排浑运用以来的冲淤演变过程,计算精度较高。     

河口河床长历时演变模拟方法探讨--以浙江省飞云江河口为例

基于河口平衡断面河相关系的基本概念建立了潮汐河口地区长历时河床演变模型,根据浙江省飞云江河口的实测水文、泥沙、地形资料对模型的有关参数进行了验证,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,研究了上游建库引水、河道整治等水利工程对飞云江河口河床冲淤的影响。从模型计算结果可以清楚地看到河床对水利工程的响应主要产生两级响应,一级响应发生在水利工程建成初期,河床变形的时间尺度短,二级响应则在一级响应的基础上在长时间及长河段内进行河床再调整,河床变形的时间尺度长,系水利工程及局部河床调整对整个河口系统的影响。     

黄河内蒙古段泥沙淤积过程模拟

根据内蒙古河段近年来水来沙资料,采用沙量平衡法对河道淤积情况进行了计算。结果表明:受不利水沙变化影响,内蒙古河段1960—2010年泥沙淤积总体呈增长趋势,1986年前增长缓慢,1986年后急剧增长。利用以河床累计淤积量为特征变量的河床滞后响应模型,分别采用单步解析与多步递推模式对内蒙古河段淤积情况进行了模拟,结果表明两种模式的计算值与实测值均基本吻合,确定性系数分别为0.993、0.957。     

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.     

河床演变阶段模型及其在三门峡水库和渭河下游的应用

基于河床冲淤和横断面面积变化,提出描述河道冲淤及垂向和横向调整的河床演变阶段模型,将该模型应用于1960-2017年三门峡库区和渭河下游河道的演变过程,结果表明,该模型可反映河道冲淤的时空变化特征,在溯源冲刷阶段,库区及渭河下游下段由下游向上游依次呈现"河床冲刷下切"、"河道冲刷展宽"、"河道淤积展宽"三个演变阶段,这...     

荆江河段河床冲淤计算滞后响应模型改进

针对河床演变滞后响应模型在荆江河段的应用进行了三方面的改进:一是对于特征变量平衡值的计算表达式进行了调整,更为全面地考虑了非汛期来水量、泥沙级配和水位等水力要素对于河道冲淤变化的影响;二是考虑年际间来水来沙过程的变化,对河道调整速率参数β的计算方法进行了修正;三是引入水面比降J作为折减系数,在模型计算中减弱洞庭湖出流对于下荆江干流的顶托效应影响。选取2003-2014年荆江河段枯水河槽对应的单位河长累计冲刷量作为模型的特征变量,结合枝城、沙市、监利和城陵矶4个水文站的实测资料对改进后的模型进行验证。结果表明,改进后的模型更为准确地反映了特征变量随水沙等条件变化的调整规律,计算精度R2达到0.85~0.97之间,在进行有关荆江河段河道冲淤计算时有较好的适应性。     

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。     

黄河下游花园口以上河段滞沙能力分析

黄河下游河床调整主要取决于来水来沙和河床边界条件,河床调整沿程不均衡特征明显,花园口以上河段床演变对水沙条件的变化响应尤为突出,泥沙冲淤调整幅度最大。基于河道冲淤及水沙演进特性、滞沙可行性、河槽几何特性等分析,提出了花园口以上河段可作为泥沙天然反调节“库”概念,结合黄河下游实测洪水资料,采用水力计算方法,计算了花园口以上河段的河槽排洪能力及不同河槽规模条件下河槽允许滞沙量,提出了反调“库”滞沙能力,可为小浪底水库排沙指标的确定提供依据,对维持小浪底水库有效库容、弥补后续清水河床沙源不足、改善黄河下游河槽冲淤不均衡现象具有重要意义。     

三门峡水库修建前后渭河下游河道泥沙问题的研究

本文简要地阐述了三门峡水库修建前后,泾、渭河水沙基本特性、渭河下游河道特征、冲淤变化,以及潼关局部侵蚀基准面的升降、渭河口拦门沙消长对渭河河道演变的影响,着重分析了建库后渭河下游河道比降、河床形态、河床物质组成诸因素的调整过程,以及渭河下游滩、槽淤积末端延伸的基本物理图形和延伸规律。指出河床调整及淤积末端发展的趋势。对影响淤积延伸的因素进行了初步的探讨。     

河床演变学术讨论会在湖北宜昌召开

由中国水利学会泥沙专业委员会和中国地理学会地貌专业委员会联合举办的河床演变学术讨论会,于1981年11月16～20日在湖北宜昌召开。来自143个单位的184名代表参加了会议。会议收到论文130篇。 开幕式上,泥沙专业委员会副主任委员钱宁教授致开幕词。谢鉴衡、赵业安、李纯熙、龚国元等分别就“天然河流河床演变”、“河流建库后下游河床演变”、“河道治理经验”和“河流