黄河下游非汛期来水来沙对平滩流量的影响

本文采用人工神经网络方法分析了黄河下游汛期和非汛期水沙条件对平滩流量的影响,建立了黄河下游4个测站的人工神经网络模型,并重点分析了非汛期水沙因子对平滩流量的作用。结果表明,人工神经网络模型能够同时考虑汛期和非汛期水沙条件对平滩流量的综合作用。当平滩流量计算中加入非汛期影响因子后,各站计算精度均有较大幅度提高。因此,对于黄河下游平滩流量的计算,不仅要考虑汛期水沙条件的影响,非汛期水沙条件的影响也是不可忽视的。     

特约文章：近期长江中游枯水河槽调整及其对航运的影响

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,枯水河槽形态调整显著,对航运条件产生了较大的影响。本文首先采用枯水河槽形态参数计算方法,确定了长江中游各固定断面的枯水河槽形态参数;然后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2003—2016年长江中游4个子河段的平均枯水河槽形态参数。计算结果表明长江中游枯水河槽宽深比总体呈减小趋势,河床趋于窄深,对航运条件有利。此外还建立了各子河段枯水河槽形态参数与前期多年平均水沙条件之间的经验关系：当滞后响应年数n = 5时,经验关系在宜枝及荆江河段的决定系数达到最大;而当n = 7时,经验关系在城汉及汉湖河段的决定系数达到最大。总体而言,各河段枯水河槽形态参数调整（除河宽外）均可对进口水沙条件的改变做出较好的响应,且越靠近三峡大坝,响应程度越高。     

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明：床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d₅₀由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m³转变为淤积0.059亿m³,冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。     

黄河下游输沙平衡关系及应用

在两相非均质流输沙平衡一般关系式中引入黄河下游泥沙特性,得到了以流量及河槽形态表达的黄河下游输沙平衡关系,可用于分析水沙变化对河段纵横形态调整的趋向和特性。通过1977年典型高含沙洪水在夹河滩站的水位与流量关系,验证了输沙平衡关系式用于河槽横断面调整的可靠性,并表明这种调整是不能持久的。建立的黄河下游输沙平衡关系,与河道治理中"平衡比降"及"河相关系"等参数有密切联系,因河道纵坡降调整与其横断面形态有关,所以"平衡比降"表达式中必须有横断面因素。黄河下游输沙平衡关系为下游各种渠道设计提供了快捷的计算方法,对引黄灌溉渠道输沙入田、引黄放淤渠道输沙淤滩及减少下游河道泥沙淤积具有重要意义。     

一维水沙耦合模型参数敏感性分析——以2020年黄河下游洪水演进为例北大核心CSCD

一维水沙输移及河床冲淤模型中有较多理论上尚未解决的参数,而这些参数对一维模型精度的影响缺少定量分析。本文首先介绍了一维水沙耦合动力学模型,并将其应用于2020年汛期黄河下游的水沙过程模拟。计算结果表明:该模型能准确模拟水位和流量的变化,纳什效率系数基本大于0.85,均方根误差比相应的实测特征值小一个量级;计算沙峰虽然偏大,但计算的含沙量过程与实测过程整体符合,且模型计算的分河段冲淤量与断面地形法实测值较为接近。为分析模型中经验参数对模型计算结果的影响,以水文断面特征水沙参数的纳什效率系数作为目标函数,采用Sobol全局敏感性分析方法计算了各经验参数的敏感度指标。计算结果表明:糙率的总敏感度指标较高,是模型的高敏感参数;目标函数的选取对参数敏感度分析有一定影响,以含沙量纳什效率系数为目标函数时,挟沙力公式的系数及淤积时恢复饱和系数公式中指数的一阶敏感度和总敏感度指标较高;各参数组合对不同目标函数的影响差别较大,但对于同一目标函数存在影响作用相似的参数组合。全局敏感性分析方法刻画了模型参数的敏感性特征,有助于优化水沙数学模型参数取值。     

中小流量下黄河下游游荡段河床调整规律

小浪底水库运用后,进入黄河下游河道的水沙情势发生显著变化,大流量洪水频率大幅减小,中小流量洪水作用凸显。为揭示黄河下游游荡段中小流量下的演变特征,本文开展了500、1000、1500和2000 m3/s流量级下黑岗口—夹河滩段的动床物理模型试验。结果表明,垂向上,研究河段河床冲刷与淤积沿程相间分布,具有典型的游荡性河段的冲淤交替特征;横向上,中小流量下游荡段仍存在横向摆动的可能,且随着流量增大,主流弯曲系数由1.18减小至1.13,河道逐渐由蜿蜒向顺直发展;纵向上,各流量下深泓线调整趋势与冲淤量变化规律基本一致。此外,本文着重分析了河道工程与桥下河段河床的时空调整过程并运用随机模型进行了模拟。通过分析发现：时间上,河道工程附近河床垂向调整速率早期较快,之后随时间快速非线性减缓;空间上,桥下河段累积冲刷深度沿程非线性减小,空间衰减特性显著。应用表明,随机模型对典型局部河段的时空调整预测效果较好,相关系数R2可达0.74以上。本文探讨了中小流量下黄河下游典型游荡段长河段与局部的冲淤演变特征,可为未来黄河下游典型游荡性河段的河道整治与保护提供科学依据。     

黄河下游宽滩过渡型河段水沙变化及地形调整

高村至陶城铺河段是黄河下游典型的宽滩过渡型河段,“二级悬河”发育严重。本文基于断面法和2000—2016年的水沙与实测大断面数据等资料,统计分析了小浪底水库运行后高村至陶城铺河段主槽和滩地的地形调整过程。结果表明：小浪底水库运行后,2000—2016年主槽持续冲刷,河相系数减小,断面形态更加窄深,平滩面积增幅普遍在200%以上,但是近年来调整强度明显减弱,高-孙段调整模式既有横向小幅展宽也有垂向冲深,孙-陶段调整模式以垂向冲深为主;主槽-滩区系统逐渐从沉积模式转为侵蚀模式,主槽侵蚀速率约0.07 m/a,滩区侵蚀速率在0.002 ~ 0.008 m/a之间,2000—2016年高村至陶城铺河段共累计侵蚀2.251亿m3。时间上看,滩面横比降有所增大;空间上看,滩面横比降集中分布在0.5‰ ~ 2‰之间。     

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。     

黄河上游高含沙水流交汇区河床形态及冲淤变化规律

黄河上游交汇区为典型的高含沙水流交汇区,支流高含沙洪水往往引起剧烈的河床形态调整及冲淤变化。利用室内模型实验、野外观测资料,研究了支流高含沙洪水入汇干流后,交汇区变化过程及冲淤计算方法。研究表明,交汇区河床形态包括壅水区淤积沙坝、分离区沙洲、输水输沙主槽及分离区以下河段的沙洲等基本元素。进入交汇口上游壅水区的泥沙全部落淤,淤积量随高含沙洪水沙量的增加呈线性线增加;提出的交汇口以下河段的泥沙淤积模式,揭示了泥沙淤积的主要影响因素为支流高含沙洪水沙量、汇流比、恢复饱和系数等,支流高含沙洪水沙量的作用更为明显,该模式可以定量描述交汇口以下河段的泥沙淤积。支流高含沙洪水形成的淤积沙洲的冲刷,取决于干流洪水流量及持续时间。黄河上游交汇区的淤积沙洲,较优的冲刷流量为2000 m3/s左右,冲刷历时为10天左右。     

海勃湾水库库区桥位壅水的冰凌模型试验研究

黄河内蒙古河段海勃湾枢纽是一项防凌、发电综合利用的水利枢纽工程,建成后将对其上下游的防凌安全产生深远的影响.本文通过对冰凌运动模型相似条件的分析,重点以水流条件相似和浮冰运动条件相似为基础,建立了其上游河段约15公里附近的河道模型和冰凌输移模型,按海勃湾水库修建与否、不同流凌密度及不同流量级,对其上游乌达铁路新桥附近开展了多组次冰凌模型试验.试验结果表明,在无水库情况下,小流量级别的流凌相对更容易在桥位处形成卡冰结坝、壅高水位;在有水库的情况下,由于库区回水的影响,不易在库区桥位附近形成严重的冰凌险情,水库的修建,对库区桥位附近的冰情无不利的影响.研究成果对黄河海勃湾河段冰凌运动的模型试验进行了探索性的研究,为分析海勃湾水库的建立对上游库区内桥位附近防凌的影响提供了可供借鉴的参考.     

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.     

基于断面几何标准的平滩水位估算方法对比

平滩流量是主槽过流能力的一个重要指标,常作为造床流量评价水流造床能力和河道排洪输沙能力,而平滩水位的估算是确定平滩流量的关键。本文根据花园口断面的复杂形态,对比分析了用于估算平滩水位的地貌标准和断面几何标准,进一步分析有效河宽对不同的平滩水位估算方法(WOL、WIL、RIL和B/H)的影响,以及花园口平滩水位在50年内的变化发展。由分析可知,对于估算花园口断面的平滩水位,在确定过水断面范围后,仍然需要增加有效河宽的限制。其中,WIL和RIL方法对于有效河宽的变化不敏感,而WOL和B/H方法估算的平滩水位随有效河宽的缩窄而增高。估算的花园口平滩水位中,WIL方法的平滩水位偏高,尤其是1980年以后;WOL方法和B/H方法在各个断面估算的平滩水位最为接近,且整体偏低。     

渭河下游河段平滩流量的变化

平滩流量是河道主槽过流能力的一个重要指标,在河床演变学上具有重要意义。部分学者认为河段平滩流量更能反映整个河段的过流能力,然而,对于河段平滩流量研究范围及其影响因素的研究尚不多。本文以渭河下游咸阳-潼关河段为对象,研究河段平滩流量以及收敛长度的变化。断面平滩水位根据基于几何标准的WOL方法确定,河段平滩流量则采用收敛法估算。根据渭河下游河道长序列水沙过程的模拟分析发现,河段平滩流量与入口水沙条件呈现良好的相关关系,能很好地反应河道平滩特征的变化。同时,用于获得河段平滩流量的收敛长度与河道的冲淤变化密切相关,对实际估算河段平滩流量具有一定意义。     

挖粗沙减淤在三峡水库中的数值模拟研究

＂固定河段挖粗沙＂是水库可行的减淤方式之一。以三峡水库为例,利用水流泥沙数学模型研究挖粗沙后水库的减淤效果及过程。计算结果表明,在三峡回水末端设置约10km长度挖沙段进行挖粗沙（d〉0.1mm）,使水库百年淤积总量由177亿m3降至140亿m3左右。挖沙段集中拦截了入库的大部分粗沙,通过改变河道坡降、流速和挟沙力等水力条件,使库区淤积面与回水面同时降低,减淤效果延伸至整个水库,减淤效率很高。在库区设置固定河段持续清除粗沙是一种高效可靠的水库减淤方式。     

重庆河段水沙分析系统的开发与应用

结合先进的可视化编程技术和数据库技术,建立了重庆河段水沙分析系统。实现了重庆河段水沙数据的综合存储管理、信息检索查询、河段冲淤计算等功能,系统的建立为水沙规律分析提供了高效的研究平台。应用开发的水沙分析系统,对嘉陵江入汇口处玄坛庙水位站的水位流量关系和上游鹅公岩-玄坛庙水面比降进行统计分析,研究了不同汇流比情况下水位流量关系及上游水面比降的变化规律。     

河段平滩流量估算方法及影响因素分析

河段平滩流量更能反映这一河段的排洪能力,也可以避免用一个断面时河漫滩高程难以确定及代表性不强的问题。本文根据基于断面几何标准的WOL方法确定断面平滩高程,然后采用收敛法估算河段平滩流量,并应用在内蒙古巴彦高勒至头道拐河段。对比内蒙古河段在1962年、1982年、1991年、2000年及2004年的河段平滩流量,发现收敛河长逐年增大。进一步分析了估算平滩流量过程中各因素(滩槽判定、大断面纵向平均间距及子断面横向平均间距)对估算河段平滩流量的影响,发现主槽判定对平滩流量的影响较大。     

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。     

多源数据驱动的黄河未来水沙变化趋势研究

由于近年来气候变化和人类活动的双重影响,导致黄河水沙锐减,对未来变化趋势作出可靠判断十分必要。利用基于多种机器学习特征筛选的统计模型方法,采用潼关站实测径流量与输沙量、欧洲中期天气预报中心中尺度数据及不同气候变化路径的CO2排放浓度下全球气候模式数据对未来水沙作了预测。结果表明,在rcp26情景下,潼关站未来10年、20年、50年的断面径流量为234.21亿m3、227.52亿m3、219.6亿m3,与2000—2016年平均径流量228.86亿m3相比,径流量增加了约2.3%、-0.5%、4.0%;同期的断面输沙量预测结果为2.68亿t、3.44亿t、5.72亿t,与2000—2016年平均输沙量2.48亿t相比增加了约7.9%、38.4%、130.2%,表明黄河流域“水少沙多”的形势依然是未来较长一个时期的主要特征。     

长江上游水流挟沙力与含沙量比值的变化规律北大核心CSCD

水流挟沙能力与含沙量的相对大小是判断河床冲淤的主要指标。本文基于长江上游主要干支流控制性水文站2010—2020年实测水沙资料,采用张瑞瑾水流挟沙力公式,分别计算了各站的水流挟沙力,在此基础上分析了水流挟沙力与含沙量比值(S^(*)/S)的变化规律。结果表明:除部分位于库区水文站小流量时S*/S小于1外,其余S^(*)/S均大于1,表明长江上游河道总体呈不饱和输沙状态;除金沙江向家坝站外,其余各站S^(*)/S随流量均呈先增加后减少的趋势,存在一个极大值点;2013年以后长江干流朱沱站和寸滩站同一流量条件下S^(*)/S较2013年前偏大,而沱江富顺站和涪江小河坝站2013年以后同一流量条件下S^(*)/S较2013年前偏小。研究成果对认识山区河流输沙特性、提升河道冲淤演变的预测能力等具有一定的参考价值。