冲积性河流河床冲淤调整对洪水泥沙过程的响应——以黄河游荡型河段为例

为研究冲积性河流造床机理,基于能量耗散原理分析河床调整与水沙过程（变异特性）间的关系十分必要。以黄河游荡型河段为例,利用实测资料分析和平面二维水沙数值模拟方法,进行了各种洪水泥沙条件下河流冲淤规律的探讨。研究发现平滩面积、河相系数与径流泥沙特征值间存在的关联性映射出冲积性河流能量关系中的制约机制;不同洪水泥沙过程的河床冲刷强度变化具有阶段性,主槽累积刷槽效应与洪水泥沙过程有密切响应关系;高效输沙的洪水过程通过塑造最适宜的河床断面形态,能实现最佳输沙效率与主槽的最大冲刷。在不同漫滩洪水条件中,综合系数Φ最大时的洪水过程具有最大累积刷槽效应,因此对应流量可作为黄河下游漫滩洪水的调控指标。     

大型水利水电工程对下游冲积性河道的影响分析

依据冲积河流的自动调整原理,研究了大型水利水电工程的运用对黄河内蒙河段的影响,分析了近期河性改变的原因以及河床调整的自由度与河流体系能量分配、耗散间的制约关系,并从协调河流与人类活动关系的角度,对冲积河流上游大型水库的运用提出了建议.     

近期黄河下游河床调整过程及特点

利用黄河下游1999-2005年的实测水沙及断面资料,分析了近期下游(铁谢至利津河段)河床调整过程及特点,具体表现为:小浪底水库运行后,黄河下游河道出现持续冲刷。其中,游荡型河段的冲刷量占下游总冲刷量的77%,单位河长的冲刷量在高村以上河段最大,孙口以下河段次之,高村至孙口河段最小;各河段主槽横断面形态调整均表现为向窄深方向发展;河床在冲刷过程中,主槽纵比降变化不大,其纵剖面形态自1855年以来均为下凹曲线,其凹度值随河床冲刷而略有增大;汛期深泓摆动幅度在游荡段最大,在弯曲段较小;随河床冲刷,下游平滩流量增加,但断面平滩流量与河段平滩流量的增加程度不同;因床沙显著粗化,不同河型河段的河床纵向稳定程度随冲刷均增加,而河床横向稳定程度在游荡段变化不大,在过渡段及弯曲段有所增加。     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。     

黄河下游不同河型河道的水沙效应及演变趋势分析

黄河下游沿程出现的辫状河流（游荡型河流）、弯曲河流（弯曲型河流）、顺直河流（顺直微弯型河流）的转化现象引人关注,并有不同方面的专门研究。本研究针对以往研究的不足,通过对不同河型段的水沙演变、断面形态对流量的响应、河道断面演变、河床沉积速率及能耗率特征等方面,系统分析了不同河型段河道的水沙效应。认为黄河下游沿程出现的三类河型是由河道比降小、河床质细、洪枯水交替、粗泥沙输入少及大堤限制等因素起主导作用。其中顺直河流的出现是人工大堤的胁迫性产物。随着近年来水沙的阶段性减小,顺直河流在大堤的挟持下得以维持;弯曲河段河道的侧向摆动依然、宽度略微变窄,河床加积速率最大,但不会导致整个下游河道比降发生明显变化;辫状河段能耗率相对较大,冲淤强烈,滩槽更替频繁,但随着流量的减小,其能耗率明显减小,其比邻弯曲河流段的河道会逐渐曲流化,表现为弯曲河段的适度上延,但延伸有限。各类治理措施中,以中上游修建水库和淤地坝是最有效的,可拦截大量粗泥沙,从而降低下游河床的加积速率,以延缓悬河的发展。当然,针对决口险情的大堤建设是必要的,但要与不同河型段的河道稳定性相适应。     

黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化

为全面描述黄河口尾闾段的河床形态调整及过流能力变化,采用河段平均的计算方法,确定了尾闾段(利津—西河口)1990—2016年汛后断面及河段尺度的平滩特征参数,分析河段平滩河槽形态调整特点、河段平滩流量变化过程及其与累积河床冲淤量的关系。结果表明:近30年来黄河尾闾段的河床形态调整过程较为复杂,河相系数在1990—2003年呈振荡式升高,2003年以后持续减小,说明断面形态朝窄深方向发展;平滩流量变化与河段冲淤过程密切相关,淤积时平滩流量减小,反之则增大;建立这些河段平滩特征参数与利津站前4年汛期平均水流冲刷强度的幂函数关系,且相关系数均大于0.8,说明黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化能较好地响应利津站水沙条件的改变。     

黄河下游游荡段过流能力调整对水沙条件与断面形态的响应

河道过流能力与主槽形态有关,而主槽形态又取决于上游水沙条件,分析过流能力与这两者之间的关系对研究黄河下游游荡段河床演变规律有重要意义。从典型断面和河段平均两个尺度,定量分析了黄河下游游荡段1986-2015年平滩流量与水沙条件(来沙系数和水流冲刷强度)及汛前主槽形态(河相系数)之间的响应关系。结果表明:①1986年至小浪底水库运行前,游荡段淤积严重,主槽萎缩,河道过流能力急剧下降,自小浪底水库运行后,游荡段发生强烈冲刷,其断面持续趋向窄深,过流能力逐年恢复;②建立了断面和河段平滩流量与水沙条件及河相系数的幂函数关系,二者相关系数均在0.5以上,但河段尺度相比于断面尺度的相关系数至少可提高17%;③河段平滩流量与前5年汛期平均水流冲刷强度及河相系数的相关系数接近0.94,相应计算公式能较好地反映平滩流量的变化过程,为分析其他河段平滩流量的变化提供了参考方法。     

黄河下游不同河段分组悬沙输移对河床冲淤的影响

小浪底水库运行后, 坝下游分组悬沙输移特点发生改变, 不同河段冲淤过程有所差别。基于1999—2018年坝下游实测水沙资料及固定淤积断面地形数据, 分析汛期分组悬沙输移的沿程调整特点, 建立分组悬沙输移及河床边界条件双重影响下不同河段河床累计冲淤量的计算关系。分析结果表明: ①汛期各组沙输沙率远小于蓄水前, 且中沙输沙率降幅最大, 在各水文断面平均降幅为85%;沿程上细沙输沙率基本不恢复, 而中沙和粗沙恢复距离分别到利津及艾山。②坝下游河床持续冲刷, 各河段河床组成均发生不同程度的粗化; 在拦沙后期(2007—2018年), 游荡段和过渡段床沙中细沙和中沙占比不足5%, 对悬沙几乎无补给作用, 而弯曲段床沙对中沙仍有一定的补给能力。③下游各河段以冲刷下切为主, 但调整幅度不同, 故对水流的约束能力有所差异。建立了各河段累计冲淤量与前期河相系数及进口断面分组来沙系数的经验关系, 并采用2019年下游水沙数据对公式进行了初步验证, 公式能合理反映断面形态与分组悬沙输移对河床累计冲淤过程的影响。     

荆江近岸河床演变对水沙条件的响应探讨

近岸河床的变化对于险工段河势稳定、护岸及堤防的安全产生影响。1990年代以来,尤其三峡水库蓄水运行后,上游来沙大幅减少,荆江河床普遍发生了冲刷,近岸河床发生了相应调整。主要结合荆江河段近岸河床监测资料及已有分析成果,从三个方面分析近岸河床演变对水沙条件变化的响应,一是近岸河床冲刷坑特征值与水沙条件的关系;二是近岸岸坡稳定性对水位变幅的响应程度;三是近岸河床平滩河道形态尺度对水沙过程的响应程度。通过计算分析得出近岸河床特征值与水沙定性及定量的关系。     

(九)河床演变(二)

自然河流或者处于单向演变状态,或者处于准平衡状态。这是按平均概念而言。实际河床演变就是围绕这种均衡状态或正或负地交替进行。河流一旦受到外力干扰,均衡状态被破坏之后,河床演变过程也将随之改变。有的干扰、改变甚至破坏会很强烈。这种演变开始时都比较急剧,然后逐渐衰减,最终达到新的均衡状态。干扰河床演变均衡状态的途径有二:(1)改变河道的来水来沙条件。如河段以上的水土保持工程、拦沙工程、水库枢纽工程、分流堵汊工程和引水工程等的作用。它们增减水量、沙量,改变水流过程和输沙过程以及水沙搭配关系等。(2)改变河段河床形     

论河流的弯曲机理

基于能量守恒原理,通过实体模型试验的方法,对河流发生弯曲的机理进行了探讨。研究认为,河流具有弯曲的自然属性,其弯曲程度主要取决于水流能量的大小,与流量、比降有很大关系;河流发生弯曲是水流为补偿能量损失得以保持运动而形成的一种自然造床过程,河流在运动过程中,通过弯曲形成上游壅水,增加势能,使下游比降相对增大,动能得以增加,从而保持河段内的水沙输移达到相对平衡,此即"动能自补偿"的弯曲机理;河流弯曲程度与需要补偿的动能多少有关,河段上下断面的动能差越大,河段弯曲系数就越大。"动能自补偿"的机理得到了实验室观测结果的验证和野外原型定位观测资料的佐证。     

河型转化研究进展综述

河型研究是河流动力学及河流工程学中的一个基本问题,也是沉积学家判别地下不同成因砂体的一个关键问题。目前河型的分类大都基于河流的平面形态,而这一分类受到了越来越多的质疑,并提出了一些新的分类方案,许多研究者注意到河型并不是离散的,存在一系列连续变化的河型,同时,顺直河、曲流河以及辫状河这些常见的河型之间可能发生突变,河型转化是当前国际河流学界研究的前缘和薄弱环节。本文通过综述河型转化在现代沉积、模拟实验、露头以及地震四个方面的研究进展,认为河型转化主要受到构造作用、沉积物供给、气候条件和海(湖)平面变化四大因素控制,其中前三个因素对于古河型的演化至关重要。在上述因素的影响下,一条河流从上游往下游,往往具有由辫状河→低弯度曲流河→高弯度曲流河→网状河的演化规律。但是河流的位置并不是决定上述变化的主要因素,只要符合条件,即构造作用、沉积物供给及气候等因素发生重大变化的情况下,河型就可能发生转化。然而,河型转化的研究成果尚未引起石油地质学家们的足够重视,并没有被充分的应用到古代河流的解释中去,这将是今后的一个重点研究方向。     

从端点走向连续:河流沉积模式研究进展述评

从河道类型的划分、河床演变与河型转换、河道沉积与河流砂体的建筑结构要素、河漫滩沉积、季节性河流与分支河流体系、河流沉积相模式、河流沉积学研究技术与方法等方面对国内外河流沉积模式的研究进展进行了综述,认为近十年来河流沉积学的理论和方法都发生了重要的变化。地貌学家、沉积学家和工程师认识到河道形态是连续可变的,而不是只有4~40多个端点类型。河床的演变受河床比降、流量变幅、河岸沉积物粒度构成、气候、植被以及构造沉降速率等多方面的影响。垂向剖面分析法难以对古河流类型做出正确的判断,运用建筑结构要素分析法重建河道内大型底形的地貌形态是河型判别和河流相模式重建的正确方法。河漫滩是河流沉积事件记录最为齐全的部位,对河漫滩、天然堤和泛滥平原沉积层序的研究能够揭示更多古河流沉积过程以及古环境、古气候和古生物方面的信息。对季节性河流、受季风强烈影响地区的河流、以及不同气候带河流所发育的独特沉积构造和建筑结构要素的研究不断增加。分支河流体系的概念得到越来越多的应用,但也得到不少质疑。我国学者应当注重对现代河流地貌形态和沉积过程的观察,把河床演变学的定量方法与沉积学的观点、理论和资料相结合,利用露头、三维地震资料和探地雷达技术建立河流砂体内部建筑结构信息数据库,加强对古河流河漫滩和泛滥平原的沉积过程、特征及其控制因素的研究,加强对不同构造和气候条件下河流沉积的差异性研究,不断发展河流沉积学研究技术,加强河流沉积学实验室建设和研究队伍建设,加强国际交流与合作,使我国河流沉积学为国家经济社会发展提供更加有力和有效的支撑,为推动国际河流沉积学发展做出中国人自己的贡献。     

河湾形态演变的自组织及其稳定性

运用自组织理论和方法建立河湾的演化方程.结合Fokker-Planck方程解析解的性质与Langevin方程的动力学特征,推断河湾演变的基本规律如对称破缺、形态转变、演变趋势及速度等.然后根据数学模型与理论分析结果,研究长江洲湾,下荆江尺八口、上车湾、碾子湾等实际河湾演变的自组织规律及其稳定性特征.理论推导结果与实际观测资料基本一致     

雅鲁藏布江加查段河流地貌对构造运动和气候的响应

通过对雅鲁藏布江加查段河流地貌和构造调查发现,该区具有平行状水系格局,河谷地貌以峡谷和宽谷相间为主要特征,经历了碰撞、挤压和伸展构造演化过程,产生了褶皱-逆冲、走滑剪切、韧性剪切、正断层等构造变形样式.该段河谷地貌的形成演化受构造运动和气候等影响.雅鲁藏布江加查段河流至少从上新世以来沿构造运动产生的不同性质断裂构造溯源...     

网状河流和分汊河流的河型归属讨论

河流的河道平面形态分类有多种方案 ,其中Rust的分类因为分出了网状河流而得到沉积学家的更多关注。中国地貌学界和水利学界则更关注钱宁的分类 ,其中包括分汊河流。目前 ,许多研究人员把网状河流和分汊河流当作同一类型的河流。文中从河型的定义、河道平面形态、地下沉积物特征、水动力、新河道形成机理和发育的地貌部位等方面对分汊河流和网状河流进行对比 ,根据对比结果认为它们是不同的河型。为了便于沉积学家、水利学家以及地貌学家之间相互交流各自有关河流的研究成果 ,需要提出一个更符合实际的冲积河流分类方案。     

河流沉积学研究热点与进展--第11届国际河流沉积学大会综述

第11届国际河流沉积学大会于2017年7月17日-21日在加拿大卡尔加里大学举行,每四年举行一次的国际河流沉积学学术会议,吸引了当今北美、欧洲、澳洲及亚洲从事河流沉积学及相关学科研究的众多知名学者参会,研究成果充分体现了当前国际河流沉积学研究取得的重要进展和发展方向。重要进展有:1）河流动力学及其变化过程研究。其中包括将今论古法论现代河流沉积过程与古老地层对比,河道-洪泛平原体系的越岸复合沉积动力学,河流动力学与变化过程研究展望,恢复河道迁移过程:新一代平面图演化模式的讨论,冲积河流和基岩河流的湍流、颗粒间作用和沉积作用;2）陆缘河流。包括河流入海处的地貌动力学与沉积学,河流补给边缘的沉积物搬运、地貌和地层特征,干旱地区河流、冲积扇体系与风的相互作用,植被生长前、无植物生长、或是植被发育区河流的沉积过程研究;3）河流沉积地层及其地下资源。包括源-汇系统,"河流相模式"是否有用的讨论,辫状河、网状河、曲流河概念的厘定等;4）河流地貌变化。包括气候改变、泥泞植被洪泛平原等对河流沉积物通量、河流模式等产生影响,河道中冲积岛屿的演化和稳定河流的蛇曲化,河流环境中沉积物生物作用等。基于上述资料分析,认为河流演化过程从定性向定量化研究,物理模拟与数值模拟技术是河流沉积学研究不可或缺的手段,应用定量建模、数学计算等方法进行精准研究,碎屑锆石U-Pb定年技术是新一代从源到汇研究的重要工具等诸多方面,是我国学者应该重视并开展研究的方向。     

Fluvial response to Weichselian climate changes in the Niederlausitz (Germany)

The last glacial shows large variations in climate, which are reflected in the fluvial record in the Niederlausitz, eastern Germany. The entire sequence resembles the fluvial development in other river basins in northwestern Europe, which show contemporaneous changes in depositional style at the onset of a climatic change. During the Middle and the Late Pleniglacial, permafrost conditions resulted in an episodic river discharge. The presence or absence of vegetation, in combination with such ephemeral stream conditions, determined the type of river during each period. A relatively well-developed vegetation cover on the flood plains during the Middle Pleniglacial resulted in a low sediment yield. In combination with the intermittent discharge, this caused the development of an ephemeral anastomosing river system, a river with stable channels and extensive sandy overbank areas. The decline in vegetation cover at ca. 28 ka BP caused an increase in sediment yield and peak discharges, which resulted in the development of a sandy braided river in adjustment to these new conditions. Following the coldest period at around 20 ka, precipitation was so low that fluvial activity was limited and aeolian deposition took place in the valley. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

断陷盆地拗陷期河流层序样式及其地貌响应:以渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明化镇组下段为例*

对于断陷盆地拗陷期远离滨岸的河流而言,其层序划分是层序地层学研究的难点。本研究在已有钻测井、岩心及地震资料分析基础上,以渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明化镇组下段(简称“明下段”)作为研究对象,将其划分为1个完整的三级层序、4个四级层序(即SQm1-SQm4)。沉积间断面、宽浅下切谷及复合连片砂体是该地区河流层序界面重要的识别标志。每个四级层序均由低可容空间和高可容空间体系域组成。地震地貌学定量分析表明,低可容空间体系有利于低弯度河流(辫状河、低弯度曲流河)发育,高可容空间体系域有利于中高弯度河流发育。新增可容空间和沉积物供给速率的变化对于河流不同体系域的砂体样式具有重要控制作用。     

Biotic forcing militates against river meandering in the modern Bonneville Basin of Utah

Biotic forcing on river meandering is a highly debated topic in sedimentology. Vegetation is assumed to hold a vital role on channel stability and sinuosity, for example through bank stabilization and pedogenic production of cohesive clays. However, statistically solid and causal relationships between vegetation density and river sinuosity remain largely untested in natural systems. This study investigates physical and biotic forcings on channel sinuosity in the Bonneville Basin of Utah (USA), an endorheic depression flanked by active fluvial networks (‘washes’) that display diverse vegetation density and channel‐planform style. By means of remote sensing and ground‐data collection, 58 washes are considered, 0·1 to 90 km² in surface area and drained by trunk channels <45 m wide and <1·2 m deep. Each wash is composed of a catchment basin connected downstream to an aggradational and distributive channel network. Statistically solid regressions highlight the primary roles played by base level and catchment size on fluvial morphogenesis. In contrast, no correlation is found between vegetation density and other parameters such as trunk‐channel width or surface area of the largest meander in a wash. Similarly, no statistical correlation exists between vegetation density and meander size or sinuosity index. Rather, larger and more sinuous meanders are invariably associated with lower vegetation density. These results are corroborated by field evidence showing that sparse vegetation promotes flow disturbance, channel branching and bar braiding instead of stabilizing sediment surfaces. Thus, river meandering is attributed to cohesion offered by mud retention within the endorheic basin, as well as discharge and stream‐power modulation along bifurcating and low‐gradient channel reaches. Hence, this work demonstrates how meandering‐channel patterns may arise from entirely physical forcings in the absence of vegetation.