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。     

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。     

三峡水库蓄水后下游河道悬沙恢复效率

受诸多因素影响,枢纽下游不饱和水流冲刷过程中悬移质泥沙含沙量沿程恢复非常复杂。为了进一步弄清枢纽下游悬沙沿程恢复的规律,本文引入含沙饱和度及饱和度恢复效率系数分别描述悬沙恢复的程度和效率,基于宜昌—大通河段的实测水沙资料,分析悬沙恢复效率的变化趋势及其影响因素,并建立计算饱和度恢复效率系数的经验公式。结果表明：(1)三峡水库下游河道不同河段的恢复效率随时间未出现一致的趋势性变化,但总体上沿程减小,其中单位河长内悬移质全沙的恢复程度在枝城—沙市河段最大、在螺山—汉口河段最小,相差约23倍;(2)含沙饱和度、床沙补给强度以及流量等影响悬沙恢复效率,饱和度恢复效率系数随进口含沙饱和度的增大而减小,随床沙补给强度的增大而增大,床沙补给强度为正时饱和度恢复效率系数随流量的增大而减小、床沙补给强度为负时随流量的增大而增大;(3)基于饱和度恢复效率系数与进口含沙饱和度、流量以及床沙补给强度的关系,建立了计算河段出口悬移质全沙以及各粒径组悬沙含沙量的经验公式。     

三峡建库后沙市—汉口河段悬移质分组冲淤变化规律

水库下游河道冲淤调整是一个长期复杂的过程, 对防洪、航运、生态等均会产生一定影响。为探究长江中游沙市—汉口河段演变趋势并为不利变化的防控提供参考, 分析了三峡建库后悬移质分组冲淤时空变化规律: 建库后, 沙市—监利河段各粒径组泥沙均发生冲刷, 沙市流量为10 000~25 000 m3/s时, 0.125~0.250 mm粒径组泥沙冲刷量最大; 以0.125 mm为粗细颗粒分界粒径, 监利—螺山段呈现汛期、蓄水期"粗淤"而枯水期、消落期"冲细"现象; 螺山—汉口段各粒径组泥沙均发生冲刷, 且流量越大冲刷量越大。在此基础上, 通过建立流量—分组输沙量关系并根据水流挟沙力公式, 发现建库后沙市—监利、螺山—汉口河段冲淤受泥沙、水力因素共同作用, 其中泥沙因素对沙市—监利河段影响大于螺山—汉口河段; 监利—螺山河段"淤粗冲细"主要受含沙量恢复程度的影响, 与上游河床冲刷补给及本河段粗、细颗粒泥沙交换有关, 反映了冲刷条件下河道通过水流挟沙能力级配调整加大输沙能力。     

黄河下游洪水冲淤相对平衡的分组含沙量阈值探讨

河床冲淤相对平衡下的洪水分组含沙量阈值是多泥沙河流水沙调控的重要参数.基于河床演变学的原理,根据黄河下游200余场次洪水实测资料,探讨了洪水分组含沙量阈值和分组来沙系数阈值.研究表明,黄河下游洪水过程中,在一定的分组含沙量及来沙系数条件下,可以使得河床冲淤达到相对平衡.对于悬沙以细泥沙为主的洪水,其河槽冲淤临界含沙量与主槽单宽流量、最大日均流量、花园口以下河段最小平滩流量、床沙中值粒径大于0.05 mm的沙重百分数有关;对于悬沙以中粗泥沙为主的临界含沙量则与粒径大于0.05 mm的沙重百分数无关;对于悬沙以粗泥沙为主的临界含沙量除与细泥沙临界含沙量的因素有关外,还与悬沙中值粒径小于0.025 mm、大于0.05 mm的沙重百分数有关.对于含沙量级相近的洪水,若流量级不同,同样可以产生不同的冲淤结果,即存在着分组来沙系数临界值.     

三峡建库前后下荆江有效流量研究

有效流量是天然河流某一时段内悬移质输沙量最大所对应的流量,可反映中、短期造床作用。根据监利水文站1991—2016年逐月流量、输沙量及悬移质级配,分析三峡建库前后流量频率及不同粒径组悬移质泥沙输移特性;运用理论分析法与分组频率法计算下荆江分组悬移质输沙量对应有效流量的大小、重现期、历时。研究成果表明:受来水来沙、水流挟沙能力以及床沙补给等因素影响,有效流量随泥沙粒径增大而减小。建库后,因河床冲刷各粒径组间有效流量偏差增大,0. 062 mm0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期减小;细颗粒泥沙含沙量严重不饱和河道输送粗颗粒泥沙的能力相对较大,悬移质级配粗化;累积50%的泥沙输移需43%～82%的累积流量以及62%～90%的累积历时,且累积流量和累积历时随着泥沙粒径的增大而减小和缩短。研究三峡建库前后有效流量变化对分析冲刷条件下下荆江河段河床演变具有重要意义。     

小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响

小浪底水库运用后，黄河下游河床冲刷粗化严重、水流阻力变化十分明显。为定量描述小浪底水库运用对水流阻力的影响，基于黄河下游水文站流速、河宽、床沙粒径、曼宁系数等实测数据分析，结合床面形态控制数理论及实测床面形态资料，建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式，计算精度得到了黄河下游水文站1 508组实测数据的验证。分析计算表明：黄河下游床沙粒径上段粗、下段细的特征更加突出，高村以上游荡型河段沙垄发育、动床阻力增加明显；高村以下河段，河床冲刷粗化程度明显减少，动床阻力变化相对较小，但河槽断面趋于窄深，洪水期岸壁阻力增大明显。小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育，增大了各河段的水流阻力。     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

黄河下游花园口河段洪水涨落过程中河床横断面形态的调整

利用黄河下游1950-1985年间218场洪水资料,讨论了黄河下游花园口河段洪水起涨和回落过程中河床形态调整的不同过程.在洪水起涨阶段,花园口河段河床宽深比以增大为主,且洪水最大含沙量越大,宽深比增大的幅度越大,洪峰增幅比在3以下时,宽深比随最大含沙量的增大而增大,洪峰增幅比在3以上时,呈随含沙量的增大而减小的趋势.在洪水回落阶段,宽深比的变化方向则相反.在含沙量较小时,河床宽深比的减小主要发生在洪水起涨阶段,在含沙量很大时,河床宽深比的减小主要发生在洪水回落阶段.     

长江中游荆江段非均匀悬沙恢复饱和系数

三峡工程运行后,长江中游荆江河段含沙量大幅度降低,次饱和水流冲刷河床使含沙量在沿程逐渐恢复,但其恢复特点由于沿程床沙组成差异而有所不同。本文基于Markov随机过程及泥沙起动理论,推导非均匀悬沙的泥沙落距表达式;结合悬移质扩散理论,修正非均匀悬沙恢复饱和系数公式。在此基础上,基于荆江河段实测输沙过程,提出考虑床沙组成影响的分组悬沙恢复饱和系数计算方法;该方法主要与泥沙粒径、悬浮指标、床沙组成及止滚概率、止悬概率等因素有关,无需考虑非饱和调整系数的影响。计算结果表明:①不考虑床沙组成时,沙市、监利站恢复饱和系数计算值均在区间0.12~0.27内变化,而考虑床沙组成时分别为0.000 3~0.171 8和0.003 5~0.157 9。②不考虑床沙组成时,分组悬沙恢复饱和系数计算值细沙>中沙>粗沙;考虑床沙组成时细沙 < 中沙 < 粗沙;除落水期外,沙市站粗沙的恢复速度均大于监利站。③沙市、监利站恢复饱和系数在各计算时段的变化过程对悬沙分组具有敏感性,其中洪水期恢复饱和系数大于枯水期、涨水期和落水期。采用河床变形方程反算分组悬沙恢复饱和系数,并与本文计算结果进行对比;通过比较分析,本文公式能够用于描述荆江河段分组悬沙恢复特性,可为三峡工程下游非均匀悬沙沿程恢复过程研究提供参考。     

小型水坝拆除后河貌演变模拟分析——以西河水坝为例

小型水坝随着服役时间的增长,其面临的安全、经济和生态方面问题日益突出,针对一些修复价值较低的病险水坝,实施降等或报废拆除已成为一种综合最佳的管理措施。拆坝后,原库区大量淤沙无控释放将改变原有河道形态,对水生生物栖息地造成影响。为预测拆坝后河道在不同时间尺度上的变化特征,以长江流域乌江水系内的西河水坝为研究对象,建立二维水沙数学模型,分别研究了拆坝后水沙输运造成的短期和长期河床形态变化。结果表明:拆坝后短期内,坝址上游主河道发生了强烈的冲刷下切,且水库淤沙前缘部分出现了显著的淤积抬高,相比而言,坝址下游河床变化并不明显,只有坝下河段及河口附近出现较显著的泥沙淤积;在拆坝后长期的河床演变过程中,坝址上下游河道均发生了不同程度的冲刷下切,拆坝2年后下游河床逐渐趋于稳定,而上游主河道由冲刷下切转化为冲淤交替的演变趋势,河床形态不断调整变化。本研究可为病险坝和小水电报废拆坝后的河道治理、水生生物栖息地修复提供参考依据。     

长江荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系

长江是中国的"黄金水道", 通过系统性航道整治和疏浚维护, 长江荆江河段航道水深已由2002年的2.9 m提升至2020年的3.5~3.8 m, 但仍低于上游三峡大坝库区(4.5 m)及下游河段(4.5~6.0 m), 航道水深与上下游不衔接且制约长江航道综合效益发挥。为了适应上下游航道水深, 需提升荆江河段航道尺度, 亟需明确航道水深资源、碍航特征与河道演变等关系。以长江荆江河段为对象, 分析1960—2020年水沙及地形等资料, 开展长江中游荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系研究。研究表明: 三峡工程运行后荆江河段以枯水河槽冲刷为主, 冲刷量占全部冲刷量的90.97%, 江心洲和边滩面积减少18.3%, 其中江心洲、边滩面积减幅分别为9.4%和24.9%;在河床冲刷与航道整治工程实施条件下, 以4.5 m×200 m(水深×宽度)进行航道尺度核查, 荆江河段碍航总长度占全河段5.3%;4.5 m水深碍航特征包括砂卵石河段枯水位下降幅度高于河槽下切深度引起航道水深不足, 沙质河床内弯曲河段"凸岸侧边滩冲刷、凹岸侧深槽淤积"引起滩槽形态及航道边界不稳定, 以及分汊河段内洲滩萎缩与汊道间不均衡冲刷引起枯水航路不稳定及水深不足。     

山溪性强潮河口分汊河道演变机制——以瓯江江心屿河段为例

山溪性强潮河口是中国东南沿海的一种典型河口,水动力强劲、泥沙运动活跃,对人类活动响应迅速。自然条件与人类活动共同驱动下山溪性强潮分汊河道演变机制尚需进一步研究。以径潮流作用下滩槽演变剧烈的瓯江江心屿分汊河段为例,采用实测资料分析与二维水沙数学模型计算的方法,分析了20世纪70年代以前自然演变、70年代至90年代末上村丁顺坝建设影响期、21世纪以来人工采砂等影响下的河道演变机制。结果表明,丁顺坝建设等人类活动改变了该河段自然条件下主支汊周期性交替的演变规律; 21世纪以来人工采砂等造成河床大幅下切,近20 a来潮差增大0.5 m、涨潮流量增大约47%,分流与分沙不均匀性分别减弱0.08~0.30和0.28~0.54,涨落潮流速差异减小,有利于减缓支汊萎缩态势,河道演变机制受到自然-人类活动双重因素主导。研究成果可为类似河流演变和保护利用提供借鉴。     

长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型

针对长江中游瓦口子至马家咀河段(弯曲分汊河段)的水沙运动特点,给出了二维水沙数学模型尤其是推移质不平衡输沙计算的模式,主要包括推移质不平衡输沙方程、床沙级配方程、河床变形方程;对模型中的几个关键问题提出了处理方法,如非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度等.利用大量的水流及河床变形资料,率定了模型的一些参数,进行了水面线、流速分布及河床变形的详细验证.在此基础上,根据设计部门提供的进出口水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲淤过程与分布及航道条件的变化.     

钱塘江河口水流-河床相互作用及对盐水入侵的影响

通过长系列实测水文、地形资料分析,钱塘江河口上段河床具有大冲大淤和洪冲潮淤的演变特性,影响河口上段的潮汐强弱,进而影响盐水入侵。若年内丰水期径流量大,则河床出现“大冲”,河床容积增大,潮汐增强,导致秋季强潮期盐水入侵加剧;反之,若年内丰水期径流量小,河床容积较小,导致秋季强潮期盐水入侵减弱。结果表明,钱塘江径流对盐水入侵存在直接和间接影响:直接影响是盐水入侵与径流量成反比;间接影响是通过径流冲刷河床,引起潮汐增大,间接导致盐水入侵加剧,这是钱塘江河口大冲大淤以及对潮汐巨大反作用的特性造成的。     

基于RS、GIS集成技术的黄河三角洲海岸线变迁研究

海岸线变迁是黄河三角洲地区重大环境地质问题之一。本文应用RS、GIS集成技术,通过对黄河三角洲海岸线钓口段、黄河港段和河口段3个区段28年(1976—2004年)MSS和TM系列影像数据的分析研究,发现了1976年黄河人工改道后三角洲海岸线变迁的总体规律与趋势,即北部钓口地区不断侵蚀、后退,东北部黄河港地区基本稳定,南部河口地区不断淤积、前进。这一发现对该区域的资源开发、环境保护等具有重要的指导意义。     

管道穿越对煤系土河床冲刷深度的影响

为研究管道穿越煤系土河床后对冲刷深度的影响,基于室内构建的煤系黏土质和砂质河床模型试验装置,设置不同管道埋深、管径大小和冲刷流速进行冲刷模拟试验,并利用SPSS 25.0软件对河床冲刷深度与以上3个因素进行多元线性回归分析。结果表明:管道埋深、管径大小和冲刷流速3个因素能够解释冲刷深度71.4%~80.6%的变化,管道埋深显著负向影响冲刷深度,管径大小和冲刷流速显著正向影响冲刷深度。管道穿越会破坏河床颗粒间的原始胶结状态,强化水流的冲刷作用。利用所得线性回归方程对珠海市某管道穿越工程进行安全性验证,考虑了管道埋深与管径大小对冲刷深度的影响,验证结果证明了回归方程的可行性。研究成果为管道穿越工程设计提供一定参考。      

Controls on the morphology of braided rivers and braid bars: An empirical characterization of numerical models

Braided rivers exhibit highly variable morphologies, morphodynamic behaviours and resulting depositional records. To evaluate relationships between characteristics of braided-river channel belts and river depth, water discharge and streambed gradient, 39 numerical modelling experiments were conducted with the software Delft3D to simulate braided-river evolution under a broad range of boundary conditions. Data from model outputs were integrated with observations from 63 natural braided rivers differing with respect to river depth and streambed gradient. The modelled rivers each underwent similar evolutions, yet each culminated in markedly different final river morphologies, dependent on discharge and riverbed gradient. The rivers underwent evolutionary stages of: (i) formation of transverse unit bars with limited relief from an initially featureless bed; (ii) channel development around bars and in some cases dissecting transverse unit bars; (iii) formation of relatively simpler compound bars; and (iv) amalgamation of these simpler compound bars into more complex compound bars. Quantitative relationships relating to braided-river channel-belt morphology and organization are established, and the following results are noted: (i) bar elongation (length-to-width ratio) is correlated positively with riverbed gradient; (ii) bar height and area are correlated positively with discharge, and negatively with riverbed gradient; (iii) the river depth is the main predictor of mean braid-bar area; and (iv) the degree of braiding is primarily associated with river width-to-depth ratio and riverbed gradient. Results arising from this research improve our understanding of controls on the morphology and architectures of braided fluvial channel belts; they provide a novel empirical characterization that can be applied for predicting channel depth, bar morphology, streambed gradient, and degree of braiding of modern fluvial systems and of the formative rivers of ancient preserved successions.     

ADCP measured flow current of the middle-lower Changjiang River channel

The water column flow velocity of 36 river sections in the river reach between Hankou (Wuhan) and Wuxue of the middle-lower Changjiang River. Their cross sectional distribution patterns in relation to the river channel morphologies were examined by using ship-mounted ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) instrument. The results indicate four (I-VI) types of river channel morphology associated flow patterns: I—laterally deepening riverbed topographic pattern; II—symmetrical to asymmetrical riverbed topographic pattern; III—relative flat riverbed topographic pattern, and IV—sandbar supported riverbed topographic pattern. All these correspond to the different patterns of flow velocity distribution. The maximum flow velocity is usually related to the deeper water depth, but irregular water column distribution of flow current velocity results often from the vortices’ current associated with river knots. Deeper river water depth is usually identified in the river reach located slightly downstream to the river knot, where faster flow velocity occurs. Downward change in flow velocity fits semi-log law, showing an exponential decreasing flow current with the maximum flow velocity near the water surface. However, in the river reach near the river knots, the water column distribution of flow current velocity does not fit the semi-log law, showing the irregular flow current pattern. This study, in context of river catchment management, highlights the controls of riverbed morphology to the flow current structure, which will shed light on the post study of Three Gorges damming in 2009.