黄河龙门—潼关河段“揭河底”洪水特性初步分析

“揭河底”是黄河干支流上伴随高含沙水流所发生的河床强烈冲刷现象。据实测资料统计，分析，龙门站较大洪水的洪峰和洪量多由顺堡以上来水为主组成，但以吴堡以下来水为主的高含沙洪水发生“揭河底”现象的机率更高。“揭河底”可使主槽产生冲刷，滩槽高差加大，从而增大了主槽过洪能力。     

黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性

黄河下游漫滩高含沙洪水河床调整剧烈,多数断面洪水后形成"相对窄深河槽",洪水前后河槽宽度发生明显变化。分别以观测断面洪水前后的河槽宽度为基准,计算漫滩高含沙洪水期泥沙时空沉积分布,结果表明,漫滩高含沙洪水与非漫滩高含沙洪水相比,能将主河槽内淤积泥沙量的59.3%搬运至嫩滩或滩地,减缓主河槽淤积。在分析研究基础上,建立了洪水后漫滩河段河槽相对缩窄率与洪水前期河槽宽度的量化关系,洪水后主槽宽度缩窄率为15.5%~44.0%;分析遴选了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与主要水力因子间关联度及物理含义,给出了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与相应水力因子间的响应函数;初步提出漫滩洪水河道塑槽淤滩的临界水沙配置指标,临界水沙系数取值为0.025~0.040。成果对高含沙洪水调控具有一定的指导意义。     

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。     

黄河“揭河底”冲刷期河道形态调整规律

为准确预测和有效应对“揭河底”冲刷险情,通过大量挖掘相关水文站1950年以来的原始测验资料,结合概化模型试验,对“揭河底”冲刷期河道断面形态调整过程及洪水位变化情况进行了深入研究。结果表明,“揭河底”冲刷期河道形态调整具有明显的规律性。从过程看,一般可分为4个阶段,即“揭河底”前的一般冲刷阶段、河底高程基本不变阶段、胶泥块揭起河床快速下降阶段和“揭河底”后期持续冲刷阶段及回淤阶段。“揭河底”洪水与非“揭河底”洪水在水位表现上差别较大,非“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为平缓,洪水前后水位变化过程呈明显的逆时针绳套;“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为陡峭,水位变化过程呈明显的顺时针绳套,“揭河底”发生的瞬时,水位有一个明显的升高和快速下降过程。从流态看,水面紊动剧烈的地方位于发生“揭河底”位置的下游,这也是本次研究的一个重大发现。     

黄河高含沙水流的含沙量分布特性及测验方法的探讨

本文根据野外试验资料分析指出,黄河中游高含沙水流泥沙具有均质分布的特点。认为这种均质分布在流域产生径流时就已形成,并且在浑水流体较大的极限切应力和密集泥沙形成的结构体作用下保持下来。扩散理论的垂线分布公式不适用于高含沙水流,这时的泥沙测验内容、方法和仪器等应与低含沙测量不同。一、高含沙水流泥沙分布特性黄河中游干支流,洪水时期常出现高含沙水流。根据这个地区部分水文站的实测资料分析,这种水流有如下的分布特性:     

黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型

采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

三峡大坝—葛洲坝河段水沙变化及冲淤特性

掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。     

三峡大坝—葛洲坝河段水沙变化及冲淤特性

掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。     

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.     

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。     

冲刷漏斗纵剖面形态数值模拟技术研究

提出σ坐标系垂向分层的优化方法,较好地解决了传统σ坐标变换用于底孔泄流数值模拟时存在网格边界变化的问题;采用一维水流模型为立面二维模型提供自由水面边界,即"动刚盖法"确定自由表面;根据坝前趋孔水流的流动特性和水下纵坡稳定性受力分析,分别导出σ坐标系下床面泥沙边界条件和底孔泄流初期河床滑塌的判别式。在此基础上建立底孔泄流条件下立面二维水流泥沙数学模型,并将之应用于有刚性护坦条件下冲刷漏斗形成的数值模拟。模拟结果表明,漏斗冲刷平段长度、漏斗纵坡等数值试验结果与水槽试验基本一致,验证了模型的合理性和可靠性。     

2012年洪水对黄河内蒙古段冲淤影响

2012年洪水是内蒙古河段1989年以来历时最长、洪峰流量最大的洪水过程。为了解粗泥沙对黄河内蒙古段河床冲淤变化的影响,依据宽河谷河段巴彦高勒、三湖河口和头道拐水文站实测资料,分析了内蒙古河道2012年洪水水沙特征,通过计算推移质输沙量和比较断面河底变化,探讨了粗泥沙对河底调整的影响。结果表明:2012年洪水造成粗泥沙在上游段冲刷、下游段淤积;固定低水位下过流断面存在涨冲落淤的规律;洪水过后,巴彦高勒和三湖河口低水位面积分别扩大了19 m2和29 m2,头道拐减小约100 m2。由于粗泥沙排沙不平衡,底部河床的真正高程并没有降低,防洪风险依然存在。     

莱州湾悬沙输运机制研究

基于2012年实测的潮流、含沙量及表层沉积物数据及资料等,分析了潮流、余流、潮流底应力及底质类型对含沙量变化的影响,并运用物质通量分析方法,探讨了莱州湾悬浮泥沙的输运机制.研究结果表明:研究海域受半日潮控制呈往复流特征,涨、落潮期间近底含沙量与流速及潮流底应力显著相关,存在明显的再悬浮现象,含沙量呈现潮周期变化特征;底质类型与含沙量大小密切相关,细颗粒物质更容易发生悬浮;平流输运与潮泵效应是莱州湾海域的悬沙输运的主要动力因素.     

对长江芦家河浅滩段演变特性的新认识

根据实测资料,分析了长江芦家河浅滩段退水过程中沙泓冲刷流量(Q=10000～25000m3/s)的持续时间与当年航道发生青黄不接现象之间的联系.在此基础上,利用计算资料,分析了三峡建库以后来水来沙过程的改变对沙泓冲淤演变的影响趋势.     

金沙江下游溪洛渡水库排沙效果及影响因素

溪洛渡水电站自2013年开始直接拦截金沙江的泥沙,其排沙效果对水库运行及下游向家坝和三峡入库泥沙都会造成影响。本文基于水文泥沙及河道断面观测资料,对比分析溪洛渡水库和三峡水库排沙规律异同点,研究溪洛渡水库排沙效果及影响因素。结果表明,2014—2019年溪洛渡水库共计排沙1 490万t,排沙比为3.1%,较设计值和向家坝、三峡水库均明显偏小。溪洛渡水库排沙比偏小主要有3个原因:入库水沙峰值协调性较差、水库长期高水位运行及库区河道二级天然潜坎对泥沙运动的阻隔效应。     

护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷试验

淹没丁坝是一种典型的航道工程整治建筑物,工程实施中坝头附近局部冲刷防护问题尤为重要。为研究护底条件下的淹没丁坝坝头局部冲刷特性问题,采用正态模型试验方法,重点研究了护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷坑形态、最大深度与护底宽度的变化响应规律,结果表明,护底条件下坝头局部冲刷坑位于护底边缘附近,当护底宽度小于20 m左右时,最大冲刷深度变化较小,但冲刷坑位置有所远离坝体,最大冲刷深度随着护底宽度的变化规律可用指数关系表达。基于量纲分析原理,建立了粉细沙河床护底条件下淹没丁坝局部冲刷最大深度计算公式。     

白洋淀漕河全新世早期古洪水事件的沉积特征及气候背景

古洪水沉积物是研究地史时期极端降水事件和古环境演化的重要载体。基于地质记录开展古洪水重建研究,可以为揭示区域洪水历史过程及机制提供依据,对水资源利用和工程建设等具有重要的现实意义。本文以漕河古河道北岸出露较好的李迪城村剖面为研究对象,综合地层序列、野外沉积特征、沉积构造及沉积物粒度分析,对白洋淀地区漕河古河道沉积记录的古洪水事件进行了识别,发现该剖面具有以下主要特征:古洪水沉积层与下伏地层存在明显的冲刷侵蚀面,沉积体形态呈透镜状,由泥砾、炭屑、双壳类及灰黑色粉细砂混杂组成,发育中小型交错层理;洪水沉积物粒度指标(中值粒径、砂含量、黏土/粉砂值及Q90)表现为高值,以细砂为优势组分,含混杂的粉砂及少量黏土,分选较差;古洪水沉积层中古树与双壳类集中埋藏,呈定向排列,其指示的方向与遥感影像揭示的古河道方向一致。通过该剖面沉积特征及地层AMS ¹⁴C年代分析,确定漕河在全新世早期约10.8~9.6 ka BP发生了4期古洪水事件,这4期古洪水事件可以与该时期华北地区其它古洪水事件进行对比。当时正值全新世早期,东亚夏季风增强,为气温和降水频繁波动上升时期,据此推断白洋淀地区全新世早期的古洪水事件是当时气候背景下的产物。