黄河揭底冲刷现象的计算分析

黄河中游的高含沙洪水常常引起黄河的"揭河底"冲刷。通过对黄河"揭河底"现象的分析,建立了"揭河底"冲刷的物理模式,进而导出了"揭河底"冲刷的力学方程和临界水沙条件,其计算结果与实测"揭河底"冲刷的水沙条件相一致。通过该方程与水沙条件的分析,进一步验证了散粒体泥沙起动的流速公式。这两个公式的导出对研究高含沙洪水引起的河床演变以及泥沙起动规律具有重要的理论价值。     

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。     

黄河下游河道高含沙水流

黄河流经西北黄土高原地区,由于汛期暴雨集中,大片植被较差地区水土流失严重,形成浓度极高的含沙水流,一场洪水中的含沙量可高达1,500公斤/立米以上。这种高含沙水流在中游山陕区间和径渭洛河地区(图1)虽然是屡见不鲜的,但近年来已有逐步向下游扩展的趋势。1977年7、8月间,黄河中下游相继出现两场高含沙洪水,其含沙量在龙门、华县以下直至花园口河段均接近或超过历史最高记录(表1)。两场洪水的沿程冲淤变化十分剧烈。第一场洪水沿程不少河段发生了“揭河底”现象,小浪底至花园口河段刷成深槽,平均刷深1.0～1.5米。第二场洪水在此河段发生了水位、流量的异常变化,出现了“浆河”现象。这样大的高浓度含沙水流进入下游河道以后发     

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。     

黄河下游漫滩洪水冲淤规律

滩地的淤积层分布记录着以往漫滩洪水的特征,即反映漫滩洪水的量级、频率和持续时间等,同时河漫滩也是预估河流泥沙、洪水灾害防治和湿地生态系统保护等的重要组成部分。根据黄河下游水文年鉴资料,分析滩地的淤积与漫滩洪水的定量关系,为未来河流泥沙预估提供依据。经分析得到大漫滩洪水在来沙系数S/Q<0.030 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。当S/Q<0.030 kg·s/m6时,大漫滩洪水滩地的淤积量主要与漫滩系数Q_max/Q_p、上滩水量W₀和含沙量S有关;大漫滩洪水的主槽冲刷量则除了与洪水期水量W和沙量W_s有关外,还与滩地的淤积量有关。一般漫滩洪水,当来沙系数S/Q<0.023 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。一般漫滩洪水主槽冲刷量与来沙系数S/Q和洪水期水量W有关,而滩地淤积量仅与含沙量S有关。黄河下游漫滩洪水滩地的淤积和主槽的冲刷主要发生在孙口以上河段,而孙口以下河段主槽冲刷和滩地淤积量均较少。     

河流洪水数值预报在流体力学基础上的论证

用流体力学的基本理论,论证了河流洪水的基本特性:洪水漫滩后,主槽过水能力降低;由于主槽过水能力降低,上游来水形成雍水;河流洪水运动的有旋性;河流洪水能量的耗散性。提出联解流体力学的基本方程组进行数值洪水预报。     

主槽一维和滩地二维侧向耦合洪水演进模型

为实现对复式河道大尺度漫滩洪水的快速模拟,结合洪水在滩槽行洪特点和河道一维、二维水动力学模型研究成果,在主槽与滩地分别划分为矩形和三角形网格,以左右滩唇为分界实现两网格系统嵌套;建立主槽一维水动力学数学模型,内插大断面间网格处的水力因子,在滩地采用简化的二维水动力学模型模拟滩槽间、滩地网格间水量交换,实现主槽一维与滩地二维模型侧向耦合。利用黄河下游“96·8”大洪水实测资料,对花园口至夹河滩河段洪水演进过程验证,结果表明该方法模拟精度较高,能够利用该模型模拟复式河道大漫滩洪水过程。     

黄河下游"2004·8"洪水分析

2004年8月,黄河中游地区出现强降雨过程,依据防洪方案,小浪底水库泄放了一次高含沙洪水过程。洪水在下游表现为含沙量高、花园口洪峰增值突出、洪峰流量沿程衰减较小等特点。分析认为造成花园口洪峰增值的主要原因是由于高含沙水流比前期清水水流阻力较小,使其流速大大快于前期的槽蓄水流的流速,在演进的过程中,不断“挤压”峰前的清水和部分前期槽蓄量,形成叠加。通过分析对今后高含沙洪水的研究、监测与调度等提出了建议。     

黄河“92·8”暴雨洪水分析

黄河“９２·８”暴雨洪水分析许才华，朱传保（水利部水利信息中心）１９９２年８月，黄河北干流、北洛河、泾河、渭河及黄河下游相继发生了洪水，并产生了一些异常现象。例如洪水不大，水位很高；流量不大，漫滩现象非常严重；个别河段在支流基本没有来水的情况下，下游...     

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。     

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。     

对黄河下游河道输沙能力的新认识

综述了10a来利用高含沙水流特性治理黄河下游河道的研究进展,其中包括黄河水沙变化趋势,高含沙洪水的输沙特性,阻力特性,河槽形态调整变化规律,河道特性与来水来沙之间的关系;改造下游宽浅河道的最优水沙组合,水库调水调沙运用原则,及治理前景等内容.如能实现,下游河道淤积可大幅度减少,输沙用水可大量节省,黄河水资源可得到充分利用,并能形成窄深稳定的新河槽.     

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：① 1986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。     

小浪底水库运用后黄河下游游荡段主槽摆动特点

天然冲积河流主槽摆动具有复杂的时空变化性,分析其摆动特点对研究黄河下游游荡段河床演变规律具有重要意义。以1999—2016年黄河下游游荡段汛后卫星遥感影像与实测28个淤积断面地形资料为基础,计算了断面及河段尺度的主槽摆动宽度及强度,确定了小浪底水库运用后游荡段的主槽摆动特点,并定量分析了影响游荡段主槽摆动强度的主要因素。计算结果表明:游荡段主槽摆动方向具有往复性,主槽摆动宽度呈现中段大、上下两段小的特点;小浪底水库运行后,游荡段主槽摆动宽度及强度呈逐渐减小趋势,多年平均值分别为188 m/a和0.16;上游来水来沙条件是影响主槽摆动强度的主要因素,河床边界条件(滩槽高差、河床组成等)是次要因素;建立了游荡段主槽摆动强度与前3年平均水流冲刷强度的幂函数关系,相关系数良好。     

细颗粒对粗颗粒床沙质输沙率影响的初步研究

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法.该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的一个重要因素.与黄河实测资料的对比表明,该计算方法能够反映高含沙紊流输沙时随流域细颗粒增多粗颗粒悬移质输沙率相对增大的现象,并具有较好的计算精度     

生产堤溃决后漫滩水流的概化模型试验研究

黄河下游主槽两侧修建的生产堤通常仅能抵御中小洪水,用于保护滩区农田与村庄安全;当遭遇大洪水引发生产堤溃决时,漫滩洪水会严重威胁滩区群众的生命财产安全。当前研究溃堤洪水的传播过程与演进机理多采用数值模拟,而原型观测及模型试验成果十分有限。通过溃堤漫滩洪水的概化模型试验,模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。试验结果表明:(1)溃堤后漫滩水流以涨水波的形式向滩区迅速传播,主槽内水位具有先降低,然后维持稳定,再升高,最后趋于稳定的变化过程,且溃口上、下游水位变化速率不同;滩区水位总体表现为持续升高,最后趋于稳定的趋势。(2)漫滩洪水波的波前到达时间主要与滩区地形及距溃口的距离有关,波前首先以溃口为中心呈近似对称式椭圆形分布,而后转变为非对称分布;溃堤水流在滩区传播过程中伴有水跃发生,水跃发生的位置由距溃口较远处逐渐趋向溃口位置。(3)溃口流量与溃口内外水位差直接相关,呈先减小、然后维持稳定、再减小最后为0的变化特性。研究成果不仅可以提升对溃堤洪水在滩区演进规律的认识,丰富溃堤洪水动力学理论,还可为数学模型验证提供实测资料。     

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。     

澽河入黄段输沙量计算及泥沙淤积变化规律分析

澽河系黄河右岸的一级支流,发源于陕西省黄龙县黄龙山主脊冢字梁,自西北向东南流经黄龙、韩城两县(市),于韩城市芝川镇司马庙东汇入黄河,流域面积1 083 km~2。澽河入黄段因黄河洪水倒灌淤积,河床不断抬升,加之黄河主槽不断西移,导致澽河入黄口己上提2.50 km。通过对澽河入黄段河道输沙量进行计算,并对泥沙淤积规律进行分析,结果表明,实际产沙进入澽河的流域面积为119 km~2,年平均进入澽河河口段的泥沙量为6.77万m~3。澽河入黄泥沙量较小,对河道淤积影响不大,澽河下游黄河洪水倒灌段受黄河高含沙洪水倒灌影响,淤积明显,倒灌段以上河段冲淤平衡。为该河段治理工程建设、防汛工作和黄河流域同类型河流泥沙分析提供参考。     

“64—1”修正公式在大清河水系的应用

1963年河北发生较大洪水灾害,其中北郭村水文站和紫荆关水文站实测了观测断面冲刷深度,利用“64-1”修正公式对1963年北郭村水文站和紫荆关水文站实测冲刷深度进行了验证,结果显示：两站的计算值和实测值误差不大．基本满足计算要求。