黄河内蒙古段洪峰特征及水沙关系变化

本文通过黄河头道拐站1950-2009 年水沙年系列进行突变点分析, 识别出1969 年、1986 年、1996 年3 个突变点, 将黄河内蒙古段水文过程划分为4 个时期。在此基础上, 利用内蒙古段6 个水文站长系列日流量、日含沙量及泥沙组成数据, 划分了各站的夏汛洪峰, 并统计分析了分期洪峰的水沙分布特征和洪峰水沙关系, 揭示出夏汛洪峰流量和输沙率逐渐减少的规律:1996-2006 年与1954-1968 年相比, 夏汛洪峰水沙量占全年水沙的比例都减少了约一半, 流量级频率与输沙率乘积的峰值对应的流量也降低了约一半。分析认为, 黄河内蒙古段夏汛洪峰特征阶段性变化既有大型水库的影响, 又有气候变化及人类活动的影响, 而且后者的作用越来越大。分析发现, 20 世纪90 年代以前, 黄河上游水沙变化只是改变了内蒙古段来沙中粗颗粒泥沙的水沙关系, 显示出大流量输送粗颗粒泥沙能力相对增强的趋向;进入内蒙段后, 通过泥沙冲淤调整, 分粒径组泥沙水沙关系变化比较复杂。近期在水沙条件巨大变化下, 河流的输沙特性并没有发生根本变化, 但是无论全沙还是分组沙, 水沙关系曲线变陡, 大流量输送泥沙能力相对增强。     

黄河下游游荡段排沙比对水沙条件与断面形态的响应

提高黄河下游游荡段的输沙能力是河道治理的主要任务,而河道输沙效率（排沙比）受到来水来沙条件和河床边界条件的共同影响。本文基于1971—2016年花园口—高村河段（简称花高段）的实测水沙及地形资料,计算了花高段的平均河相系数及水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）,从汛期和场次洪水2个时间尺度,定量分析了排沙比与水沙条件及前一年汛后主槽形态之间的响应关系。分析结果表明：① 汛期和场次洪水排沙比与来沙系数呈负相关,与水流冲刷强度呈正相关,临界的汛期不淤来沙系数为0.012 kg?s/m ⁶,场次洪水排沙比与来沙系数及水量比的决定系数为0.76;② 游荡段排沙比与河相系数呈负相关,当河相系数大于15 /m ^0.5时,河段排沙比基本小于1;③ 以来沙系数与河相系数为自变量的汛期排沙比计算式的决定系数为0.82,计算精度较高,对于场次洪水排沙比而言,断面形态的影响权重大于来沙系数。这些排沙比计算公式能够反映游荡段的输沙特点,有助于定量掌握断面形态及水沙条件对河道输沙能力的影响。     

海勃湾枢纽对坝后河道冲淤的影响

随着黄河上游控制性水利枢纽相继投入运用,黄河内蒙古段河道冲淤演变格局得到重塑。利用水文站实测数据,系统分析了海勃湾水利枢纽建设运行前后坝后河道水沙变化特征。基于河道断面高程数据,从滩槽冲淤（横向）及沿程冲淤（纵向）两方面定性分析坝后河道形态变迁,采用断面地形法定量计算坝后河道冲淤变化量。结果表明：海勃湾水利枢纽蓄水运用后,坝后河道的水沙搭配条件显著改善,来沙系数、单位径流量的输沙量降幅较大,对坝后河道减淤冲刷作用明显。坝后河道横纵断面变迁以冲刷为主,冲淤演变过程经历了淤积（2004—2012年）、冲淤过渡（2012—2014年）、冲刷（2014—2020年）3个阶段。     

三峡水库不同类型支流河口泥沙淤积成因及趋势

为揭示三峡水库库区不同类型支流河口泥沙淤积的内在机理和变化趋势,本文充分利用水文、泥沙、固定断面和河道地形等原型观测资料,从支流水沙输移规律和河口局部水沙分布特征出发,研究了不同类型支流河口段泥沙淤积规律及主要影响因素的作用机理,探讨其淤积趋势及形成拦门沙的风险。结果表明：三峡水库蓄水后,库区不同类型支流河口普遍淤积,淤积范围及河道形态的变化各有特点;水库蓄水造成水动力条件减弱是河口泥沙淤积的根本原因,淤积幅度和范围主要取决于干支流来沙量和局部河势。在干支流来沙均明显减少的情况下,三峡水库库区支流河口泥沙淤积速度显著下降,形成拦门沙坎的可能性较小。     

大型水库运行下内蒙古河道泥沙侵蚀淤积过程

 通过1954—2000年黄河泥沙资料分析,黄河内蒙古河段侵蚀淤积过程对上游水库运行的响应主要表现为:①盐锅峡和三盛公首先将黄河输沙能力由7.33 kg·m-3降为6.27 kg·m-3, 使内蒙古河道由自然淤积状态转变为侵蚀下切状态,小于0.1 mm泥沙侵蚀速率高于大于0.1 mm泥沙淤积速率,河道发生粗化现象;②）刘家峡和青铜峡水库将黄河输沙能力降为3.91 kg·m-3,促使黄河河道中大于0.01 mm泥沙淤积速率大于小于0.01 mm泥沙侵蚀速率,使内蒙古河道发生粗化淤积现象;③龙羊峡水库将黄河输沙能力进一步降为 3.48 kg·m-3,加剧黄河内蒙古河道淤积现象, 大于0.01 mm泥沙和小于0.01 mm泥沙均呈现出淤积状态,淤积速度与黄河上游无水库运作时的自然状态相似。     

黄河中下游泥沙通量变化规律

根据黄河中下游多个主要水文控制站50多年的实测资料,利用水文学、泥沙运动力学、河床演变学和经验统计相结合的分析方法,分析黄河中下游泥沙通量的变化规律。结果表明,黄河中下游泥沙通量递减的同时泥沙粒径变细,人为因素影响巨大;中下游泥沙通量变化具有阶段性、季节性和自相关性。黄河下游河道泥沙冲刷与淤积均具有上段变化大、下段变化小的特点,这是由河道下游上宽下窄、上陡下缓特征决定的;下游河道输沙能力影响因子中,河道水量尤其是汛期水量起主要作用。     

气候变化对黄河内蒙古段凌汛期的影响

基于黄河内蒙古段1961-2009年气象与水文观测资料,选取黄河内蒙古段上游磴口站和下游托克托县作为研究对象,利用数理统计等方法,分析凌汛最危险地段上下游气候变化与凌汛期的关系。得出:①黄河内蒙古段的凌汛灾害是黄河上游的河道气温比下段高以及地形比降小等,形成黄河内蒙古段下游先封河、上游先开河的局面,导致磴口到托克托县段成为凌险最严重的地段。②随着气候变暖,近50 a黄河内蒙古段开河期提早、封河期推后,凌汛期缩短。尤其在1987年气温发生突变之后,开河期提早和推后趋势更为明显。同时气温突变之后,凌汛期平均温度变异系数增大,封、开河期冷暖变化剧烈,致使封开河期的波动性增大。③影响黄河内蒙古河段开、封河的关键因素是日平均气温小于-5 ℃的积温、日平均气温小于-5 ℃持续时间和封、开河期温度以及封、开河期流量大小等。极端温度事件如寒冷日数、冷夜指数和冷日指数的减少,以及暖夜指数和暖日指数的显著增加也是影响黄河内蒙古段凌汛期缩短的原因之一。     

黄河内蒙古段异源水沙输移特性

河流悬移质泥沙的输移方式按照水沙来源可以分为水沙同源与水沙异源两大类。黄河内蒙古段水沙来自不同的区域,冲泻质泥沙主要来源于陇西黄土高原区,而径流则主要来自唐乃亥以上的山区,呈现异源特性。通过分析内蒙古河段石嘴山与巴彦高勒水文站1951-2003年的水文数据,发现期间共发生了13次大流量和29次高含沙事件且大流量、高含沙量同时出现现象很少,多呈现大流量、低含沙量,或者小流量、高含沙量的态式。同时,通过改变传统流量-含沙量幂函数公式C_i=aQ^b(C_i为悬移质浓度,Q为流量)的参数项,建立了2种水沙异源情况下流量-含沙量的公式。     

黄河上游内蒙古河段平滩流量对人类活动和气候变化的响应

冲积河流平滩流量既反映了河道尺度上的水文-地貌耦合关系,又与流域因素密切相关。从这一概念出发,以黄河上游内蒙古河段为例,研究了平滩流量的变化,并在流域层面与河道层面上对其成因进行了研究。结果表明：上游水库调节改变了出库流量过程,使汛期流量大幅度减小,泄流过程均匀化,因而平滩流量减小。在龙羊峡水库修建后洪水流量减小导致漫滩机遇降低的情形下,泥沙淤在主槽内,也是平滩流量减小的重要原因。泥沙冲淤对于平滩流量的影响存在着某种累积或滞后效应,巴彦高勒平滩流量Q_bf,BY不仅与当年的冲淤量有关,还与以前冲淤量有关,前4 a平均淤积量对平滩流量的影响最大。建立了平滩流量与前4 a累计淤积量、年均流量、年最大日流量的多元回归方程,该方程表明平滩流量既与当年的流量特征相联系,也与一定时间尺度上河道冲淤造成的后果相联系,反映了某种水文地貌耦合关系。研究还表明,存在着以下因果关系链：龙羊峡水库修建→汛期来沙系数增大→河道淤积加强→平滩流量减小。因此,通过改变龙羊峡水库的运用方式,增大汛期下泄流量,可以减小河道淤积、增大平滩流量,从而增大下泄洪水的能力,降低凌汛期间的防洪压力。平滩流量的变化是流域因素变化的结果,所建立的多元回归方程表明,在50 a的时间尺度上,暖干化指标的增大、引水率的增大、水库总库容的增大和天然径流系数的减小,是黄河上游平滩流量减小的原因。     

近60 年黄河入海水沙多尺度变化及其对河口的影响

基于1950-2008 年利津站月均径流量和输沙量的时间序列资料,采用小波分析的方法研究了黄河入海水沙多尺度变化,并结合不同年份的黄河口岸线和口门地形资料分析了水沙变化对河口演变的影响。结果表明：黄河入海水沙具有3 个不同时间尺度的显著周期变化,其与厄尔尼诺事件有关,不同尺度下的入海水沙丰枯变化不同;受流域降水和人类活动的影响,入海水沙长期呈减少趋势,并具有阶段变化的特征;入海水沙变化深刻影响着河口演变,不同时期行水河口的岸线延伸速率与河口来沙量有关,亿t 泥沙岸线延伸量与来沙系数显著相关,自1976 年清水沟流路入海以来,河口水下三角洲表现为淤积,淤积程度与入海水沙量密切相关。     

黄河内蒙古段淤积泥沙洪水冲刷效应

为了探讨黄河内蒙古段淤积泥沙的洪水冲刷效应,于2012年对其三湖河口水文站河道监测断面汛期（7-10月）流量、悬移质泥沙含量以及洪水期间（2012年8月20日-2012年10月1日）悬移质泥沙含量、粒度百分含量的垂直变化特征与流量的关系进行了统计和分析。结果表明：（1）该次洪水具有峰高量大、洪峰过程在河段内持续时间长、洪水起涨和消退缓慢、峰形矮胖的特点;（2）洪水过程中,小于0.05 mm的细颗粒泥沙在2 000 m³·s^-1左右的流量下就能输移通过,在2 000～2 400 m³·s^-1时输沙强度最大,对河道淤积泥沙可以达到输沙最优的效果;而粒径大于0.05 mm的泥沙输移的效果不好。     

黄河干流龙门至三门峡间泥沙沉积汇的研究

龙门-三门峡河段是黄河干流3大沉积汇之一.运用泥沙收支平衡方法,基于1920-2006年间长系列实测水沙资料,研究了这一沉积汇的存贮、释放和泥沙输移过程及其变化.研究表明.87年尺度上,龙门-三门峡沉积汇泥沙存贮量的变化可以划分为4个阶段:(1)1920-1959年,处于"准自然"状况下,泥沙存贮量缓慢增加:(2)1960-1967年,由于三门峡水库拦沙,导致泥沙存贮快速增加;(3)1968-1985年,三门峡水库先后经历"滞洪排沙"和"蓄清排浑"运用阶段,泥沙的存贮与释放接近于平衡;(4)1986-2006年,人类大量引水,在来沙量减小的情况下,泥沙存贮量增加.在年内,龙门-三门峡间泥沙沉积汇表现出泥沙的存贮-释放过程的交替,7月至8月主汛期,表现为泥沙存贮;9月至次年5月,泥沙存贮量为负值,表现为泥沙释放.公元155年至2006年的1800余年间,龙门-潼关沉积汇的沉积速率经历了一个由加速到减慢的旋回,其形成原因可以用人类活动方式与强度的变化来解释.在三门峡水库修建前的"准自然"时期,泥沙的存贮量和排沙比均与来水、来沙及其组合有密切的关系.总来沙量越大,含沙量越大,来沙系数越大,则泥沙存贮量越大而排沙比越小.     

黄河河口泥沙扩散规律分析——以钓口河流路为例

分析黄河口钓口河亚三角洲不同时期泥沙沉积速率和水沙条件变化,发现来沙输沙率是影响黄河三角洲沉积速率的主要因素,随输沙率增加三角洲泥沙沉积速率增大.来水流量和来沙粒度组成变化对沉积速率的影响不明显.还发现来水含沙量与三角洲泥沙淤积占来沙的比例(沉积比)之间为双值关系,在某一含沙量时沉积比达最大值.对比显示,在河口河道畅通,沙嘴突出时期,三角洲泥沙沉积比反而比河口改道初期大,意味着集中水流入海可能降低海流带走泥沙的比例.另外,根据前三角洲的地形测量资料分析发现,进入远海的泥沙随距离增加呈指数递减.对黄河口这些独特的泥沙扩散规律发生机理进行了深入分析.     

基于水沙协同图谱的流域自适应能力研究

黄河下游河床所淤积的泥沙主要来自于黄河中游的粗泥沙集中来源区,在提出水沙协同性、流域的自适应能力概念基础上,以流域为单元,建立了粗泥沙集中来源区各流域的水沙协同关系图谱。根据水沙协同图谱的不同变化态势,分析了各流域的自适应能力差异,结果表明:皇甫川流域较强的流域自适应能力使得该流域的水沙协同性一直较稳定;孤山川、窟野河、佳芦河和秃尾河流域的水沙协同性存在异常值,但是孤山川、窟野河和佳芦河流域仍有着较强的河流自适应能力,秃尾河流域的自适应能力较弱。总体而言,人类活动的干预有利于维持流域的生态稳定性。     

不同流路时期黄河下游河道的冲淤变化过程

运用统计学方法对1950-2007年的水沙数据以及不同流路各水文站同流量(3000m³/s)水位变化进行了分析,结果表明:黄河下游河道表现出淤积-冲刷交替出现的变化过程,当进入下游的含沙量为18.6kg/m³时,河道冲淤表现为动态平衡。艾山以下河道的冲淤变化过程除受水沙条件控制外,还受到流路变迁的影响。流路变迁初期河道发生溯源冲刷作用,中后期河道发生溯源淤积作用。各站同流量水位变化,神仙沟流路主要为下降,河道以冲刷为主;刁口河流路主要为升高,河道以淤积为主;清水沟流路有升有降,河道冲淤互有,总体表现为淤积。流路变迁对河道横断面形态的影响主要在利津以下。     

黄河内蒙古河段非汛期和汛期冲淤量计算方法

基于多沙河流“多来多排”的经验输沙公式,建立了考虑上站来沙量、前期河床累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的非汛期和汛期输沙量一般表达式。在此基础上,根据黄河内蒙古河段1952-2010年实测的水沙资料,将其应用于黄河内蒙古河段巴彦高勒—三湖河口河段、三湖河口—头道拐河段以及巴彦高勒—头道拐全河段非汛期和汛期输沙量的计算,并应用输沙率法计算了各河段1952-2010年的非汛期和汛期冲淤量及其相应的累计冲淤量。通过输沙量、冲淤量和累计冲淤量计算值与实测值的对比表明,各河段非汛期和汛期输沙量、冲淤量及相应的累计淤积量计算值与实测值的吻合较好,其中非汛期和汛期输沙量计算值和实测值之间的相关系数R²分别约为0.93和0.97;非汛期和汛期冲淤量计算值与实测值之间的相关系数R²分别约为0.80和0.90;非汛期和汛期累计冲淤量之间的相关系数R²分别约为0.94和0.99。结果表明,就吻合程度而言,累计冲淤量优于年冲淤量,汛期优于非汛期。本文建立的冲淤量方法能够很好模拟该河段长历时的非汛期和汛期冲淤过程,可为黄河内蒙古河段输沙量及长期淤积发展趋势的分析提供科学依据。     

近50年黄河乌兰布和沙漠段辫状河道演变

依据水沙资料和断面资料,对黄河乌兰布和沙漠段辫状河道形态近50年演变特征及趋势进行探讨分析。结果表明：在大流量条件下（1966-1993年）,河流横向侵蚀、搬运堆积过程强烈,风沙入黄（河）量大,河道横向摆动频繁,辫状河道发育强烈。当黄河流量减小时（1993-2013年）,河流横向摆动能力减弱,黄河主河槽远离左岸乌兰布和沙漠沙丘,河流输沙能力减弱,汊道泥沙淤积导致心滩边滩相连,河流分汊数量明显减少,辫状河道萎缩,黄河乌兰布和沙漠段辫状河型有向弯曲型河道转变的趋势。     

Mutual effects between morphological characteristics and variations of flow-sediment process of Dongting Lake during 1951～2009

以历史文献、图件及1951～2009年长系水沙等资料为依据,对比分析洞庭湖形态与水沙过程的互动响应,结果表明：由于湖泊形态与水沙过程存在着相互作用的关系,近60年间,水沙过程以多种形式改变湖泊形态特征值,如湖盆结构破碎、解体,水深变浅以及湖面﹑湖容依次减少1840km2及130×108 m3;同时湖泊形态特征值改变也引起水沙特性变异,在1951～2002年间湖盆蓄水量呈明显的增减波动,但同流量下汛期水位普遍抬高1.2～1.90m,西﹑南﹑东洞庭湖水位变幅依次增大1.61m、1.39m和1.35m,各主要水文站前5位最高洪水位排序的年份均出现在湖面积（容积）历史最低值,泥沙淤积率为70%以上;2003年6月三峡水库蓄水及＂退田还湖＂后,高、中水位下湖盆调蓄量有所减少,城陵矶丰、枯水位分别降低1.12m及0.35m,西湖区与东南湖区的泥沙输出比均呈增大趋势,泥沙淤积率减至35.9%。其互动响应机制,可概化为泥沙淤积循环→湖盆结构破碎、解体,湖面湖容缩小→水沙特性异变→改变湖泊形态→水沙特性变异的互动响应动态演进模式。     

风沙对黄河内蒙古河段河道泥沙淤积的影响

通过对黄河内蒙古河段河道淤积泥沙打钻采样,以及黄河沿岸及支流产沙地层采样分析对比,暴雨、洪水等分析追踪河道淤积泥沙源地表明,黄河内蒙古河段河道泥沙淤积主要来源于乌兰布和沙漠及十大孔兑(沟谷)的库布齐沙漠和丘陵沟壑梁地。通过输沙平衡法计算该河段河道泥沙淤积量得知,1954-2000年该河段淤积泥沙总量约20.11亿t,其中大于0.1mm的粗沙为15.57亿t,占总量的77.424%;小于0.1mm的泥沙约4.54亿t,占总量的22.57%。风成沙入黄淤积量是:乌兰布和沙漠6.0552亿t;库布齐沙漠5.8499亿t;二者约占大于0.1mm粗泥沙总量的76.46%。     

黄河宁蒙河段悬沙冲淤量时空变化及其影响因素

通过对黄河宁蒙河段6个水文站1952~2003年间的实测悬移质泥沙资料,运用输沙平衡方法,对划分的5个时段和5个区段的悬沙冲淤量进行了计算分析,探讨宁蒙河段悬沙冲淤量的时空变化规律。黄河上游无大型水库的1952~1959年间和水库建成坝下河道充分调整后的1994~2003年间,宁蒙河段强烈淤积,年均悬沙淤积量分别为0.9588亿t/a和0.9503亿t/a;而期间的三个时段,年均悬沙分别为净侵蚀0.6127亿t/a、微淤0.0161亿t/a和较强淤积0.7475亿t/a。年均悬沙淤积量在宁蒙河段为0.345亿t/a;在宁夏河段为0.076亿t/a,其中下沿河~青铜峡区段微淤,青铜峡~石嘴山区段冲淤平衡;在内蒙古河段总和为0.269亿t/a,石嘴山~巴彦高乐、巴彦高乐~三湖河口、三湖河口~头道拐三个区段分别为0.0084亿t/a、0.113亿t/a和0.147亿t/a,沿程增大。悬沙淤积量的时间变化主要受到区间支流来沙量变化和水库建设的双重影响,而空间变化主要受到青铜峡水库拦沙以及刘家峡、龙羊峡水库消减洪峰的影响。黄河宁蒙河段处于构造沉降区,淤积是总趋势,人类活动可以引起个别时段、区段发生侵蚀,但无法改变其沉积的总趋势。