宽变幅水沙两相流的冲淤双临界现象及其地貌学意义

通过黄土高原一些河流资料的分析，发现了宽变幅水沙两相流冲淤过程中的2个临界值，位于非高含水流区域中的临界点，可称之为冲淤下临界；位于高含沙水流区域中的临界点，可称之为冲淤上临界，水沙两相流冲淤的双临界现象，对珩多沙河流河道泥沙的输移有重要意义，随着含沙量的增大，排沙比先减小而后增大，2次与代表排沙比等于1的直线相交，这2个交点即分别对应于挟沙水流冲淤的下临界和上临界，运用所揭示的水沙两相流冲淤过程的双临界现象，可以对冲积河流河型的形成进行新的解释，以我国近百条冲积河流的资料为基础，点绘了年均悬移质输沙率与年均流量的关系，并以不同的符号来区分弯曲河型、游荡河型和高含沙曲流河型。结果表明，上述3种河型可以很好于被代表特征含沙量分别为C=60kg/m^3和C=3.3kg/m^3的2条直线所区分，这2个特征含沙量反映了河道水沙两相流冲淤的上、下临界值。     

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。     

黄土高原高含沙水流形成的自然地理因素

黄土高原半干旱的气候条件、稀疏的植被和疏松易蚀的黄土物质,是该地区高含沙水流形成的自然地理因素。这一地区高含沙水流的发育程度,特别是最大断面含沙量的大小表现出明显的地域差异,这种差异与悬移质泥沙的粒度组成有密切的关系。存在着某种特定的悬移质泥沙粒度组成,使得悬移质含沙量达到最大值。这种特定的泥沙粒度组成与流域中黄土、基岩及风成沙的分布有关,而它的出现,则是特殊的水力、风力交换作用的结果。     

黄河中游悬移质泥沙粒径与流域环境的关系

以黄河中游多沙粗沙区为研究区，在流域泥沙粒径、降雨、地面物质组成、地面形态、植被和高含沙水流等资料采集的基础上，采用“环境要素法”和多元回归分析来阐明泥沙粒径空间分异的机理。研究表明，随降雨不均匀系数的减小，断面最大含沙量的减小，流域内黄土覆盖面积的增大，以及植被盖度的增大和沟谷密度的减小，悬移质泥沙粒径趋于变细，反之，趋于变粗。其中，流域地面物质对泥沙粒径组成起最重要的控制作用，其次是植被，高含沙水流、沟谷密度和降雨影响作用相对较小。     

人类活动对黄河中游高含沙水流的影响

以黄河中游干流和渭河、无定河的资料研究了人类活动对黄土高原河流高含沙水流的发生频率的影响。人类破坏森林植被，大量拦截黄河上游清水来源区的清水基流，使得高含沙水流发生频率增大，大规模水土保持措施的实施则使高含沙水流发生频率迅速减小。近50年来黄河干流和一些支流的高含沙水流随时间的变化可以用一个三阶段模式来概括，即20世纪50-60年代，由于人类破坏植被，使高含水流频率增大；20世纪60年代末至80年代中期，大规模水土保持措施的实施使高含沙水流发生的频率减小；20世纪80年代末期以来，人类大量拦截利用清水资源，使高含沙水流的发生频率又复增大。     

北洛河下游河槽形成与输沙特性

北洛河发湖泊于黄河粗沙来源区，年均含沙量达１２８ｋｇ／ｍ＾３年均流量仅２５ｍ＾３．ｓ，是典型的多沙河流，但由于泥沙主要由高含沙洪水输送，平水流量小，含沙量低，经常保持窄深稳定河槽，使高含沙洪水挟带的泥沙能顺利输送而不淤，并形成弯曲性河流。     

黄河中下游水沙变化趋势

本文论述由于黄河上游清水区水资源的优先开发,中上游地区工农业用水的增长,而黄河中游地区的水土保持和支流治理的减沙作用不甚明显,龙羊峡水库投入运用后,汛期进入河口镇的水量大幅度减少,使汛期进入黄河下游的基流减小含沙量增加,高含沙洪水出现的机会增多.面临水少沙多的不利情况,应加强宽浅河道的改造及利用窄深河道输送高含沙水流的研究.     

风蚀水蚀共同作用下沙漠河流泥沙级配特征

以水蚀风蚀区内蒙古河段重要入黄支流西柳沟为研究对象,通过对西柳沟流域产沙地层及河流水文站悬移质泥沙采样分析和激光粒度仪测定,对研究区河道纵向、横向断面沉积的泥沙级配特征进行了分析,揭示了流域沉积泥沙粒径分布变化规律。结果表明：西柳沟流域沉积泥沙的中数粒径从上游丘陵沟壑区到下游农田区逐渐减小;河流右岸泥沙粒径较大,左岸泥沙粒径相对较小,河床泥沙粒径介于二者之间;流域沉积泥沙粒径主要分布在0.125~0.5 mm,而流域出口水文站悬移质泥沙粒径72.5%在0.025 mm以下,说明西柳沟进入黄河干流的泥沙主要为细泥沙。     

水沙条件对黄河下游河道输沙功能的影响

提出河道输沙功能指标F_s为进入某一河道的泥沙总量(干流与支流输入沙量之和)与输出这一河道的泥沙量之比。河道输沙功能与来水量和来沙量有密切关系,若来水减少,来沙增多,则河道输沙功能减弱。来沙中大于0.05 mm粗泥沙含量百分比与河道输沙功能指标成负相关。来沙系数、特别是粗泥沙的来沙系数,是决定黄河下游输沙功能的重要因子;来沙系数越大,则河道输沙功能指标越低。场次洪水的输沙功能指标随场次洪水最大含沙量的增大而降低,历年河道输沙功能指标随各年中高含沙水流频率的增高而降低。小浪底水库修建后,为我们通过调水调沙提高河道输沙功能提供可能。研究表明,场次洪水平均含沙量35 kg/m³,或场次洪水平均来沙系数为(0.015 kg·s)/m⁶,是在调水调沙中实现河道输沙功能优化的最优含沙量和最优来沙系数,平滩流量则是实现河道输沙功能最大化的最优流量级。     

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。     

Erosion and sediment yields as influenced by coupled eolian and fluvial processes: The Yellow River,China

Based on data from the middle Yellow River, a model of erosion and sediment yield is proposed to describe coupled eolian and fluvial processes in a transitional zone from arid to sub-humid climates, and to explain rapid erosion and a high sediment yield in the zone. In the study area, wind action predominates from March to June, which erodes weathered bedrock and transports eolian sand to gullies, river channels and floodplains. In the following summer, especially from July to September, rainstorm runoff in gullies and river channels transports large quantities of fine loessic material, in the form of hyperconcentrated flow. As a result, most of the previously stored eolian sand and material supplied by mass-wasting of loess can be transported to the major tributaries and the main stream of the Yellow River, resulting in the high specific sediment yield. There exists an optimal grain size composition which maximizes suspended sediment concentration in the study area, resulted from the combined wind–water processes.     

Hyperconcentrated Flows in the Slope-Channel Systems in Gullied Hilly Areas on the Loess Plateau, China

This study is based on the data from Zizhou and Wangjiagou experimental stations on the Loess Plateau in the major sediment‐producing areas of the middle Yellow River drainage basin. It deals with characteristics of hyperconcentrated flows in the slope‐channel systems in the gullied hilly areas on the Loess Plateau. The results show that the formation of hyperconcentrated flows is closely related to the vertical differentiation of landforms. Based on data from 21 rainfall events in the period 1963–1970, event‐averaged suspended sediment concentration for hilltop, upper hillslope, lower hillslope and gully slope was calculated as 36 kg/m³, 89 kg/m³, 304 kg/m³ and 505 kg/m³, and the frequency of hyperconcentrated flows was 0.0, 0.17, 0.74 and 1.0, respectively. Thus, hyperconcentrated flows form on the lower part of hillslopes and on the gully slopes, and develope well in gully channels of various orders. There exists a sediment storing‐releasing mechanism, resulting from different behaviours of sediment transport by non‐hyperconcentrated and hyperconcentrated flows. When water flows are nonhyperconcentrated, the relatively coarse fractions of sediment from the slopes are deposited in the channel. When hyperconcentrated flows occur, the previously deposited coarse sediment may be eroded and released from the channel. A close relationship is found between rainstorms and the formation of hyperconcentrated flows, and some thresholds of rainfall and runoff for the occurrence of hyperconcentrated flows have been identified.     

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。     

黄土丘陵沟壑区岔巴沟下游泥沙传输 时间尺度动态研究

泥沙动态研究目前仍然不够完善, 尤其是在黄土丘陵沟壑区, 有关泥沙传输时间动态的 研究论文还不多见。本文利用岔巴沟下游长达8 年的水沙资料, 探讨了该区不同时间尺度( 洪水 内、月和季节及年际尺度) 上泥沙传输动态。结果表明, 在洪水内时间尺度上, 洪峰超前于沙峰的 事件占洪水事件总数的63.2%, 洪峰和沙峰同时发生及洪峰落后于沙峰的洪水事件则各占 18.4%左右。受高含沙水流的影响, 洪水事件产流量- 含沙量呈现逆时针滞后环, 而与洪峰和沙峰 出现的先后顺序无关。在月和季节尺度上, 存在着可蚀物质“储备- 释放”的过程, 即在晚秋(10 和 11 月份)、冬季和春季可蚀物质是一个积聚过程, 在夏季和早秋( 9 月份) 是泥沙输出流域的释放 过程。在年际尺度上, 含沙量和产沙量年际变化大, 主要与年内发生的洪水事件次数和幅度有关。     

Numerical simulation on seasonal transport variations and mechanisms of suspended sediment discharged from the Yellow River to the Bohai Sea

Based on sediment and discharge flux data for the Yellow River, realistic forcing fields and bathymetry of the Bohai Sea, a suspended sediment transport module is driven by a wave-current coupled model to research seasonal variations and mechanisms of suspended load transport to the Bohai Sea. It could be concluded that surface sediment concentration indicates a distinct spatial distribution characteristic that varies seasonally in the Bohai Sea. Sediment concentration is rather high near the Yellow River estuary, seasonal variations of which are controlled by quantity of sediment from the Yellow River, suspended sediment concentration reaches its maximum during summer and fall. Furthermore, sediment concentration decreases rapidly in other seas far from the Yellow River estuary and maintains a very low level in the center of the Bohai Sea, and is dominated by seasonal variations of climatology wind field in the Bohai Sea. Only a small amount of sediments imported from the Yellow River are delivered northwestward to the southern coast of the Bohai Bay. Majority of sediments are transported southeastward to the Laizhou Bay, where sediments are continuously delivered into the center of the Bohai Sea in a northeastward direction, and part of them are transported eastward alongshore through the Bohai Strait. 69% of sediments from the Yellow River are deposited near the river delta, 31% conveyed seaward, within which, 4% exported to the northern Yellow Sea through the Bohai Strait. Wind wave is the most essential contributor to seasonal variations of sediment concentration in the Bohai Sea, and the contribution of tidal currents is also significant in shallow waters when wind speed is low.     

黄河宁蒙段河道粗细双组分泥沙分选沉积特征

黄河宁蒙段河道淤积严重,阐明近源粗泥沙和远源细泥沙分选沉积规律对于河道淤积治理有重要意义。本研究基于120根河道钻孔泥沙样品,通过粒径分布和元素矿物组成,分析了河道>0.05 mm、>0.08 mm和>0.1 mm粗泥沙沿河分选沉积变化特征,并定量评估了近源粗泥沙和远源细泥沙沉积对于河道泥沙淤积的贡献。结果表明：黄河宁蒙段河道淤积的主要是来源于近源沙漠及其下伏砒砂岩区>0.08 mm的粗泥沙,而来源于上游黄土区<0.05 mm的细泥沙主要沉积在河道滩地,对河道淤积的贡献小于30%。因此,风水复合侵蚀引起的沿黄沙漠和下伏砒砂岩粗泥沙入黄是黄河宁蒙沙漠河段河道淤积的根源,也是该河段“悬河”的治理重点。