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。     

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。     

含沙量和悬沙粒径变化对长江宜昌-汉口河段年冲淤量的影响

依据三峡水库修建以前的资料,运用数理统计方法对含沙量和悬沙粒径变化对长江宜昌-汉口河段年冲淤量的影响进行研究,以期为三峡水库修建以后库下游河道冲淤特性的预测提供参考。建立了1980-1997年间宜昌-汉口#河段年冲淤量与宜昌站年均含沙量C宜昌之间的回归方程,据此估算出使宜昌-汉口#河段处于不冲不淤状态的宜昌站临界年均含沙量为0.734 kg/m3。以宜昌-汉口冲淤量作为因变量,以宜昌站的含沙量、悬沙中径D50、最大流量和三口分流比作为影响变量,建立了多元回归方程。基于1980-1997年资料的方程表明,宜昌站含沙量越高,悬沙中径越粗,宜昌站洪水流量越大,宜昌-汉口河段年淤积量越大;三口分流比越小,宜昌-汉口河段年淤积量越大。     

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.     

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。     

水库拦沙期黄河下游洪水冲刷效率调整分析

分析了三门峡水库和小浪底水库拦沙期黄河下游低含沙量洪水的冲刷效率,结果显示:水库拦沙期黄河下游洪水的全沙冲刷效率在平均流量小于4 000 m3/s时随着洪水平均流量的增大而增大,当流量达到4 000 m3/s以后,冲刷效率随着流量的增大不再显著增加,基本保持在20 kg/m3。通过研究分组泥沙的冲刷效率,发现全沙冲刷效率在流量大于4 000 m3/s后细颗粒泥沙冲刷效率降低的幅度大于粗颗粒泥沙冲刷效率增加的幅度,河床细颗粒泥沙的补给能力对全沙冲刷效率具有决定性作用。建议在小浪底水库拦沙期,调控下泄流量使进入下游河道的洪水平均流量在4 000 m3/s左右,使黄河下游洪水的冲刷效率最大,从而实现利用有限的水资源产生最大的冲刷效益,增大下游河道的排洪能力。     

三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整分析

建立反映河床调整幅度的体幅指标K,分析2003～2008年三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整幅度的沿程变化。研究发现该河段K与河段净冲刷强度不成正相关,而是与河道宽深比成正相关,当床沙中值粒径小于0.5 mm时,K与床沙中值粒径成负相关。初步分析认为:三峡下游粗颗粒泥沙容易达到输送饱和状态,当水流挟沙力减小时出现落淤,使得宽浅河段局部出现较大淤积,净冲刷强度较小,调整幅度较大;当床沙中值粒径小于0.5 mm时,该河段河床冲刷以悬移质输沙为主,河床组成越细,被冲刷的量越大,河床调整幅度也就越大。结合建库前后不同粒径组悬移质输沙量的沿程变化,对水库下游河床粗化方式进行了讨论。     

清水冲刷条件下长江中游沙卵石河段局部卵石淤积成因

为探究三峡水库持续下泄清水条件下长江中游沙卵过渡段内卵石局部冲刷、搬运和淤积现象的成因，采用近期水文、泥沙和地形观测资料，结合河道平面二维水动力模型，计算了研究河段内各级流量下的泥沙起动粒径分布，分析了上游来流、下游水位变化的影响，辨析了河床冲淤的成因。结果表明:① 45 000 m3/s以上流量时，粒径大于30 mm的卵石可沿洪水主流带连续搬运；流量低于15 000 m3/s时，大粒径卵石只能沿枯期主流在浅滩河段局部搬运；流量介于两者之间时，水流对大粒径卵石的输移动力相对较弱。②三峡建库后，洪水量级削减而枯水天数增多，不利于卵石长距离下移，而水位下降不断溯源传递，促使枯水流路上原本稳定的区域开始冲刷。③局部淤积现象由枯期水动力增强所导致，与长江中游沙卵过渡段特殊的地貌和沉积环境有关。卵石局部冲淤调整可能在河段内多个位置长期存在，需引起关注。     

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。     

清水冲刷条件下长江中游沙卵石河段局部卵石淤积成因

为探究三峡水库持续下泄清水条件下长江中游沙卵过渡段内卵石局部冲刷、搬运和淤积现象的成因，采用近期水文、泥沙和地形观测资料，结合河道平面二维水动力模型，计算了研究河段内各级流量下的泥沙起动粒径分布，分析了上游来流、下游水位变化的影响，辨析了河床冲淤的成因。结果表明：① 45 000 m³/s以上流量时，粒径大于30 mm的卵石可沿洪水主流带连续搬运；流量低于15 000 m³/s时，大粒径卵石只能沿枯期主流在浅滩河段局部搬运；流量介于两者之间时，水流对大粒径卵石的输移动力相对较弱。② 三峡建库后，洪水量级削减而枯水天数增多，不利于卵石长距离下移，而水位下降不断溯源传递，促使枯水流路上原本稳定的区域开始冲刷。③ 局部淤积现象由枯期水动力增强所导致，与长江中游沙卵过渡段特殊的地貌和沉积环境有关。卵石局部冲淤调整可能在河段内多个位置长期存在，需引起关注。     

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。     

不同来源区洪水对黄河下游流量-含沙量关系的影响

根据1950-1960年及1974-1985年实测洪峰水沙资料,分析了不同来源区洪水对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站流量 含沙量关系的影响,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以上作为中游粗沙来源区洪水,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以下作为细沙来源区或少沙区洪水。这样,黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站平均流量 平均含沙量关系可分为以增加平均含沙量为主和以增加平均流量为主的两个区。同时,河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河的洪水,大大增加了黄河下游平均来沙系数和平均含沙量,并导致全下游河段的必然淤积。     

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。     

黄河下游洪水的泥沙输移特征

研究了黄河下游1950-1960年、1969-1985年144次洪水的泥沙输移特征.结果表明:泥沙输移比(SDR)随场次洪水平均含沙量和平均来沙系数的增大而迅速减小;存在着一个使泥沙的输移比达到最大值的最优洪水流量级(4000m3/s左右);场次洪水泥沙输移比与场次洪水最大含沙量之间存在着负相关,当最大含沙量(C_max)>300kg/m3时,泥沙输移比(SDR)<0.50,说明高含沙洪水的输移比是很低的.上中游不同源区的洪水对下游的SDR有显著的差异.来自河口镇以上清水区洪水的SDR大多数大于0.60;来自多沙细沙区洪水的SDR都大于0.50;来自多沙粗沙区洪水的SDR则小于0.50.黄河下游SDR与来自不同来源区洪水的搭配关系有关,SDR随来自粗泥沙区来沙量比例的增大而增大,达到一个峰值,与之相对应的粗泥沙区沙量百分比为50%;对于细泥沙区来沙量比例而言,情形类似,与SDR峰值相对应的细泥沙区来沙量百分比为40%.     

长江下游潮流界变动段三益桥边滩与浅滩演变驱动机制分析

潮流界变动段的边滩与浅滩演变关联性强，同时受径潮流水动力、供沙来源及人类活动等多重影响，是航道治理与疏浚维护的重点河段。通过对三益桥河段1976—2017年期间河床冲淤、汊道分流比、三益桥边滩及浅滩演变过程的分析，明确三益桥边滩及浅滩演变的驱动机制。2012年以来三益桥边滩12.5 m水深以浅滩体体积为增大态势，大水年份边滩以淤积为主，设计航槽及深槽以冲刷为主，中水年份边滩淤积厚度小于深槽。上游五峰山弯道河势稳定，具有阻隔上游和畅洲河段河势、汊道分流比调整等传递作用，三益桥边滩淤涨（长）与上游和畅洲河段河势及汊道分流比调整的关系不显著，主要与流域来流流量大小及过程、上游河道冲刷供沙等相关。洪季三益桥上浅区碍航程度大于枯季，汛前中水流量（大通水文站流量介于26 000~34 000 m3/s之间）持续天数长的年份碍航程度大于大洪水年份同时期；因此，流量过程决定边滩与浅滩的冲淤分布，中水流量持续时间长短及供沙量大小决定三益桥边滩淤积量及浅滩碍航淤积量。     

长江下游潮流界变动段三益桥边滩与浅滩演变驱动机制分析

潮流界变动段的边滩与浅滩演变关联性强，同时受径潮流水动力、供沙来源及人类活动等多重影响，是航道治理与疏浚维护的重点河段。通过对三益桥河段1976—2017年期间河床冲淤、汊道分流比、三益桥边滩及浅滩演变过程的分析，明确三益桥边滩及浅滩演变的驱动机制。2012年以来三益桥边滩12.5 m水深以浅滩体体积为增大态势，大水年份边滩以淤积为主，设计航槽及深槽以冲刷为主，中水年份边滩淤积厚度小于深槽。上游五峰山弯道河势稳定，具有阻隔上游和畅洲河段河势、汊道分流比调整等传递作用，三益桥边滩淤涨（长）与上游和畅洲河段河势及汊道分流比调整的关系不显著，主要与流域来流流量大小及过程、上游河道冲刷供沙等相关。洪季三益桥上浅区碍航程度大于枯季，汛前中水流量（大通水文站流量介于26 000~34 000 m³/s之间）持续天数长的年份碍航程度大于大洪水年份同时期；因此，流量过程决定边滩与浅滩的冲淤分布，中水流量持续时间长短及供沙量大小决定三益桥边滩淤积量及浅滩碍航淤积量。     

三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明：伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。     

黄河冲（淤）积粉质二灰土的配合比研究

试验研究了黄河冲（淤）积粉质二灰土的配合比问题。分析了黄河冲（淤）积粉质二灰土的强度标准龄期;研究了土质、二灰比、二灰含量对二灰土强度的影响规律;提出了黄河冲（淤）积粉质二灰土配合比设计的新思路。研究认为,对于黄河冲（淤）积粉质二灰土,应以21 d无侧限抗压强度作为配合比设计的依据;黄河冲（淤）积平原区土质适宜的二灰比为1：3,适宜的二灰含量在32 %～40 %之间;土中<0.005 mm颗粒含量、土的有机质含量,以及二灰土的粗细颗粒比Cf值对黄河冲（淤）积粉质二灰土的强度具有重要影响,且呈现规律性变化;当土中<0.005 mm颗粒含量在17 %～27 %之间时,黄河冲（淤）积粉质二灰土可获得较高的强度。