黄河内蒙古段头道拐断面冰期水流特征及其对气候变化与人类活动的响应

利用最新冰凌观测数据,分析了1960年以来黄河内蒙古段头道拐断面冰期流量特点及其影响因素.结果表明：头道拐断面小流量持续时间的年际变化具有明显的阶段性特征,1960-1967年、1968-1985年和1986-2010年小流量平均持续天数分别为68 d、17 d和37 d.气候变化和人类活动是影响小流量过程的主要因素,气候变化通过影响冰盖厚度和冰花堆积来影响封冻河段流量过程;河道冲淤演变则是冰期流量过程和槽蓄水增量长期变化的重要原因;刘家峡水库调度直接影响着内蒙古河段的流量过程. 最近10 a来,凌汛期气温变化剧烈,上游来水有所减少,河道淤积更加严重,河道工程增多是黄河头道拐断面小流量持续天数延长的主要原因.     

黄河下游凌情特征及变化

黄河下游冰情的基本特点和规律是:冬季有的年份封冻,有的年份不封冻;下游下段河道流凌封冻日期早,融冰、开河日期晚,封冻历时长,冰盖厚冰质坚;上段河道流凌封冻日期晚,融冰、开河日期早,封冻历时短,冰盖薄冰质酥。冰凌洪水特点是流量小,水位高且上涨快;凌峰流量自上而下沿程逐渐增大。近20年来,由于黄河下游河道水量大幅度减少,甚至发生连年断流,冬季气温持续偏高,加上水库调度等因素的共同影响,引起了凌情的相应变化。这些变化主要表现为:封开河日期提前,封河长度缩短、封冻冰量和槽蓄水量减少,冰塞冰坝发生次数减少,不封冻年频率增加等。     

黄河宁蒙河段凌情特性研究

统计分析了黄河宁蒙河段1950-2004年流凌、封河、开河日期特征值,并对河道最大槽蓄水增量作了初步分析。研究表明宁蒙河段开河时一般从上游向下游解冻,河槽蓄水量沿程不断释放并加入,使开河时凌峰流量沿程增大;凌情的发生、发展及消失演变的过程,主要取决于河道形态(地理位置、走向及边界特征)、水文条件和气象条件以及人类活动等因素;水库的运用对凌情的演变有重要影响。     

凌汛期槽蓄水增量过程模拟

为研究凌汛期槽蓄水增量来源,在分析实测冰情资料基础上,把槽蓄水增量分为水位壅高主河道蓄水量增大、主河道内河水转化为固体冰盖和上滩水形成冰盖及在冰下聚集等3部分,建立河冰动力学模型,模拟河冰生消及槽蓄水增量过程,利用2008/2009年度三湖河口—头道拐河段实测冰情资料对模型进行了验证,表明滩地冰盖及冰盖下滞洪是内蒙古河段槽蓄水增量的主要来源,占最大槽蓄水增量的63.44%,主河道水位壅高引起的槽蓄水增量占26.56%,主槽冰盖蓄水占10.0%。     

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。     

黑河中上游段河道渗漏量计算方法的试验研究

通过河道断面法对黑河中上游河段河道渗漏量进行了比测试验,结果表明:河床岩性组成、河流平面几何形态变化以及人类活动对输水方式的改变等对河道渗漏量影响显著.黑河实施全流域调水前后河道渗漏量发生显著的跳跃性变化,莺落峡至312桥区间河道渗漏量调水前为1.2543×108 m3,调水后为4.3747×108 m3,调水后较调水前河道渗漏量增加3.1203×108 m3;河道流量越小其相应损失率愈大,河道流量越大,其相应损失率愈小,由此得出各河段不同流量单位河长的损失率服从倒数函数分布.研究结果是在黑河中上游实体河道上进行上下断面流量比测试验的基础上得出的,符合该河段的实际情况,可作为黑河中游地表水、地下水转化分析、地下水流系统模拟、流域水资源重复利用、水量调度计算各种模拟模型验证河道渗漏量的基础资料.     

黄河内蒙古河段河道冲淤演变与凌情响应机制

黄河上游内蒙古冲积性河道凌汛问题突出,研究河道冲淤演变与凌情响应机制可为该河段防凌减灾提供技术支持。根据内蒙古河段凌情、河道冲淤演变资料,分析凌情变化表征指标及与之密切相关的河道冲淤演变特征指标,研究河道冲淤演变特征指标与凌情变化表征指标的响应关系。结果表明:河道冲淤演变的特征指标平滩流量与凌情表征指标冰下过流能力、槽蓄水增量关系密切,冰下过流能力为平滩流量的1/5左右,随着平滩流量减小而减小,而槽蓄水增量随着平滩流量的减小而增大,有利内蒙古河段防凌的平滩流量宜不小于2 000 m3/s,槽蓄水增量宜不超过14亿m3。本研究成果可为内蒙古河段冰凌灾害防治提供参考。     

河型转化机理及其数值模拟——Ⅱ.模型应用

采用平面二维河流数学模型,系统研究概化河道的河型转化过程及其控制因素,成功模拟得到了初始比降、流量、入口含沙量增大和河岸抗冲性减弱时,河流从弯道向分汊、游荡河型转化的过程。根据模拟得到的河道平面形态、横断面形态、河床纵剖面,沿程水面线及沿程输沙率的变化,分析了河床初始比降、入口含沙量、流量和河岸抗冲性等各种因素对河型转化的影响。结果表明,模型计算得到的河型转化过程,与经典的河型成因及河型转化理论给出的趋势较为一致。     

Nash瞬时单位线推演河道汇流的完整公式

Nash瞬时单位线是基于零初始条件而得到的,没有反映河道汇流的完整过程。通过拉普拉斯变换和数学归纳,推导出了考虑初始槽蓄量退水过程的完整Nash河道汇流公式。分析讨论了公式各项的物理含义,出口断面的流量应是河槽初始槽蓄量的退水过程与上游入流演算结果的叠加,据此建立了一种具有物理概念的河道洪水演算实时校正模型,通过实例分析验证了公式的实用性和合理性。完整公式是更为一般情形下的Nash河道汇流模型,一定程度上丰富和发展了现有Nash汇流理论,并可适当提高河道洪水演算的精度。     

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。     

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。     

基于Sentinel-1时间序列的河冰表面物候提取研究

利用遥感技术识别河冰物候信息,能有效地评估河冰生长趋势,提高冰情信息化管理水平。以黄河内蒙古段为例,基于Sentinel-1时间序列遥感影像,综合曲线斜率法与动态阈值法提取了近5年（2015—2020年）黄河内蒙古段海勃湾库尾、三盛公闸下河段、三湖河口河段、头道拐河段以及万家寨库尾5个子段河冰物候（初冰日、完全冻结日、开始消融日、完全消融日）并分析其变化特征。结果表明：5个子河段初冰日和完全消融日的最优提取阈值分别为0.1、0.2、0.1、0.05以及0.05倍的Logistic曲线上下限差,识别偏差在3日以内;完全冻结日和开始消融日出现在Logistic曲线斜率最大（最小）值处,识别偏差在5日以内;5段近5年初冰日呈偏晚趋势,变化速率分别为1.4 d·a^-1、1.0 d·a^-1、0.8 d·a^-1、0.2 d·a^-1及0.4 d·a^-1;海勃湾库尾和头道拐河段从初冰日至完全冻结日的横向冻结速率正以0.2 d·a^-1和1.4 d·a^-1逐年增加,而巴彦高勒河段和万家寨库尾区以1.4 d·a^-1和1.0 d·a^-1逐年减少,三盛公闸下河段基本保持不变。研究成果可为冰凌洪水预测及河岸堤防修建提供科学依据。     

三峡水库蓄水后城陵矶至九江段河道冲淤调整机理

大型水利枢纽的修建引起了下游河道的冲淤调整,对生态环境、防洪、航运等都有显著的影响。2008年三峡水库175 m试验性蓄水以来,城陵矶以下河段冲刷加剧。为探究水库影响下游河道冲淤调整特征及其驱动机制,分析了城陵矶至九江段河道冲淤分布及断面形态变化特征:2008年以来河道冲淤变化主要集中在基本河槽,其变化占整个平滩河槽的90%以上,且基本河槽冲刷加剧;断面形态表现为河槽冲刷下切、断面趋于窄深化。在此基础上,通过建立2008—2016年河段尺度的基本河槽形态参数与水流输沙能力的经验关系,发现螺山、汉口两站流量分别为29 000~31 000 m³/s、31 000~33 000 m³/s时,河槽形态与水流输沙能力的相关性最强、造床作用和水流冲刷强度最大,因此,可以认为是2008年以来影响城陵矶至九江段冲淤调整的特征流量。2008年以后,该流量级以下的水流累积造床作用凸显,是冲淤变化部位调整到基本河槽的主要原因;同时,受各站d>0.125 mm粒径组泥沙输沙量大幅度减小、航道整治工程的影响,河槽冲刷加剧。     

黄河头道拐水沙变化多元驱动因子贡献率分析

根据1950—2010年水沙实测资料,采用统计分析方法,通过构建非线性响应模型,辨识了水沙变化主导驱动因子,定量评估了多因子对黄河上游头道拐水沙变化的贡献率.结果表明:头道拐1950—2010年多年平均径流量减少速率为2.23亿m3/a,多年平均输沙量减少速率为0.027亿t/a,1987—2010年径流泥沙减少趋势更为明显,同期输沙量减幅明显大于径流量减幅;1969—2010年气候因子和下垫面因子对头道拐站年径流模数和年输沙模数变化的贡献率均约为2:8,下垫面因子明显占主导地位,其中宁蒙灌区年引水量对年径流模数变化的贡献率最大,达到42%,龙羊峡和刘家峡等水库运用对年输沙模数变化的贡献率最大,达到34%.预计今后兰州以上径流变化和兰州至头道拐区间主要支流来沙变化两大自然因素将是头道拐水沙变化的主导因子;灌区引水和支流水土保持综合治理减沙对头道拐水沙变化的贡献率将居主导地位.     

天山中部典型流域冰川变化及对气候的响应

利用2000年的Landsat5遥感数据、1970年和2009年的冰川编目数据, 对天山中段南坡开都河流域和北坡玛纳斯河流域的冰川变化进行了对比分析, 并结合地面气象站点数据分析了冰川对气候变化的响应及南北坡冰川变化的差异性. 研究表明: 1970-2009年间, 两流域冰川面积减少了494.33 km², 占总面积的26.8% (0.8%·a^-1); 冰川储量减少了32.73 km³, 占总储量的27.9% (0.8%·a^-1). 其中, 2000-2009年冰川面积和冰储量年退缩率(1.3%·a^-1)比1970-2000年(0.6%·a^-1)大; 冰储量减少的速率略大于面积缩小的速率, 说明冰川面积缩小的同时, 其厚度在迅速减薄. 1970-2000年和2000-2009年间, 玛纳斯河流域的冰川年均面积退缩率分别为0.5%·a^-1和1.4%·a^-1, 开都河流域的冰川年均面积退缩率为0.9%·a^-1和1.1%·a^-1, 显示出玛纳斯河流域冰川在2000年后呈加速萎缩趋势. 影响研究区冰川变化的主因是气温, 而夏季升温幅度及降水的不同是造成南北坡冰川差异性变化的重要原因.     

弯槽段冰塞形成及其厚度分布的试验研究

河流冰塞是寒冷地区河流的共性问题,弯槽段易于卡封是客观存在的现象,但对其形成机理的认识尚有待探索.借助于实验室的试验水槽,通过改变水流条件和冰流量条件,研究了弯槽段冰塞形成和厚度分布的规律.结果表明:当弯槽段先铺有模拟冰盖时,初始冰塞头部向下游推进的速度随水流的Fr增加而增加;当在弯槽尾部加上模拟的初封条件时,水流条件的变化可以产生冰塞发展的两种不同顺序,提出了实验室条件下的弯槽段冰塞体形成与否的临界F_r数.     

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.