黄河下游动床阻力变化及其计算方法

动床阻力在冲积河道洪水演进与河床冲淤计算中具有十分重要的作用。黄河下游不同水沙条件下的床面形态变化较大,动床阻力变化规律十分复杂,因此需要研究动床阻力的计算方法。利用黄河下游花园口、高村、利津等7个水文站1958—1990年的686组实测数据,确定了影响动床阻力变化的关键水沙因子——水流弗劳德数（Fr）与相对水深（h/D₅₀）,前者表示水流强度,后者表示床面相对粗糙度;建立了基于水流能态分区的动床阻力计算公式,并采用这些实测数据率定了公式中的相关参数;利用黄河下游各水文站1991—2016年的2 288组实测资料,进一步验证了公式的计算精度。计算结果表明:动床阻力的大小随弗劳德数或相对水深的增加而减小;基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于未分区的公式及其他4个动床阻力公式,且决定系数（R2）总体接近0.80,说明水流强度与床面相对粗糙度对动床阻力影响十分显著。     

近期黄河下游河床调整过程及特点

利用黄河下游1999-2005年的实测水沙及断面资料,分析了近期下游(铁谢至利津河段)河床调整过程及特点,具体表现为:小浪底水库运行后,黄河下游河道出现持续冲刷。其中,游荡型河段的冲刷量占下游总冲刷量的77%,单位河长的冲刷量在高村以上河段最大,孙口以下河段次之,高村至孙口河段最小;各河段主槽横断面形态调整均表现为向窄深方向发展;河床在冲刷过程中,主槽纵比降变化不大,其纵剖面形态自1855年以来均为下凹曲线,其凹度值随河床冲刷而略有增大;汛期深泓摆动幅度在游荡段最大,在弯曲段较小;随河床冲刷,下游平滩流量增加,但断面平滩流量与河段平滩流量的增加程度不同;因床沙显著粗化,不同河型河段的河床纵向稳定程度随冲刷均增加,而河床横向稳定程度在游荡段变化不大,在过渡段及弯曲段有所增加。     

长江中游动床阻力计算

动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后，进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化，导致动床阻力的变化特点更复杂，有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据，选取弗劳德数（Fr）和相对水深（h/D₅₀）作为动床阻力计算的主要影响因子，建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数，采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明:①长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区；②基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式，决定系数（R2）约为0.89，阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。     

长江中游动床阻力计算

动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后，进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化，导致动床阻力的变化特点更复杂，有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据，选取弗劳德数（Fr）和相对水深（h/D₅₀）作为动床阻力计算的主要影响因子，建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数，采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明：① 长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区；② 基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式，决定系数（R²）约为0.89，阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。     

黄河下游床面形态判别方法探讨

基于床面形态控制数理论,结合已有水槽试验研究成果,分析了床面形态控制数与不同床面形态的对应关系,提出了包括沙粒弗劳德数及相对水深(水深与泥沙中值粒径之比, 下同)的床面形态参数, 论述了简化床面形态控制数的计算方法及适用范围,研究了床面形态控制数与床面形态参数之间的相互关系及适用性;结合黄河下游床面形态运动特征,建立了床面形态判别方法。研究认为床面形态控制数能够反映高、低能态区的水流阻力特征;床面形态控制数与床面形态参数之间的关系,既适用于室内水槽试验也适用于天然河流;建立的黄河下游床面形态判别方法,得到了野外实测资料的初步检验,能够用于黄河下游不同能态区床面形态的判别。     

藕节辫状河发育和演变过程的试验研究

利用室内概化模型试验,研究了"藕节"辫状河的发育和演变过程。从初始顺直小河开始,以黄河花园口水文站枯水期和洪水期流量为背景,概化试验入口水沙条件,成功塑造了具有典型藕节的辫状小河。模型小河的试验发现:① 原顺直河道交错边滩的发育对辫状河道"藕节"的形成起到关键作用;② 结合自然河流和试验小河,"藕节"河段形态特征系数I与河道稳定性参数θ呈较好的非线性关联性,说明辫状河道除了沙粒阻力和床面形态阻力,也可以采取断面形态一收一放的"河势形态阻力"方式消耗,制衡部分水流能量;③ 流量过程是控制河段形态特征的决定因素之一,大洪水不仅破坏了原交错边滩的特点,也使"藕节"形态遭到破坏;但在中小流量下,河段保持了较好的"藕节"驻点、"藕身"收放的特点。本研究对黄河下游收放相间的"藕节"河段防洪起到借鉴作用。     

三峡蓄水后典型河段分形维数的变化分析

针对三峡工程蓄水后下游河道河床表面形态的变化,采用分形维数对河床表面形态进行量化,并分析河道冲淤调整特点,对河床表面分形维数(BSD)的变化特点及物理意义进行探讨。结果表明,BSD与河床各个剖面形态之间的关系是整体与部分的关系,BSD能全面地反映床面形态的复杂程度。三峡蓄水后,宜昌-虎牙滩和宜都河段BSD明显增大,关洲河段增大幅度较小,而芦家河河段BSD值略有减小,同时,各河段BSD的变化可在一定程度上表征三峡蓄水后下游河道河床综合阻力的调整结果。可通过对各河段演变趋势的分析,来预测其BSD的变化,进而为分析其阻力和水位的变化趋势提供依据。     

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。     

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。     

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。     

沙质河床冲刷过程中床沙级配的模拟

研究了沙质河床冲刷过程中床沙级配的模拟方法。在该方法中采用了新的描述床沙级配变化的动力学方程和床沙级配在交换层内垂向变化与水流强度、河床冲刷强度的关系,反映了冲刷过程中交换层内向床面补充的物理过程。通过室内实验率定了相关参数,建立了床沙级配变化动力学方程的数值求解方法,模拟了床沙冲刷粗化。计算结果与室内实验结果符合较好,表明所建议的方法反映了河床冲刷中床沙级配变化的物理事实,可用于沙质河床冲刷粗化模拟。     

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。     

沙粒当量粗糙度的分形表达

沙粒当量粗糙度k_s的准确确定是计算沙粒阻力的关键。针对沙粒轮廓剖面具有自相似精细结构的特点,提出采用分形维数对其复杂性及不规则性进行定量描述;通过粘沙平整床面、初始静平整床面和清水冲刷粗化床面的沙粒阻力试验研究k_s的分形表达方法,建立了静平整床面时k_s的分形表达式,并对公式进行了验证、比较和讨论;结果表明,公式引入的中值粒径d₅₀、分形维数D和弗劳德数Fr 3个参数,可定量地综合反映床沙颗粒大小、级配组成、随机排列以及水流条件对k_s的影响。     

黄河下游游荡河段清水冲刷时期河床调整的复杂响应现象

以1960～1962年三门峡水库下泄清水时期定位观测资料为基础,研究了清水冲刷条件下黄河下游河床调整过程。结果表明,由于河床边界条件的不同,游荡段的上段(铁谢-桃花峪)和下段(桃花峪-辛寨)的河床调整过程表现出明显的差异,由此可以划分两种不同的调整方式和复杂响应类型:河岸抗冲性强、河床组成物质较粗的河段,河床调整及其中的复杂响应主要与水力参数有关;河岸抗冲性弱、河床物质组成较细的河段,河床调整中的复杂响应主要与河床形态有关。研究所得结论,可为预测小浪底水库建成后黄河下游河床演变趋势提供参考。     

弯曲河段床面分形特征及床面阻力试验研究

根据概化水槽试验的结果,引入河床表面分形维数(以下简称BSD)用于河床表面形态的量化研究,并对BSD的计算方法、弯曲河道的分形特征及BSD值的大小与床面阻力的关系进行了探讨.结果表明,BSD的大小在大尺度上能够反映河段在纵向上的深泓起伏程度和横向的滩槽差,在小尺度上能反映河床表面相对的冲淤幅度,即弯曲河段床面具有明显的...     

钱塘江河口过江隧道河段极端洪水冲刷深度的预测

钱塘江河口为强冲积性河口,在洪潮水流共同作用下河床冲淤剧烈,极端洪水条件下河床的冲刷深度是过江隧道工程的关键问题之一。基于河床演变分析、动床数值模拟和动床物理模型等研究手段,建立了钱塘江河口过江隧道河段洪水冲刷深度的预测模型,分别经钱塘江河口的典型实测地形、水流泥沙及河床冲淤等实测资料进行验证。在此基础上预测了某过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度,三种研究方法所得的结果定性定量基本合理,且与后来地质详勘的沉积分析成果基本一致,进一步表明了预测模型的可靠性,预测的最大冲刷深度可为过江隧道的合理埋设提供科学依据。     

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。     

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。     

非恒定流驱动下床面形态变化特征

为深入认识非恒定流驱动下床面形态的演变规律及尺度变化趋势,采用水泵控制系统生成了一系列历时与洪峰流量不同的洪水过程来冲刷由粗沙组成的实验动床（中值粒径d₅₀=1.95 mm）,研究中运用非恒定流的形态、非恒定性及水流做功参数来量化洪水过程;统计分析河床高程数据得到床面形态的波长、波高及陡度。实验结果表明:在不同尺度的非恒定流洪水作用下,实验动床表面分别形成了沙垄、交错边滩以及介于两者之间的过渡型床面形态;洪水的非恒定性对床面形态尺度的影响最大,其次是水流做功参数,而非恒定流的形态影响较为微弱;在此基础上构建了用于描述非恒定流驱动条件与床面形态尺度响应的定量关系。     

近30年黄河下游河道深泓线摆动特点

冲积河流深泓摆动具有复杂的时空变化特点,其摆动特点对于研究黄河下游河势变化及河床演变规律具有重要意义。以1986-2015年黄河下游91个淤积断面汛后实测地形资料为基础,计算下游断面及河段尺度的深泓摆动宽度及强度,分析近30年来黄河下游各河段的深泓摆动特点,并探讨游荡段深泓摆动强度的主要影响因素。结果表明:深泓摆动方向具有往复性,各断面深泓摆动宽度呈现上段大、中下段小的特点;小浪底水库运行后下游深泓摆动宽度大大降低,游荡段、过渡段和弯曲段年均深泓摆动宽度较水库运行前分别减小了47%、37%和41%;河床边界条件（滩槽高差、河床组成等）对游荡段深泓摆动强度有一定影响,但上游来水来沙条件是主要影响因素;建立了游荡段深泓摆动强度与该河段前4年平均水流冲刷强度的幂函数关系,并对经验公式进行了验证。