黄河下游洪水冲淤相对平衡的分组含沙量阈值探讨

河床冲淤相对平衡下的洪水分组含沙量阈值是多泥沙河流水沙调控的重要参数.基于河床演变学的原理,根据黄河下游200余场次洪水实测资料,探讨了洪水分组含沙量阈值和分组来沙系数阈值.研究表明,黄河下游洪水过程中,在一定的分组含沙量及来沙系数条件下,可以使得河床冲淤达到相对平衡.对于悬沙以细泥沙为主的洪水,其河槽冲淤临界含沙量与主槽单宽流量、最大日均流量、花园口以下河段最小平滩流量、床沙中值粒径大于0.05 mm的沙重百分数有关;对于悬沙以中粗泥沙为主的临界含沙量则与粒径大于0.05 mm的沙重百分数无关;对于悬沙以粗泥沙为主的临界含沙量除与细泥沙临界含沙量的因素有关外,还与悬沙中值粒径小于0.025 mm、大于0.05 mm的沙重百分数有关.对于含沙量级相近的洪水,若流量级不同,同样可以产生不同的冲淤结果,即存在着分组来沙系数临界值.     

长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义

通过河流输沙分析研究了长江上游河道的悬移质泥沙存贮量及其变化。结果表明,1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和1个泥沙释放期。1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,累计存贮量为4.0126×10⁸t,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,累积释放量为2.6533×10⁸t——支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放;1984～2000年为第2个泥沙存贮期,累积存贮量为4.0733×10⁸t。金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,即在1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。     

水土保持措施对流域泥沙输移比的影响

以黄土高原无定河流域为例研究了水土保持措施对流域泥沙输移比的影响。水土保持措施极大地改变了流域泥沙的侵蚀、输移和堆积过程,因而改变了流域的泥沙收支关系。在天然状况下,无定河流域的泥沙输移比接近10。20世纪60年代后流域内大规模地展开水土保持工作以来,泥沙输移比急剧下降为0.2～0.4。泥沙输移比的变化,主要是由于流域内人为沉积汇的形成所致。这种人为沉积汇表现为水库、淤地坝的拦沙作用,导致了泥沙输移比大幅度减小。在目前状况下,人工沉积汇的拦沙作用相当于坡面措施减蚀作用的2 4～6.3倍,表明坡面治理措施的有效性尚有待提高,并亟待在生态环境建设中予以加强。     

输移型泥沙灾害及其特征初步研究

近年来,泥沙灾害越来越引起人们的重视.输移型泥沙灾害是泥沙灾害的子类型.本文提出了输移型泥沙灾害的基本概念,并对输移型泥沙灾害的类型和特征进行了初步的探讨.根据输移介质的不同,输移型泥沙灾害可进一步分为风力输移型和水力输移型泥沙灾害.风力输移型泥沙灾害主要包括浮尘、扬沙、沙尘暴和沙丘移动等,这类泥沙灾害主要发生在干旱-半干旱地区,但影响范围很广.以水流为搬运介质的输移型泥沙灾害主要有泥石流灾害、高含沙水流灾害和一般挟沙水流灾害,另外还有以水为介质,以重力搬运作用为主的泻溜、土体蠕动等灾害.水力输移型泥沙灾害仅限于流域,涉及范围较小,出现的频率较低、幅度较小,其灾害表现形式为在冲刷、淤积和河床演变过程中对人类产生危害,具有伴生性、潜在性、突发性和链锁性等特征.     

冲积河流泥沙输移幂律函数指数变化规律

冲积河流泥沙输移幂律函数关系与不平衡输沙理论是对河道不平衡输沙同一物理现象的不同描述,两者既有区别也有联系。比较研究发现:对于恒定均匀流不平衡输沙过程,当输沙位于近平衡态时两者含沙量导函数表达式具有一阶近似等价性,当输沙远离平衡态时前者含沙量导函数中隐含考虑有泥沙恢复饱和系数的变化。基于两者等价性,推导建立了幂律函数指数计算表达式,表明指数随泥沙沉速、单宽流量和沿程距离而变化,且随着输移距离的增大呈指数衰减。基于前者含沙量导函数表达式结构特点,分析建立了相应泥沙恢复饱和系数变化的计算表达式。综合以上成果,改进提出了一种变幂指数的泥沙输移幂律函数计算模型。对库里·阿雷克沉沙池沿程断面输沙指数及含沙量计算结果表明,不同距离过水断面输沙指数的变化规律是合理的,含沙量计算值与实测值变化趋势基本符合。     

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。     

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。     

长江泥沙输移特性分析

长江泥沙主要来源于上游，河流输沙特性与地理条件关系密切。宜昌以上属山区，泥沙来源于土壤侵蚀，其输沙量沿程递增，含沙量增减互见。宜昌以下属冲积河道，由于泥沙在湖泊（水库）中沉积、输沙量沿程减小。至于年内变化，则与径流量变化基本相应；年际间属随机变化，无系统性。悬沙级配有沿程细化趋势。卵石推移量，寸滩为２８．２万ｔ，沿程稍有增加；粗砂砾石推移量甚微；沙推移量与河床级配组成有密切关系，沙质河床的推移量大     

黄河下游限制弯曲段河道冲淤数学模型

模型对黄河下游特有的来水来沙条件及河床边界条件下的河道冲淤规律进行了模拟。根据不平衡输沙理论,结合天然河道实际情况,将河道断面进行滩槽划分,采用综合阻力公式反映水沙条件变化,沉速计算考虑了含沙量特别是细颗粒影响,模型可应用于高含沙水流。验证结果与实测资料基本符合。     

三峡建库前后下荆江有效流量研究

有效流量是天然河流某一时段内悬移质输沙量最大所对应的流量,可反映中、短期造床作用。根据监利水文站1991—2016年逐月流量、输沙量及悬移质级配,分析三峡建库前后流量频率及不同粒径组悬移质泥沙输移特性;运用理论分析法与分组频率法计算下荆江分组悬移质输沙量对应有效流量的大小、重现期、历时。研究成果表明:受来水来沙、水流挟沙能力以及床沙补给等因素影响,有效流量随泥沙粒径增大而减小。建库后,因河床冲刷各粒径组间有效流量偏差增大,0. 062 mm0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期减小;细颗粒泥沙含沙量严重不饱和河道输送粗颗粒泥沙的能力相对较大,悬移质级配粗化;累积50%的泥沙输移需43%～82%的累积流量以及62%～90%的累积历时,且累积流量和累积历时随着泥沙粒径的增大而减小和缩短。研究三峡建库前后有效流量变化对分析冲刷条件下下荆江河段河床演变具有重要意义。     

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。     

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。     

黄河下游花园口河段洪水涨落过程中河床横断面形态的调整

利用黄河下游1950-1985年间218场洪水资料,讨论了黄河下游花园口河段洪水起涨和回落过程中河床形态调整的不同过程.在洪水起涨阶段,花园口河段河床宽深比以增大为主,且洪水最大含沙量越大,宽深比增大的幅度越大,洪峰增幅比在3以下时,宽深比随最大含沙量的增大而增大,洪峰增幅比在3以上时,呈随含沙量的增大而减小的趋势.在洪水回落阶段,宽深比的变化方向则相反.在含沙量较小时,河床宽深比的减小主要发生在洪水起涨阶段,在含沙量很大时,河床宽深比的减小主要发生在洪水回落阶段.     

南水北调对长江口粗颗粒悬沙来量的影响

探索了长江南水北调占总径流量10%情况下对长江粗颗粒悬沙(≥0.05mm)入海数量变化的可能影响。研究表明:南水北调对入海细颗粒泥沙的影响主要为南沙北调,但数量较小,在1%左右,而对粗颗粒悬沙的影响主要表现在入海流量减少导致的水体挟沙能力的降低。通过建立大通站典型枯水年(1978),平水年(1987)及洪水年(1983)月平均流量与月平均床沙质输沙率相关曲线,估算出各典型年在典型流量23000m3/s,30000m3/s与40000m3/s水平下调水流量3000m3/s时导致的入海床沙质输沙率的变化。结果表明,输沙率的相对变化在-39%至-24%之间,且在较高的流量水平下,输沙率相对变化较小,但绝对变化增大,经大通入海的床沙质数量每年约减少2350～4700万t.     

中国江河水沙变化趋势与主要影响因素

通过选定中国主要河流的代表水文站,分析了中国主要河流代表站总径流量和总输沙量的变化趋势。结果表明,全国主要河流代表站总径流量随时间没有明显的趋势性增加或减小,多年平均径流量为14090亿m3;年总输沙量在1960年前变化不大,1960年后逐渐减小,从20世纪50年代的26.43亿t减小至2001～2008年间的5.95亿t;平均含沙量则从50年代的1.74kg/m3减至2001～2008年间的0.46kg/m3。中国南方主要河流和主要内陆河流的代表站径流量没有明显的增加或减少趋势,北方河流代表站径流量除淮河、松花江外,具有明显的减少趋势;中国各主要河流代表站年输沙量除塔里木河外,都有不同程度的减少,其中北方河流的减小幅度较大。影响中国主要河流水沙变化的主要因素分为自然和人类活动因素,其中自然因素包括流域降雨量变化和流域下垫面条件;人类活动因素包括水土保持措施、水库工程、流域调水调沙及引水引沙、河道采砂等。     

The Barranco de Arás flood of 7 August 1996 (Biescas, Central Pyrenees, Spain)

Geomorphic effects observed in the Barranco (creek) de Arás basin are used to characterize the flood. Sediment features allow to qualify the flood as essentially a water flow. Using the critical section method, the peak flood discharge is estimated to be between 400 and 600 m³ s⁻¹. Similar results were obtained using a paleohydraulic formula based on the size of the largest mobilized clasts. Using the rational method with available rainfall data, the discharge for a recurrence interval of 500 years is estimated to be between 150 and 200 m³ s⁻¹. These results agree with predictions obtained using curves of peak discharge versus basin area based on regional data. Several trenches dug on the fan showed that the size of boulders mobilized by the event is larger that those left by previous floods at the same place. When the estimated peak flood discharge is related to the basin area, values between 20 and 30 m³ s⁻¹ km⁻² are obtained, demonstrating that the Barranco de Arás flood was most unusual.     

黄河流域近期水沙变化及其趋势预测

针对黄河水沙近期发生显著变化的现象,利用黄河上中游干支流水文泥沙定位观测资料,综合"水文法"、"水保法"和数学模拟等多种方法,对黄河流域1997-2006年水沙变化情势进行了评估,分析了水沙变化机制,并预测了未来的变化趋势。分析表明,与多年平均相比,黄河河源区径流量年均减少43.90亿m3,其中降雨等自然因素的影响量占92.26%,人类活动影响量占7.74%;与1970年前相比,黄河实测径流量年均减少112.1亿m3,其中水利水土保持综合治理等人类活动作用占76.50%,因降雨影响占23.50%;实测输沙量较1970年以前年均减少11.80亿t,其中水利水土保持综合治理等人类活动的作用为49.75%,降雨的影响为50.25%;人类活动与降雨变化对水沙变化的影响差异较大,就黄河中游地区总体而言,人类活动的减水作用远大于降雨的影响,人类活动的减沙作用与降雨影响基本相当,不宜笼统说黄河中游水沙变化主要是人类活动所致或主要是降雨变化所致; 2050年以前黄河来水来沙量总体呈平偏枯趋势,但不排除个别年份或短时段仍会发生丰水丰沙的可能性。     

皇甫川流域次洪水沙特征值变化特点

黄河流域径流量呈现锐减趋势,径流锐减突出表现在中游河口镇至龙门区间。以河龙区间皇甫川流域为典型支流,选择19542012年洪峰流量大于100m3/s的洪水共271场,分析了次洪水沙特征值的变化。得出如下结论:近些年洪水发生次数和年最大洪峰流量高值出现次数均有减少趋势;次洪洪量和次洪沙量基本呈现逐年代减少的趋势,沙量减少幅度远大于洪量的减幅;涨洪历时比较短,峰型普遍偏尖瘦;洪峰流量大的洪水的基流量占洪量的百分比明显低于洪峰流量小的洪水对应的比值。     

金沙江“11·3”白格堰塞湖溃决洪水事件在奔子栏—石鼓段的地貌作用和沉积特征

古堰塞湖溃决洪水事件的重建是当前地学研究的热点问题之一,寻找足够的可参考的现代溃决洪水事件案例是顺利开展这项工作的基础。2018年11月13日发生在金沙江干流的白格堰塞湖超万年一遇的溃决洪水事件(学术界称之为“11·3”白格堰塞湖溃决洪水事件)就是一个难得的样本。这次溃决事件发生在枯水期,洪峰完全由溃决洪水产生,没有叠加其他来源,对评估流域地貌和沉积体系对堰塞溃决事件的响应有很好的参考价值。本文以溃决洪水事件受灾最为严重的奔子栏—石鼓段为研究区,通过详细的野外调查和初步的水力学估算发现“11·3”白格堰塞湖溃决洪水事件在奔子栏—石鼓段的地貌作用主要表现为洪水淹没区的岸坡塌岸和沉积物堆积,未发现明显的基岩侵蚀。沉积物主要由分选良好的具水平纹层的砂组成。受金沙江较低的河床比降影响,洪水产生的基底剪切应力较弱在27~142 N/m²,不能悬浮和搬运直径5 cm以上的砾石,也不能产生明显的磨蚀和冲(撞)击作用。在发生塌岸的部分段落,洪水沉积物中有砾石坠入,甚至会出现类似浊流沉积的层序。这些现象的发现对深入理解堰塞湖溃决洪水的复杂地貌过程和沉积特征有重要参考意义。     

基于HEC-RAS及GIS的川西叠溪古滑坡堰塞湖溃决洪水重建

青藏高原东南缘岷江上游地区地质环境条件十分复杂,滑坡堵江灾害及堰塞湖溃决事件频发,重建其灾害演化过程对于地区性防灾减灾和风险控制具有重要指导意义。以川西岷江上游叠溪古滑坡堰塞湖为研究对象,首先利用高精度DEM和ArcGIS软件重建了叠溪古堰塞湖的原始规模,其原始最大湖水面积为1.1×10⁷ m²,相应的湖容量为2.9×10⁹ m³;然后采用经验公式法和HEC-RAS一维水力学模型重建叠溪古堰塞湖溃决洪水的水力学特征。计算结果表明,HEC-RAS模拟的最大溃决洪水洪峰流量为73 060 m³/s,与经验公式法计算结果(74 500~76 800 m³/s,平均值76 000 m³/s)非常接近,误差小于5%。对应的最大洪水深度和流速分别为70.1 m和16.78 m/s,模拟河段的洪水淹没范围约为6.08 km²。综合误差分析推测的溃决洪峰流量误差范围为69 000~81 000 m³/s。叠溪古滑坡堰塞湖溃决洪水在世界范围内是十分罕见的,其最直接的影响是在下游数公里范围的河谷内形成大量带状或台阶状的溃坝堆积体和巨砾石堆积“阶地”,且这种影响仍延续至今,这与前人关于高能洪水水文特征和沉积特征的研究认识高度一致,证明本研究成果是非常可靠的。此外,本研究还表明,HEC-RAS一维水力模型可用于高山峡谷地区古滑坡堰塞湖溃决洪水重建研究,可为青藏高原东南缘岷江上游古环境重建和地貌演化提供参考。