黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅰ二维混合模型的建立

提出了黄河下游滩岸冲刷问题的严重性,评述了河床横向变形模拟技术和河床变形混合模型的研究现状,并指出现有模型不适用于黄河下游的河床变形计算.将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷模型结合,建立了河床变形的平面二维混合模型.采用多种改进措施后,该模型能同时模拟天然河道的纵向与横向变形,尤其适用于河床纵横向变化都十分剧烈的黄河下游.     

黄河下游河道输沙水量及计算方法研究

根据黄河下游1950年以来的水沙、河道冲淤及洪水观测资料,系统分析了黄河下游主要控制站输沙水量与来沙量、洪水量级、水沙搭配、区间引水引沙及河道允许淤积度等因子间的相互关系。在探讨泥沙输移规律和机理的基础上,引入水沙搭配参数,建立了适用于黄河下游主要控制站汛期及洪水期计算输沙水量的数学表达式,量化了水沙条件及河道允许淤积度变化对河道输沙水量的影响程度。该研究对维持黄河健康生命及黄河水资源的规划利用具有重要的理论和实际意义。     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅱ模型验证

利用所构建的非恒定输沙数学模型,对黄河下游铁谢至孙口河段内的1977年高含沙洪水、1982年大水少沙型洪水以及1996年典型洪水进行了数值模拟.模拟结果证明了数学模型的可靠性,表明该模型不仅能模拟黄河下游河道一般洪水和高含沙洪水的水沙传播、水位变化及河床变形等,而且对模拟现行严重萎缩河道内的洪水演进及河床冲淤特性也有较好的适应性.     

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。     

澽河入黄段输沙量计算及泥沙淤积变化规律分析

澽河系黄河右岸的一级支流,发源于陕西省黄龙县黄龙山主脊冢字梁,自西北向东南流经黄龙、韩城两县(市),于韩城市芝川镇司马庙东汇入黄河,流域面积1 083 km~2。澽河入黄段因黄河洪水倒灌淤积,河床不断抬升,加之黄河主槽不断西移,导致澽河入黄口己上提2.50 km。通过对澽河入黄段河道输沙量进行计算,并对泥沙淤积规律进行分析,结果表明,实际产沙进入澽河的流域面积为119 km~2,年平均进入澽河河口段的泥沙量为6.77万m~3。澽河入黄泥沙量较小,对河道淤积影响不大,澽河下游黄河洪水倒灌段受黄河高含沙洪水倒灌影响,淤积明显,倒灌段以上河段冲淤平衡。为该河段治理工程建设、防汛工作和黄河流域同类型河流泥沙分析提供参考。     

黄河下游断面资料数据库及冲淤分布初步分析——

利用所建立的断面资料数据库及分析系统软件,采用体积法对黄河下游冲淤数量进行了计算,并利用与本系统软件直接接口的通用软件,研究了黄河下游冲淤量的时空分布特点。计算分析表明,近半个世纪黄河下游河道淤积量达64.4亿m3。进入下游的水沙条件既受自然气候条件变化的影响又受水库运用所制约。不同时期河道冲淤量及其分布的差异是黄河下游冲积性河道对不同水沙条件所作出的反应。     

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.     

黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅱ二维混合模型的应用

对前文提出的平面二维混合模型进行了验证与实际工程应用.模拟了概化顺直河段在不同冲淤条件下的河岸后退过程.将混合模型应用于实际工程问题,模拟了黄河下游花园口游荡型河段的河床纵向与横向变形过程.通过对断面平均水位、流速分布、断面形态变化等计算值与原型观测值的对比,两者符合较好.表明该混合模型不仅能较好地模拟出河道内的水沙运动与河床纵向冲淤过程,而且能模拟出滩岸的后退与淤长过程,尤其能模拟滩岸的冲刷与崩塌过程.     

亟待开展黄河下游河道远景学研究

黄河下游河段河床淤积严重,目前面临的主要问题是: 1)20世纪90年代以来,由于水沙矛盾加剧,河道萎缩,主槽过洪能力锐减,平滩流量在一些河段已由80年代的5000m³·s^-1降至目前的3000m³·s^-1;2)由于水沙变化,20世纪70年代开始在局部河段出现的“二级悬河”,现已逐渐在上游的河南段和下游的山东段发展到210km多.研究表明,黄河下游的淤积是自然地质过程,应亟待开展黄河下游河道远景学研究.     

黄河中下游水库群-河道水沙联合动态调控

为优化黄河中下游水库群运行方式,充分发挥水库群-河道联合调控水沙的优势和潜力,以黄河中下游水库群和河道为研究对象,研究水库群-河道水沙联合动态调控方法,构建水库群-河道水沙联合动态调控互馈指标、互馈模式、调控原则和调控方式,研发水库群-河道水沙联合动态调控模拟模型,分析黄河中下游现状工程调控效果。结果表明,未来黄河来沙量8亿~3亿t情景下,水库群-河道水沙联合动态调控方法综合兼顾水库和河道减淤,可延长水库拦沙年限4~9 a,在较长时期内改善进入下游的水沙关系协调度,下游河道总淤积量较少,河槽最小平滩流量增大200~250 m3/s。     

渭河渭南段高漫滩沉积记录的洪水研究

本文根据渭河渭南段两个典型高漫滩沉积剖面中和2005年洪水沉积中376个样品的粒度分析,并结合历史文献资料研究了高漫滩沉积层代表的洪水变化。结果表明, 渭河高漫滩洪水沉积以粉砂和极细砂为主, 分层明显,分辨率高,能够指示洪水频次、洪水位高度和洪水动力。两个剖面厚度为约5.3m,均可分为19个层位,指示至少发生了19次较大规模的洪水。粒度分析确定的19个洪水阶段与历史文献记录的大洪水阶段基本一致。粒度参数Md、Mz、σ、Sk、Kg在剖面各层差异明显,也指示了各阶段洪水的差异。 其中WN1剖面中第15、14、10、3、12、4、13、6、8、2阶段洪水发生时高漫滩上的洪水深度大于2005年渭南渭河高漫滩上16m的洪水深度,当时河床之上的洪水深度大于81m,其余洪水阶段发生时河床之上的洪水深度接近或略小于81m,是当时发生了大洪水或中等规模洪水的显示。根据渭河流域近代大洪水发生年的降水条件确定,WN1、WN2剖面多数阶段洪水的发生是当年降水量的显著增加造成的。     

渭河宝鸡峡全新世特大洪水水文学研究

通过深入的考察,在渭河宝鸡峡河段发现典型的全新世古洪水滞流沉积地层剖面,并进行了古洪水沉积学和水文学研究。对于采集的序列样品,进行粒度成分、磁化率、烧失量、CaCO₃含量等分析,从沉积学角度证明了剖面上覆盖在古土壤S₀顶部的沉积物为典型的古洪水滞流沉积层。根据其地层结构及其与流域内其他剖面的对比,结合其所含古文化层考古学年代和OSL断代数据等,确定渭河上游在3200～3000aB.P.发生了3次特大洪水事件。利用古水文学原理恢复其水位,并且利用水位-流量关系模型,计算出古洪水洪峰流量为22560～25960m³/s。 这个结果大大延长了洪水水文数据序列,从而能够建立渭河万年尺度洪水流量-频率关系,对于防洪减灾、水能源和水资源开发具有重要的应用价值。该成果揭示出万年尺度大暴雨洪水与气候变化的关系,丰富了全球变化的区域响应理论。     

2003年黄河第二次调水调沙试验效果分析

2003年8～10月,泾、渭、洛河和三门峡～花园口区间降雨持续50余d,黄河中游出现了历史上罕见的秋汛洪水。为扩大黄河下游河道主河槽的过洪能力,实现黄河下游主河槽的全线冲刷,同时,进一步探索三门峡、小浪底等水库水沙联合调度方式,深化对黄河河道、水库水沙运动规律的认识,黄委会于9月6日～18日进行了黄河第二次调水调沙。该文着重介绍了此次实验中黄河下游主要断面的水文泥沙过程,以及河道冲淤情况,认为花园口水文站来水量26．5亿m~3,冲刷量0．456亿t,整个下游河段基本为冲刷；下游主要断面主槽过洪能力增加幅度为150～400m~3/s,2500m~3/s流量相应水位降低0．04～0．23m,提高下游河道的输沙效率。     

渭河源区典型小流域水沙演变规律分析

根据渭河源区清源河典型小流域实测水文资料,分析了流域水文要素的年内和年际变化规律,流域降水、径流和泥沙主要集中在汛期,5-9月降水量占全年的78.5%,5-10月径流占全年的78.7%,5-8月输沙量占全年的88.9%。受上游修建水库、水土保持等人类活动的影响,流域汛期径流和泥沙1997-2013年比1980-1996年均减少了5.9%。流域面平均降水量、平均流量、平均输沙量年际变化不稳定,总体呈减少趋势,序列最大可能变异点分别为1995年、1994年和1997年。建立了流域年降水量与年径流深、次降水量P+Pa与次径流深相关模型,相关系数达到0.902和0.860。以年最大洪峰流量为参数,分别建立了流域年径流量与年输沙量、次径流量与次输沙量关系模型,相关系数达到0.835和0.917,公式模拟值与实测值接近,误差较小,可以作为以径流推算泥沙的重要依据。通过定性定量分析人类活动对流域径流、泥沙的影响程度,对区域抗旱防洪减灾、水资源管理、小流域治理及生态环境保护具有重要意义。     

对黄河下游河道输沙能力的新认识

综述了10a来利用高含沙水流特性治理黄河下游河道的研究进展,其中包括黄河水沙变化趋势,高含沙洪水的输沙特性,阻力特性,河槽形态调整变化规律,河道特性与来水来沙之间的关系;改造下游宽浅河道的最优水沙组合,水库调水调沙运用原则,及治理前景等内容.如能实现,下游河道淤积可大幅度减少,输沙用水可大量节省,黄河水资源可得到充分利用,并能形成窄深稳定的新河槽.     

渭河流域沉积矿物组合定量分析及示踪

扫描电镜定量分析沉积物矿物组合的方法,可以快速准确得到大量详细的矿物组合、矿物颗粒大小和岩屑组成等信息。尝试利用这一方法,研究渭河流域现代河流样品的矿物组合和沉积物碎屑组分,探究其在沉积物源示踪上的应用。研究表明,渭河流域现代沉积重矿物组合主要以角闪石、帘石类矿物和石榴石为主,不同区域沉积物矿物组合通过主成分分析图表（Principal Component Analysis,PCA）可以较好地区分开。轻矿物以石英和长石为主。碎屑组分石英—长石—岩屑（QFL）三角图解显示渭河干流和流经鄂尔多斯高原的两大主要支流北洛河和泾河的沉积物碎屑组分,主要位于再旋回造山带区域;而北秦岭山前河流沉积碎屑组分则主要位于岩浆岛弧区域。这一结果符合区域地质构造背景,表明扫描电镜定量分析手段可很好地应用于沉积物碎屑组分QFL三角图解、重矿物组合物源示踪研究。     

渭河咸阳段水污染协同控制应用研究

以渭河水质达标为目的，从一维河流单种污染物的水质控制问题出发，并以合作治理污染的思想为指导，在充分考虑各污染源对水环境自然容量资源竞争的意识下，以协同控制理论模型为基础，计算出渭河咸阳段各个污染源的排污量，这比简单地要求各污染源达标排放更加合理，对各污染源也更加公平，也能容易地被排污企业和单位所接受，同时也具有实际意义。     

渭河上游水利水保措施的减水减沙效应分析

依据渭河上游实测水文资料和水利水保措施统计数据, 分析了流域水文要素和水利水保措施的变化规律。根据双累积曲线、 有序聚类、 Lee-Heghinan、 滑动T检验等方法, 结合流域内水利水保措施的变化, 将研究期分为基准期（1956 - 1981年）和措施期（1982 - 2016年）。采用水量平衡法, 分析还原了河流天然径流量和输沙量, 评价了水利工程取用耗水的减水减沙作用; 分别建立拟合了基准期和措施期年径流量、 年输沙量与年降水量的相关公式, 分析计算了措施期的减水减沙效应。结果表明： 基准期主要为水利工程减水减沙, 分别减水6.8%, 减沙3.9%; 措施期综合减水效应42.9%, 综合减沙效应76.5%, 水保措施减水减沙效应大于水利工程减水减沙效应, 综合减沙效应大于综合减水效应。     

渭河上游典型小流域水文特征差异性分析

根据渭河流域两个典型小流域的实测水文和气象资料,分析了不同气候和下垫面条件的流域水文特征及其差异性.结果表明:清源河和牛谷河流域的年平均气温呈上升趋势,降水、径流、泥沙、降水径流系数均呈减少趋势;两个流域的降水、径流和泥沙历年变化不一致,1998-2013年清源河流域降水量相对牛谷河流域减少了8.6%,1993-2013年牛谷河的径流相对减少了21.4%,2000-2013年清源河的泥沙相对减少了24.0%;两个流域的面积、河长、海拔、植被覆盖率等流域特征值相对差在-29.4%~-4.5%之间,气温、降水等气候特征值相对差在-27.4%~16.7%之间,而径流特征值相差较大,相对差在-90.2%~-84.7%之间,泥沙特征差异性更大,相对差在292%~347%之间.对气候、下垫面和人类活动对水文要素的影响进行了研究,受人类活动的影响,清源河流域1996-2013年年径流减少11.6%,牛谷河流域1993-2006年年径流减少25.9%,2007-2013年再减少10.5%,研究人类活动的调水减沙效应,对流域综合治理、生态环境建设具有一定的指导意义.同时,充分利用不同小流域实测水文气象数据,分析水文气象要素的变化规律,可以为分布式水文模型研究和中小河流洪水预警预报提供重要依据.