Suspended sediment dynamics and morphodynamics in the Yellow River, China

The Yellow River in China carries large amounts of sediments in suspension at concentrations up to several hundreds of kilograms per cubic metre; the sediment is composed mainly of silt. These high sediment concentrations influence the hydrodynamics (flow velocity and turbulence) which, in turn, determine the sediment concentration profile, whereas both the high sediment concentrations and pseudo-cohesive properties of silt determine the morphodynamics of the Yellow River. The effect of sediment on the hydrodynamics is analysed using the Richardson number and the Reynolds number to provide a framework to differentiate between various flow regimes in the Yellow River, which is calibrated and validated with Yellow River data. The flow may be sub-saturated (stable flow), super-saturated (unstable flow characterized by high deposition rates, caused by collapse of turbulence), or hyperconcentrated sub-saturated (stable flow because of hindered settling effects), depending on the Richardson number. Independent of this, the flow may be turbulent, transitional or laminar, depending on the Reynolds number. Analysis of these flow types improves understanding of the flow regimes and morphodynamics of the Yellow River. The morphodynamics of the Yellow River are also affected by pseudo-cohesive behaviour caused by shear dilatance, which results in increasing critical shear stress for erosion at decreasing grain-size. This pseudo-cohesive behaviour may be partly responsible not only for the high deposition rates which characterize the lower Yellow River, but also for mass erosion during river floods.     

黄河口水沙过程变异及其对河口海岸造陆的影响

采用实测资料分析和理论探讨的方法,研究了黄河口海岸造陆与水沙过程变异的关系.研究结果表明:黄河口陆域来水来沙是海岸造陆的基础,来水来沙越大,造陆面积越大,水沙过程变异后,由于水沙的急剧减少,黄河口海岸造陆速度减缓,典型岸段严重蚀退造陆面积也大幅减小;尾闾河道萎缩对海岸造陆影响较大,萎缩越严重,越不利于海岸的造陆发育.运用多元回归分析建立了黄河口海岸造陆水沙临界综合关系式,可供科学调控来水来沙实施黄河口海岸防护过程中参考.     

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。     

三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙输移数学模型

黄河是高含沙河流,含沙量季节差异显著。因此研究黄河干流的非恒定水沙输移规律以及库区泥沙的淤积问题极为重要。应用圣维南方程组以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙含沙量计算公式,并根据沙量平衡方程推求出三门峡库区河底高程的变化规律。使用已有的资料对模型进行的验证表明:模型计算与实测资料符合良好,该模型具有较好的应用前景。     

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.     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。     

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。     

黄河下游输沙水量研究综述

对输沙水量的计算方法,黄河下游汛期、非汛期输沙水量的研究现状,水库对输沙水量的影响,输沙用水总量的研究现状等方面分别作了回顾。分析指出,输沙水量与来水含沙量、来水流量、河道冲淤、河床前期条件等有关。黄河下游各时期输沙水量不同,汛期最小,其余依次为非汛期、冬三月、凌汛期。水库调水调沙的同时也改变着黄河下游的输沙水量。利用水库群调水调沙,使小浪底水库以造床流量、高含沙水流输沙,是目前推荐的黄河下游节水减淤高效输沙入海的主要方式。提出了一些有待进一步研究的问题。     

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。     

黄河泥沙百年演变特征与近期波动变化成因解析

黄河泥沙未来变化趋势关系到新时期治黄策略制定，科学认知入黄沙量变化特征，特别是一些典型或极端情况下的沙量变化原因，对于科学研判黄河泥沙未来情势具有重要指导意义。本文在分析百年黄河沙量演变特征基础上，重点解析了2013年和2018年典型"大沙"年份以及2017年典型"极端降雨"年份潼关沙量波动变化原因。结果表明：1919—2018年百年尺度上黄河潼关站输沙量呈"台阶式"减少特征且减少趋势极显著（P<0.001），尤其2000年以后年均输沙量降至2.44亿t左右；随着黄土高原下垫面土壤侵蚀环境大幅改善，黄河上游相似来水年头道拐—潼关区间流域输沙量减少82%，相似极端降雨情景下流域次洪输沙量平均减少50%~85%，2017极端降雨年并未导致大沙年出现，水土保持生态建设成果在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用；2013年和2018年典型"大沙"年潼关站泥沙来源解析表明，河道淤积泥沙冲刷和水库排沙成为新时期黄河潼关站沙量波动变化的主要影响因素。     

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。     

黄河下游河槽萎缩与水沙条件关系初步分析

根据黄河下游实测资料分析河槽萎缩变化,采用断面过水面积、同流量(Q=3000m3/s)水位作为河槽萎缩指标,利用水沙系数(平均含沙量与平均流量比值)反映水沙条件变化,建立了河槽萎缩指标与水沙系数的关系,表明河槽萎缩指标与水沙系数有一定的变化规律。     

基于包气带水分运移数值模型的黄河三角洲蒸发量研究

蒸发是重要的水循环过程,在野外试验和室内分析的基础上,建立了黄河三角洲地下水浅埋区观测试验场土壤水分运移数值模拟模型,模型中对上边界条件处理采用了考虑气象因素、地表覆盖条件和表层土壤含水量的Penman Wilson公式。利用模型对试验点1999年、2000年、2002年的蒸发量进行了数值模拟计算,计算并分析了裸地、棉花地、芦苇地不同地表植被条件下,地表蒸发量(包括棵间裸地蒸发量和植物蒸腾量)的变化规律。从时间上看,黄河三角洲7、8月是蒸发量较高的时期, 1、2月是蒸发量最低时期,一般日蒸发量在0~8 mm/d。影响地面蒸发的主要因素除气象因素外,还有植被类型和覆盖程度、地下水位埋深等因素。植被覆盖程度越高、地下水位埋深越浅,则蒸发量越大,从而导致裸地蒸发量相对较小,农田年蒸发量稍大,而芦苇地蒸发量最大。研究表明,土壤水分运移模型是估算各种复杂条件下蒸发量的有效工具。     

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%.     

黄河源区气候向暖湿转变的观测事实及其水文响应

基于黄河河源区干流各水文站和有关气象站、雨量站的气温、降水与径流观测资料, 分析了该区域的气候变化特征与趋势及其水文响应. 结果表明: 在全球变暖的大背景下, 自20世纪80年代后期开始西北地区西部新疆、甘肃河西走廊西部等地降水量显著增加、气候明显由"暖干"转向"暖湿"后, 到21世纪初的年代中期后黄河源区降水量亦出现明显的增长, 气候明显转向暖湿. 最新的观测数据显示, 2005年以来河源区平均年降水量已连续多年超过多年均值进入一个多雨期, 河源区各断面来水量也于2008年后连续多年超过多年均值, 进入一个连续丰水段, 并于2012年达到了自1989年以后20余年来的最大值. 这种变化的前景如何, 目前尚不能确定, 尚需对未来河源区气候在时间与空间上变化的速度和程度进一步观察和分析. 根据对与该区域气候关系密切的东亚季风活动的研究成果以及对河源区气候与径流变化的观测事实及趋势推测, 未来黄河源区气候向暖湿的转化在时间尺度上年代际的可能性较大.     

黄河入海泥沙沉积固结过程抗侵蚀性变化研究

河口入海泥沙沉积固结过程中抗侵蚀性的变化直接决定着沉积物的再悬浮和二次迁移,对河口岸滩的稳定具有重要决定作用。在现代黄河三角洲潮滩模拟入海泥沙快速沉积,现场测试不同固结时间沉积物的抗侵蚀性和物理力学指标的变化。研究发现,黄河入海泥沙沉积物的抗侵蚀性随固结时间增长迅速提高,当沉积固结时间达8h时,其临界侵蚀切应力就超过了原状潮滩表层沉积物;新沉积泥沙的临界侵蚀切应力与其重度、贯入阻力、剪切强度呈良好的正相关关系,与含水率呈良好的负相关关系。黄河入海泥沙临界侵蚀流速的试验值随固结时间的增长速率要高于各泥沙起动公式计算值的增长速率,前者是后者的1.5～4.1倍。     

穿黄隧洞束窄河道对河段水沙特性的影响分析

利用建立的平面二维非恒定水流泥沙数学模型,在上游来流为10000年一遇的特大洪水过程情况下,就初步拟定的南水北调中线穿黄方案之一的孤柏嘴线路3 0km隧洞工程方案,穿黄隧洞束窄河道对河段水流流态、泥沙运动及河床变形的影响进行了计算和分析比较。计算结果表明,在该洪水过程情况下,穿黄隧洞束窄河道对河段水沙运动特性有一定影响,但影响不大。     

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。     

黄河内蒙古河段输沙量与淤积量计算方法

基于多沙河流"多来多排"输沙基本公式,建立了考虑上站来沙量、前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的输沙量一般表达式。进而根据黄河内蒙古河段1953—2010年实测水沙资料,得到了内蒙古巴彦高勒—头道拐全河段及巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—头道拐分河段的年输沙量公式,并根据输沙率法采用建立的输沙量公式计算了各河段1953—2010年的逐年冲淤量。选取三湖河口—头道拐河段的计算结果分析表明,在输沙基本公式基础上增加前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径参数,所得公式计算的年冲淤量与实测值之间的相关系数R2由基本公式的0.41依次提高到0.50、0.75和0.80,说明在基本公式基础上进一步考虑这些参数的必要性。此外,全河及分河段输沙公式计算所得输沙量及各河段冲淤量和累计淤积量与实测值的符合程度均较好,表明建立的输沙公式能够用于不同水沙条件下的输沙量和冲淤量计算,可为分析内蒙古河段的输沙特性和长期淤积趋势提供参考。     

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。