冲积性河流河床冲淤调整对洪水泥沙过程的响应——以黄河游荡型河段为例

为研究冲积性河流造床机理,基于能量耗散原理分析河床调整与水沙过程（变异特性）间的关系十分必要。以黄河游荡型河段为例,利用实测资料分析和平面二维水沙数值模拟方法,进行了各种洪水泥沙条件下河流冲淤规律的探讨。研究发现平滩面积、河相系数与径流泥沙特征值间存在的关联性映射出冲积性河流能量关系中的制约机制;不同洪水泥沙过程的河床冲刷强度变化具有阶段性,主槽累积刷槽效应与洪水泥沙过程有密切响应关系;高效输沙的洪水过程通过塑造最适宜的河床断面形态,能实现最佳输沙效率与主槽的最大冲刷。在不同漫滩洪水条件中,综合系数Φ最大时的洪水过程具有最大累积刷槽效应,因此对应流量可作为黄河下游漫滩洪水的调控指标。     

长江荆江河道演变与崩岸关系分析

荆江位于长江中游的上段,因其流经荆州而得名.新中国成立后.护岸工程的实施,增强了荆江河岸抗冲能力.抑制了近岸河床的横向发展,但局部河势出现了一定程度的调整,有的河段河势变化剧烈,荆江河道崩岸仍然十分频繁.本文分析总结了荆江近期河道演变的特点;分析研究了河道演变过程中主流线的变化、河道冲刷对崩岸模式的影响.从而得出:主流线的变化、河道的冲刷变化可能诱发崩岸产生,崩岸如果得不到有效控制将会影响河势的发展.     

水沙调节后荆江典型河道横向调整过程的响应——Ⅱ.上、下荆江调整差异初探

三峡水库2003年6月蓄水运用后,下游河道水沙过程已发生大幅变化,对于岸滩抗冲性较弱的荆江河道来说,河道的横向调整过程势必受到影响。采用考虑岸滩崩塌的河势研究数值模型,针对三峡水利枢纽工程运行所引发的水沙变异过程,初步探讨了荆江典型河道横向调整及河势变化对水沙条件变化的响应。对于下荆江石首河段来说,来沙减少后,冲刷加剧,局部河岸坍塌及平面变形加剧,主要发生在受弯道水流顶冲的位置,但河势演变趋势及平面变形总体上基本一致,并未发生较大变化。对于上荆江沙市—新厂河段来说,来沙量减小后,河道平面变形幅度总体上减小,局部最大减幅可达50%左右。     

水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中非粘性岸坡冲刷崩塌与河床冲淤交互作用过程及其影响因素,进一步分析塌岸淤床泥沙贡献率。试验成果表明,水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移掺混的交互作用反复循环过程。塌岸淤床模式及掺混程度与近岸流速、主流贴岸程度、水位及河床边界条件等关系密切。近岸流速越大、水位越高,岸坡总冲刷坍塌量、河床总淤积量以及河床累计淤积率也越大,稳定后的岸坡越趋平缓;河床可动程度越大,岸坡总冲刷坍塌量及其在河床上的总淤积量也越大,但河床累计淤积率却越小;水位越高,在弯道段等横向输沙强度较大的地方,岸坡冲刷崩塌体与河床发生掺混的程度也越大。     

长江荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系

长江是中国的“黄金水道”,通过系统性航道整治和疏浚维护,长江荆江河段航道水深已由2002年的2.9 m提升至2020年的3.5～3.8 m,但仍低于上游三峡大坝库区(4.5 m)及下游河段(4.5～6.0 m),航道水深与上下游不衔接且制约长江航道综合效益发挥。为了适应上下游航道水深,需提升荆江河段航道尺度,亟需明确航道水深资源、碍航特征与河道演变等关系。以长江荆江河段为对象,分析1960—2020年水沙及地形等资料,开展长江中游荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系研究。研究表明：三峡工程运行后荆江河段以枯水河槽冲刷为主,冲刷量占全部冲刷量的90.97%,江心洲和边滩面积减少18.3%,其中江心洲、边滩面积减幅分别为9.4%和24.9%;在河床冲刷与航道整治工程实施条件下,以4.5 m×200 m(水深×宽度)进行航道尺度核查,荆江河段碍航总长度占全河段5.3%;4.5 m水深碍航特征包括砂卵石河段枯水位下降幅度高于河槽下切深度引起航道水深不足,沙质河床内弯曲河段“凸岸侧边滩冲刷、凹岸侧深槽淤积”引起滩槽形态及航道边界不稳定,以及分汊河段内洲滩萎缩与汊道间不均衡冲刷引起枯水航路不稳定...     

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。     

荆江河段泥沙冲淤对三峡水库汛期排沙的响应

三峡水库汛期排沙研究大多关注库区的减淤效应,对坝下游河道的冲淤影响尚需进一步研究,对优化水库调度和河道保护利用具有重要意义。以三峡水库下游荆江河段为对象,建立了荆江长河段二维水沙数学模型,并结合实测资料分析,基于三峡水库2018年7月排沙调度,通过设置不同的排沙比(7%～100%),计算分析了荆江河段冲淤对三峡水库排沙比的响应。结果表明：虽然荆江河段全年总体冲刷,但排沙比较大时汛期仍可能淤积,上荆江河段受排沙调度影响相对较大;总体而言,2018年汛期水沙条件下,30%左右的排沙比是荆江河段洪季冲淤的临界点;排沙比提高后,汛期淤积部位大部分为边滩等缓流区,以及弯曲河段凹岸等,主槽仍冲刷,对维护滩槽高差具有积极意义。     

不同含沙量水流对河床形态调整影响的实验研究

水沙条件变化后河床形态的调整是河流地貌学中一个极为重要的问题.但国内外学者基于不同的含沙量变化范围得出的结论刚好相反.采用过程响应模型实验方法,研究和验证了河床形态调整对于不同含沙量水流过程的复杂响应现象,从实验的角度部分地修正了Schumm关于水沙条件变化后河床形态调整方向的定性预测关系.     

三峡工程运用对近期荆江段平滩河槽形态调整的影响

针对近期荆江段河槽形态的显著调整,定量研究了三峡工程运用对其造成的影响。计算了2002—2013年该河段断面及河段尺度的平滩河槽形态参数,并建立这些参数与宜昌站汛期水流冲刷强度的经验关系。还原了在无三峡工程时宜昌站的水沙数据,计算了相应的河槽形态参数,分析了有、无三峡工程时荆江段河槽形态调整的差异。计算结果表明:三峡工程运用后近期荆江段平均河床比降略有调平,河段平滩水深逐年增加,但平滩河宽变化较小,使得河相系数减少6.7%~10.3%;无三峡工程时平滩河槽形态调整较缓,河段平滩水深及面积的增幅分别仅占有三峡工程时的16%和18%。故三峡工程运用没有改变近期荆江段河槽形态趋于窄深的调整趋势,但一定程度上加快了调整过程。     

黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化

为全面描述黄河口尾闾段的河床形态调整及过流能力变化,采用河段平均的计算方法,确定了尾闾段(利津—西河口)1990—2016年汛后断面及河段尺度的平滩特征参数,分析河段平滩河槽形态调整特点、河段平滩流量变化过程及其与累积河床冲淤量的关系。结果表明:近30年来黄河尾闾段的河床形态调整过程较为复杂,河相系数在1990—2003年呈振荡式升高,2003年以后持续减小,说明断面形态朝窄深方向发展;平滩流量变化与河段冲淤过程密切相关,淤积时平滩流量减小,反之则增大;建立这些河段平滩特征参数与利津站前4年汛期平均水流冲刷强度的幂函数关系,且相关系数均大于0.8,说明黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化能较好地响应利津站水沙条件的改变。