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。     

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。     

黄河下游游荡河段河床演变对河道整治的响应

为预测黄河下游游荡性河道大规模整治后对河床演变的作用,基于河流动力学理论,通过物理模型试验的方法,以黄河下游游荡性河道典型河段为对象,研究了河床过程对河道整治的复杂响应关系。研究结果表明,河槽横断面形态的调整与人工边界约束程度、流量变差及含沙量变差有关;只要整治工程体系平面布设合理,整治工程量达到一定规模后,通过河道整治,可使河槽横断面形态趋于窄深方向发展,促使游荡型河道向限制性弯曲型河道转化,同时,河道泄洪输沙能力有所提高;河道整治后,不同河段的比降调整不会平行进行。     

黄河下游游荡性河道河势调整关系研究

通过黄河下游游荡性河道典型河段河势观测资料,统计分析了河势的调整关系。研究表明,尽管游荡性河道河势多变不定,但主流线在河宽方向的摆动位置仍有一定的统计规律可循;主流线弦高与弦长之间的调整符合弓形参数间的一般函数关系;随主流线长度增加,弯曲半径不会无限制减小,将会趋于某一相对稳定状态;弯曲系数与主流线长度、弯曲半径之间的统计关系表征了黄河下游游荡性河道河势易出现陡湾且易坐小湾坐陡湾的特性;弯曲半径与河面宽之间具有一定的相关趋势,河面越宽,弯曲半径增加的可能性越大。     

近期黄河下游游荡段滩岸崩退过程及特点

小浪底水库运行后,黄河下游游荡段河床冲刷剧烈,滩岸崩退过程较为显著。估算典型断面的滩岸崩退过程,不仅有助于全面掌握该河段的河床演变规律,同时也能为河道整治及规划等提供相关参数。以1999—2013年游荡段典型断面(水文断面及淤积断面)汛后实测地形资料为基础,确定了这些断面平滩河宽的调整过程,发现多年平均崩退速率最大达215 m/a;分析了影响滩岸崩退过程的不同因素,发现滩岸土体组成及力学特性、滩槽高差等因素虽对崩退过程有一定影响,但来水来沙条件是主要影响因素;分别建立了游荡段水文断面及淤积断面滩岸累计崩退宽度与前期5年平均汛期水流冲刷强度之间的经验关系,相关系数都在0.85以上。公式计算值与实测值吻合较好,可用来估算游荡段典型断面滩岸的崩退过程。     

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。     

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。     

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。     

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.     

黄河宁蒙河段凌情特性研究

统计分析了黄河宁蒙河段1950-2004年流凌、封河、开河日期特征值,并对河道最大槽蓄水增量作了初步分析。研究表明宁蒙河段开河时一般从上游向下游解冻,河槽蓄水量沿程不断释放并加入,使开河时凌峰流量沿程增大;凌情的发生、发展及消失演变的过程,主要取决于河道形态(地理位置、走向及边界特征)、水文条件和气象条件以及人类活动等因素;水库的运用对凌情的演变有重要影响。     

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%.     

黄河内蒙古河段平滩流量与有效输沙流量关系

从水沙组合的角度出发,建立了基于水沙二维向量组合的频率统计方法,并在此基础上提出了有效输沙流量的计算方法。根据黄河内蒙古河段巴彦高勒站1954-2006年日水沙资料及汛后平滩流量资料,采用上述有效输沙流量计算方法计算得到了各年有效输沙流量及相应含沙量组合,进而分析了平滩流量与有效输沙流量及有效来沙系数之间的关系。结果表明,巴彦高勒站平滩流量调整分别受到包括当年在内的前期12年来水来沙条件的影响。     

黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性

黄河下游漫滩高含沙洪水河床调整剧烈,多数断面洪水后形成"相对窄深河槽",洪水前后河槽宽度发生明显变化。分别以观测断面洪水前后的河槽宽度为基准,计算漫滩高含沙洪水期泥沙时空沉积分布,结果表明,漫滩高含沙洪水与非漫滩高含沙洪水相比,能将主河槽内淤积泥沙量的59.3%搬运至嫩滩或滩地,减缓主河槽淤积。在分析研究基础上,建立了洪水后漫滩河段河槽相对缩窄率与洪水前期河槽宽度的量化关系,洪水后主槽宽度缩窄率为15.5%~44.0%;分析遴选了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与主要水力因子间关联度及物理含义,给出了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与相应水力因子间的响应函数;初步提出漫滩洪水河道塑槽淤滩的临界水沙配置指标,临界水沙系数取值为0.025~0.040。成果对高含沙洪水调控具有一定的指导意义。     

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。