黄河龙门—潼关河段“揭河底”洪水特性初步分析

“揭河底”是黄河干支流上伴随高含沙水流所发生的河床强烈冲刷现象。据实测资料统计，分析，龙门站较大洪水的洪峰和洪量多由顺堡以上来水为主组成，但以吴堡以下来水为主的高含沙洪水发生“揭河底”现象的机率更高。“揭河底”可使主槽产生冲刷，滩槽高差加大，从而增大了主槽过洪能力。     

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。     

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.     

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.     

黄河上游干支流交汇区沙坝淤堵形成条件

针对黄河上游干、支流交汇区形成的沙坝淤堵事件,利用野外观测资料,分析了支流高含沙洪水特性及交汇区沙坝淤堵特点,探讨了汇流比(支流流量与干流流量之比)、支流洪水水量、支流洪水沙量等因素对沙坝淤堵形成的影响;根据动量原理建立了交汇区形成沙坝淤堵的判别关系,结合黄河上游干、支流洪水输移特性,得出了基于汇流比与支流洪水水量关系及支流洪水沙量与支流洪水水量关系的沙坝淤堵判别条件。由此,可根据汇流比、支流洪水水量及沙量判断交汇区能否形成沙坝淤堵,可为暴雨洪水期黄河上游交汇区形成沙坝淤堵灾害的预报及防治提供参考。     

黄河中游汛期水沙联合分布模型及其应用

为在宏观上对黄河中游水沙运动的变化规律从随机过程的角度予以揭示,以黄河中游潼关水文站1952-1998年期间流量超过6 000m3/s的次洪过程中的洪峰流量和相应的沙峰含沙量系列为基础,运用Copula函数方法构建了黄河中游汛期水沙联合分布模型并对其应用进行了探讨.结果表明:在水沙丰枯同步频率中,同丰的频率略大于同枯的...     

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。     

黄河中游区水沙时空分布及衰减分析

对黄河中游区水沙序列进行了分阶段季节统计分析，对比研究了２０多个流域的雨～水－沙关系，计算了各阶段水沙衰减量以及由于雨水衰减影响和水土保持工作影响的减沙量所占比重，对比分析了不同流域水沙变化状况，结果表明，８０年代以来，绝大多数站年输沙量大幅度衰减，主要是水土保持（包括水利工程措施）发挥了作用。     

黄河下游假潮一般规律及对水沙量平衡影响的分析

根据黄河下游山东河段各水文站的实测资料，分析了黄河下游“假潮”现象的一般规律及对水沙量平衡的影响，并对改进水文测验和资料整编方法提出了建议。     

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%.     

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。     

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。     

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.     

清代黄河中游、沁河和永定河入汛时间与夏季风强度

利用清政府布设在黄河中游三门峡万锦滩、沁河下游木栾店以及永定河下游石景山、卢沟桥的志桩水位记录,以首次涨水超过0.64m作为汛期建立的标志,在候尺度下恢复了其汛期建立时间距平序列。黄河中游、沁河下游和永定河下游序列分别开始于1766年、1736年和1761年。研究时段内,黄河中游和沁河下游平均在7月6~10日入汛、永定河则在7月16~20日。永定河相对较为稳定,显示出其上游雨季开始时间基本维持在7月初,而黄河中游和沁河却波动较大,早晚相差达3个月;黄河中游与沁河入汛距平波动的同相位现象在19世纪中期之后比较明显。1870~1900年代黄河中游、沁河和永定河入汛普遍延迟1个候左右,对应于黄土高原夏温偏低的时期;1820~1860年代黄河中游、沁河入汛偏早,则对应了黄土高原夏温偏高。     

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。