地球自转速率变化与河道演变及泥沙灾害关系初探

丰沙期及低频率、高强度洪水往往酿成泥沙灾害和洪涝灾害。地球自转变化是影响河道演变与诱发泥沙灾害的重要的自然因素,由长江、黄河及淮河的部分水沙资料及地球自转日长变化资料的初步分析表明,当地球自转由加速转向减速时,黄河下游出现枯水、少沙时期,长江中下游及淮河出现高频率、低强度洪水;而地球自转由减速转向加速时,黄河下游出现丰水期和中、丰沙期,长江与淮河出现低频率、高强度洪水,长江下游处于切滩旺盛期。在地球自转变化的转折点之间,河道处于相对稳定演变阶段,一般不会发生严重的洪涝与泥沙灾害。     

黄河下游游荡段不同畸形河湾的演变特点

1980s中期以来,黄河下游游荡段经常出现畸形河湾,分析其演变过程及特点对游荡段治理具有重要意义.本研究采用黄河下游游荡段的遥感影像和实测断面地形资料,描述了不同畸形河湾的演变过程并分析其河湾形态参数和断面形态的变化.研究表明,黄河下游游荡段的畸形河湾具有演变周期短、扭曲程度较大和易发生自然裁弯等特点.游荡段不同位置畸形河湾的演变特点不同：游荡段上段的畸形河湾演变缓慢,裁弯历时长;中段的畸形河湾演变速率较高,河湾扭曲程度大;下段的畸形河湾演变速率高,容易发生自然裁弯.河湾形态参数可反映畸形河湾的演变过程,其变化特点与畸形河湾的形成和裁弯过程相对应.在畸形河湾形成过程中,曲率半径和河湾间距减小,弯曲度、水流夹角和河湾振幅增大.游荡段3个畸形河湾弯曲度的最大值分别为1.20、2.10和1.61,反映了不同畸形河湾的扭曲程度.“Ω”形畸形河湾裁弯后的曲率半径、水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其演变过程中最值的605%、59%、27%和133%.“M”形畸形河湾裁弯后水流夹角、河湾振幅和河湾间距约为其最值的37%、83%和152%.在畸形河湾形成时期,伊洛河口断面位于畸形河湾凹岸侧的滩地以94 m/a的速率崩塌.裁弯后,河槽冲刷,两岸滩地崩退,河槽展宽速率为148 m/a.河床底部的冲刷从深泓点逐渐向两边发展.     

坡面植被恢复对沟道侵蚀产沙的影响

根据黄土高原不同地理空间林、草分布的宏观格局, 从主要产沙区的环境背景分析了黄河中游宏观坡、沟治理关系, 及自然、人类活动因子在侵蚀产沙中的权重. 根据目前黄土高原小流域的综合治理现状和水土保持坡、沟措施配置方案, 探讨了植被恢复对沟道侵蚀产沙的影响及植被减沙的效益. 黄河中游多沙粗沙区产沙模数与自然和人类活动的侵蚀环境背景的综合影响密切相关, 暴雨、垦殖率、林木覆盖率是影响多沙粗沙区产沙模数的主要因子. 退耕还林、草, 减少垦殖率、增加林草植被是抑制多沙粗沙区侵蚀的关键. 小流域治理必须坚持坡、沟兼治、生物与工程措施相结合的治理方针. 工程措施在坡面植被恢复初期具有重要作用, 杨家沟的典型案例表明植被恢复可以使沟道侵蚀产沙减少75%以上.     

流域因素与人类活动对黄河下游河道输沙功能的影响

从泥沙收支平衡的概念出发定义了河道的输沙功能, 提出了河道输沙功能的定量指标, 研究了流域自然因子和人类活动对黄河下游河道输沙功能的影响. 这种影响可以用不同水沙来源区的降水量、进入黄河下游的大于0.05 mm粗泥沙占来沙量百分比、黄河上游水库对汛期清水基流的调节程度(以兰州站汛期径流量占全年百分比表示)、高含沙水流频率、流域内水土保持措施实施面积等来定量表达. 运用多元回归分析方法, 建立了黄河下游河道输沙功能指标与上述7个因子之间的多元回归方程. 表明不同水沙来源区降水量的减少对下游河道输沙功能的影响是不同的. 河口镇以上清水区和龙门至三门峡之间年降水量减少, 将导致下游河道输沙功能指标降低; 河口镇至龙门间降水减少, 将导致下游河道输沙功能指标增高. 来沙的组成强烈地影响下游河道输沙功能指标, 进入黄河下游的大于0.05 mm粗泥沙占来沙量百分比越大, 则河道输沙功能指标越低. 因此, 小浪底水库拦截粗泥沙、排出细泥沙, 将有利于提高下游河道输沙功能指标. 兰州站汛期径流量占全年百分比越低, 下游河道输沙功能指标越低, 说明黄河上游水库大量拦截汛期清水基流, 是下游河道输沙功能降低的原因之一.     

植被-侵蚀动力学的初步探索和应用

植被侵蚀动力学是一个新的边缘学科, 研究流域植被与侵蚀在人类活动影响下的演变规律. 讨论了作用于植被的各种生态应力, 给出了定量表达式并且统一在植被-侵蚀动力学方程组中. 推导得出了动力学方程组的理论解并且用于模拟黄土高原安家沟流域和云南小江流域的植被侵蚀演变过程, 结果表明动力学方程组精确地模拟了实际演变过程. 利用动力学方程组和特征参数作出了植被侵蚀状态图, 由此可以预测在停止人类干预后的植被发展趋势, 说明了有效治理所需的治理强度和控制侵蚀对植被发育的重要性. 植被侵蚀状态图还说明在雨量较丰、气温较高的云南高原小江流域, 减少侵蚀是改善植被的重要措施, 植被改善后比较稳定. 而在比较干旱、水土流失严重的黄土高原上, 增加植被能够明显地减少侵蚀, 但控制侵蚀对于促进植被发育没有太大的作用. 即使植被已经大大改善, 仍然不稳定, 还需要不断地护理才能维持植被的良性发育.     

近1200 a来黄河下游梁山泊沉积记录的环境变迁

利用梁山泊670 cm柱状岩芯沉积物,基于精确的AMS-~(14)C年代测定,通过高分辨率的粒度、磁化率、总有机碳、C/N比值等环境代用指标的综合分析,并结合历史文献记载,初步揭示了1200 a来黄河下游地区平原湖泊沉积特征及环境演化历史.结果表明,梁山泊环境演化大致分为5个阶段:790-940 AD期间,为低湖面的沼泽沉积环境,气候冷干;940-1215 AD期间,屡次受到黄河决溢洪水影响,湖盆扩张,湖泊水位上升,为梁山泊极盛期,气候暖湿;1215-1310 AD期间,黄河夺淮入黄海,湖区淤积严重,湖泊萎缩减小;1310-1470 AD期间,再次受到黄河决溢洪水影响,水位上升,面积扩张,但逊于极盛期;1470 AD至现代,黄河河道进一步南移,远离梁山泊,湖盆淤积抬高,梁山泊最终消失,直到1855AD,黄河第6次大改道北移,湖泊再次受到黄河洪水影响,由于前期受到泥沙淤积抬高,该地区仅作为黄河泥沙承载区.在气候变化大背景下,黄河改道决溢是梁山泊演化的主因.     

强烈下渗条件下天然河道洪水演进模拟方法

河道洪水演进模拟是河道洪水预报与汇流计算的主要内容和关键.对于常年断流、河水与地下水长期处于脱节状态的河道,一旦行洪下渗非常强烈,渗漏量很大.不考虑河道下渗洪水演进模拟模型,无法准确模拟真实的洪水运动行为,不能用于洪水模拟预报.本文采用土壤下渗理论描述河道下渗,推导出了河道下渗流量计算公式,建立了基于霍顿下渗公式的河道下渗模拟方法;并把下渗当做单位区间出流,与基于马斯京根康吉法天然河道洪水演进模型进行耦合,构建了强烈下渗条件下天然河道洪水演进模拟模型.针对天然河道水力特性复杂特点,研究了洪水演进模型参数确定方法和波速计算方法.海河流域漳卫河水系岳城水库-蔡小庄段的典型场次洪水应用结果表明,模型能很好反映强烈下渗条件下洪水演进实际情况,具有很高模拟精度,基于土壤下渗理论的下渗量计算公式和模拟方法可以很好地模拟河道下渗过程.这一模型具有计算简便、参数确定简单、适合于洪水预报等特点,在干旱和半干旱地区河道洪水演进模拟预报与河道汇流计算中也具有一定的推广应用价值.     

“驯服”黄河

黄河是中华民族的母亲河,她孕育了灿烂的中华文明,也养育了一代代的中华儿女。她流经中国腹地,炎黄子孙既得益于黄河与黄土的哺育而生息繁荣,又受害于黄河与黄土相伴,造成的黄河下游河道“善淤、善决、善徙”而治水不止。在中华民族生存发展史中,有很大篇幅都与黄河治理有关。治理黄河的故事,从神话就开始,大禹治水的传说就是治理黄河的故事。历史上涉及治理黄河的人物有：夏禹、郑国、贾让、张戎、王景、司马孚、姜师度、刘晏、欧阳修、司马光、王安石、宋用臣、苏辙、都实、周用、万恭、潘季驯、杨一魁、朱之锡、靳辅、陈潢、高斌、郭大昌、栗毓美、林则徐、吴大澄、张曜,等等。中国最早的灌溉工程,首推就是黄河流域的滮池（在今陕西省咸阳西南）,《诗经》中有“滮池北流,浸彼稻田”的记载。     

特大洪水对浅水湖泊磷的影响:以2016年太湖为例

2016年太湖发生特大洪水,水位达到历史第二,入湖水量比平均年多60.8亿m³.而从2016年开始太湖磷指标改变了2010年以来平缓下降的趋势出现回升,也就是出现所谓“磷反弹”的问题.为了研究磷反弹和特大洪水之间的关系,本研究从2016年入湖水量、水质、磷通量、水中磷存量以及磷在太湖中的迁移过程出发,对大洪水前后太湖磷的变化进行分析.结果表明：洪水期间入湖河道带来大量的磷是引起磷反弹的主要原因.由于洪水的影响,2016年磷净入湖通量比往年平均水平多出579.2 t,约达到1683.0 t.其中,两次洪水贡献极大,约占全年水平的50%（6-7月和10月的洪水分别带入580.5和268.2 t磷）.磷反弹的另一个原因在于太湖存在较高的磷滞留率,磷在入湖后很难经由出湖河道排出.从入湖后磷的归趋上看,洪水过程中高磷浓度水块尽管存在由太湖西北部向东、南部迁移的过程,但途中水体磷浓度出现显著降低（即滞留现象）,导致高磷浓度水块未能到达出湖排泄区（太浦港、望虞河等）.全年净入湖磷通量中仅有小部分（205.3 t）直接引起水体磷浓度上升,而其余的大部分则滞留于底泥之中,明显高于往年水平.2016年滞留在太湖内的磷很可能破坏了往年底泥-上覆水的磷平衡,对后续水质的变化产生间接的影响.     

上游干支流洪水相关性对下游洪水频率分布的影响——以鄱阳湖抚河为例

较大流域下游的洪水往往是由上游干支流洪水叠加形成,而上游洪水变量一般会存在一定的空间相关性。为揭示流域不同来源洪水相关性对下游洪水频率分布特征的影响,本文选取江西省抚河流域作为研究实例,通过广义回归模型构建下游洪水变量对上游干支流洪水变量的条件分布,以此刻画上下游洪水变量之间的关系,然后基于二维Copula函数建立上游干支流洪水变量的联合概率分布,最后由全概率公式推导出下游洪水频率分布,在此基础上,进一步探讨上游洪水变量相关性对下游洪水频率分布特征的影响。结果表明,本文提出的洪水频率分布推导法对抚河李家渡站的洪水频率分布具有较好的拟合效果;上游洪水变量相关性是影响下游洪水频率分布的重要因素,具体来说,相关性的强度与尾部相关性对下游洪水频率分布的均值没有影响,但均对偏态系数C_v与峰度系数C_s等高阶统计特征有较为明显的影响,下游洪水频率分布的C_v值会随上游洪水变量相关性的增强呈现增加趋势,上尾相关性越强,C_v和C_s越大;流域上游洪水变量相关性强度及上尾相关性的增强都会导致下游极端洪水风险升高,此外,重现期较长的极端水文设计值对上游洪水变量相关性的变化更加敏感。     

三峡工程运行前后的长江中游河段冲淤变化(1975-2017年)

气候变化和流域人类活动等综合影响改变了河道演变的自然进程,尤其是流域大型水库的影响,深刻改变了下游的水沙通量与河道演变过程及趋势.以三峡工程为对象,研究坝下游水沙通量及河道演变过程对三峡工程运行的响应关系,可加深大型水利枢纽运行对下游河道演变影响的认识.本文以长江中游河段（宜昌-湖口河段）为研究对象,分析1975-2017年河道冲淤变化,结果表明：近40年来,长江中游河床已发生了累积性的冲刷,近坝段砂卵石河段冲刷强度先增强后减弱,沙质河段冲刷强度呈增强态势.三峡工程运行后不同河型演变特征归纳为：分汊河段江心洲以冲刷为主,上荆江河段内实施的航道整治工程稳定了江心洲形态,但面积受清水下泄的影响呈减小态势,枯水期主汊分流比呈减小态势,部分汊道发生了主支汊交替变化;下荆江及下游分汊河段江心洲面积虽然交替变化,整体上航道整治工程控制了江心洲规模;弯曲河段凸岸侧边滩以冲刷为主,急弯段的凹岸侧深槽淤积,微弯段凸岸边滩冲刷,对应的凹岸侧深槽相对稳定.     

从明代河泊所的置废看湖泊分布及演变──以江汉平原为例

成本以一种执行经济功能为主的税收机构－河泊所为切入点,探讨了明初江汉平原中小湖泊的分布及明中后期该类湖泊的淤塞演变过程,揭示出江汉湖群演变的时间特点和空间规律。时间特点：成化（１４６５年）以前,淤积缓慢;成化至弘治间（１４６５～１５０５年）,淤积加快,但淤塞仍轻;正德末（１５１７－１５２１年）以后,众潮群迅速淤浅、淤废,直至明末。空间规律：汉水泥沙自上游向下游依次淤积;江水泥沙先自上游向下游淤积,     

1993年太湖流域的洪涝灾害及水利工程的作用

1993年汛期太湖最高水位高居建国以来的第3位,仅次于1991年和1954年,达到4.51m(平均水位,下同),局部地区发生了洪涝灾害。本文对1993年太湖流域汛期的雨情和水情做了论述,并对1993、1991、1954年三个典型大水年的降雨和洪水特征作了比较。同时,还对洪涝灾害和水利工程的作用进行分析。太湖流域的雨季一般为5—7月,但是1993年汛期的降雨在时间上的分布有些异常。降雨集中在8月,而河道最高水位则出现在8月下旬。降雨的空间分布有以下3个特征:(1)上游地区的降雨集中在浙西山区;(2)太湖湖区的降雨量很大;(3)下游地区的降雨集中在淀泖和杭嘉湖地区。淀泖和杭嘉湖地区一些水位站的实测河道水位,比发生大洪水的1991年还要高。发生洪涝灾害的原因可归纳为,上游地区洪水来量大,当地的降雨强度高,以及下游河道排水不畅通。为了改进防汛调度和完善治理规划,需要对不同典型洪水年份的降雨和洪水模式做进一步研究。     

断层水平错动下河流演变过程的数值模拟研究

在活动构造区, 河流地貌对构造活动具有明显的响应, 地貌形态和水系形态能够很好地记录构造活动信息。 基于地貌演化理论, 考虑断层的左旋错动作用及降雨等因素, 利用数值模拟方法, 定量研究河流形态在断层水平错动及流水侵蚀内外力作用下的动力学演变过程。 初步的计算结果显示了河流形态与断层走滑运动的耦合效应。 断层发生水平左旋滑动促使该处河道两侧的陡坎发生相对错动, 形成弯转水系, 伴随河流的侧向侵蚀作用, 河道上下游连续被拓宽, 河道下游右侧堆积了较厚的沉积物, 而河道上游左侧由于受到较强流水侵蚀作用很难堆积沉积物。 分别对河道上游和河道下游的横剖面形态进行对比分析, 表明由于断层水平错动效应, 使得河道下游两侧呈现不对称特征, 而河道上游依然保持着明显对称性。 同时, 河道剖面形态对断层水平错动作用有积极的响应, 由于断层持续左旋走滑运动, 断层处剖面的高程突然增加, 坡度也随之突然变陡。 数值模拟结果与实际地质考察结果有着很好的一致性, 证明了理论和数值模型的可靠性。     

白格堰塞湖对金沙江水沙及梯级水库运行的影响

2018年金沙江上游白格滑坡造成了近百年来最为严重的干流堵江事件,堰塞湖的形成和溃决给下游金沙江干流河道的水沙条件及梯级水电站运行造成影响.本文依据堰塞湖附近临时观测和金沙江干流河道控制性水文站的相关资料,研究堰塞体泄流对下游河道水沙输移的影响,同时结合梯级水库调度情况,计算了梯级水库的拦沙量.结果表明,堰塞湖溃决在金沙江中游形成了超历史的水沙过程,金沙江中游梯级电站开展应急调度后,堰塞湖溃决造成的特大洪水被削减为一般洪水.金沙江中游梯级梨园、阿海和金安桥电站累积拦截泥沙约1400万t,龙开口、鲁地拉和观音岩电站共计拦截泥沙约43万t,滑坡体产生的泥沙仍有约74%滞留在堰塞体附近.若滑坡体泥沙全部输移至金沙江中游梯级水库内,梨园电站的有效库容极有可能不满足水库所需调节库容的要求.     

复杂河道洪水预报系统研究——以淮河王家坝至小柳巷区间流域为例

随着社会经济的快速发展,洪水灾害造成的损失日益严重.洪水预报作为一项重要的防洪非工程措施,对防洪、抗洪工作起着至关重要的作用.淮河洪水危害的严重性和洪水演进过程的复杂性使得淮河洪水预报系统的研究长期以来受到高度重视.本文以王家坝至小柳巷区间流域为例,以河道洪水演算为主线,采用新安江三水源模型进行子流域降雨径流预报,概化具有行蓄洪区的干流河道,进行支流与干流、行蓄洪区与干流的洪水汇流耦合计算,采用实时更新的基于多元回归的方法确定水位流量关系,并以上游站点降雨径流预报模型提供的流量作为上边界条件、以下游站点的水位流量关系作为下边界条件,结合行蓄洪调度模型,建立具有行蓄洪区的河道洪水预报系统,再与基于K-最近邻(KNN)的非参数实时校正模型耦合,建立淮河中游河道洪水预报系统.采用多年资料模拟取得了较好的预报效果,并以2003和2007年大洪水为例进行检验,模拟结果精度较高,也证明了所建预报系统的合理性和适用性.     

利用HEC模型分析下垫面变化对洪水的影响——以伊河东湾流域为例

近些年,由于气候变化和人类活动的双重作用改变了流域下垫面的水文特性,探讨研究下垫面变化的水文响应过程具有重要的理论和现实意义.河南伊河洪水虽然量级不大,但发生几率较高,对水库运用和河道冲淤的影响较大.如果洪水变小,伊河下游的造床流量也相应减小,水库控制中常洪水的流量及所需的防洪库容可做相应调整,反之亦然.因此,为了科学...     

黄土高原大理河流域水沙耦合模型应用研究

水沙模型是定量描述水沙关系及水沙规律的重要工具,现阶段国内外对于水沙模型的研究大都为基于某个典型流域的经验统计模型或基于流域大量基础资料的物理模型,极大限制了其使用范围及模拟精度.本文建立了结构与参数均具有物理意义的流域水沙耦合物理概念模型,其优点是物理概念清楚,模拟精度高,实用性强,易于深入研究泥沙基本规律.该模型将概念性水文模型和泥沙模型耦合,提出水流挟沙能力和土壤抗侵蚀能力概念,用对数曲线近似描述流域土壤抗侵蚀能力的空间变异性,在拜格诺河道水流悬移质泥沙公式基础上建立概念性沟蚀产沙公式,参照水流汇集相似性建立泥沙汇集演算公式.选取黄河中游大理河流域4个不同流域尺度的实际流域对模型进行应用检验,模拟结果表明,该模型的水流泥沙两部分均有很高的模拟精度,可以很好地模拟黄河中游地区不同流域尺度和年际尺度上的洪水过程和泥沙产生及输移过程,充分证明了该模型结构、参数和计算方法的合理性,可用于定量分析流域内各项水保措施的减水减沙效益及水沙关系变化趋势,对该模型的推广应用可做进一步分析研究.     

黄河上游积石峡古地震堰塞溃决事件与喇家遗址异常古洪水灾害

黄河上游积石峡史前时期发生了一次严重的堰塞事件,形成了水体达11.71×10^8m^3的古堰塞湖;山体崩塌是黄河发生堰塞的直接原因,而地震则很可能是触发山体崩塌的关键因素.堰塞湖在形成后不久即发生了部分溃决,造成了洪峰近35000m3·s^-1的异常洪水,相当于该河段万年一遇洪水流量的3倍多;残余堰塞湖则因泥沙的逐渐淤积而消亡.年代学研究表明,这一堰塞及溃决事件发生在大约1730B.C.,与其下游25km处黄河岸边喇家遗址毁灭的年代一致.根据该遗址在很短的时间内先后毁灭于地震和洪水,可以推测积石峡黄河古堰塞溃决事件与喇家遗址的毁灭存在密切的联系.流量-水位关系的计算则表明,黄河上游万年一遇的洪水不能淹没喇家遗址,而积石峡古堰塞湖的溃决洪水则完全可以将喇家遗址毁灭.因此,毁灭喇家遗址的异常洪水并不是气候变化造成的洪水,而是由强烈地震所诱发的堰塞湖溃决洪水;也就是说,地震及其次生堰塞湖溃决洪水共同毁灭了喇家这一齐家文化的重要遗址.这一发现和研究对认识史前人地关系具有重要的意义.     

泥石流坝后侵蚀坑纵剖面形态及最大深度实验研究

泥石流拦砂坝坝后侵蚀坑形态和深度是泥石流冲刷基础研究的薄弱环节。通过室内水槽实验,探讨了泥石流坝后侵蚀坑的形态和不同实验控制条件下侵蚀坑深度的变化规律等。由实验观察可知,侵蚀坑纵剖面整体上呈现两端浅中间深的形态特征,其最深点的位置随水槽坡度增大向下游方向发展;侵蚀坑坑内上游坡度较下游坡度陡,对于具有相同级配的粘性砂和无粘性砂,无粘性砂的侵蚀坑坑内坡度较粘性砂的缓;侵蚀豌的最大深度受沟床纵坡、泥石流的容重、沟床组成物质的性质（特征粒径、粘性）等因素的影响较大;泥砂粘性的存在将大大削弱侵蚀的深度。