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.     

黄河下游河道输沙功能的时间变化及其原因

以输出某一河道的泥沙总量与进入这一河道的泥沙量之比来定义河道输沙功能,以此为指标研究了黄河下游输沙功能的时间变化。研究表明,近50年来黄河下游河道输沙功能表现出随时间而减小的明显趋势。在总的减小趋势中,由于水库运用方式与下游水沙组合的不同,河道输沙功能指标具有明显的差异,可以划分为6个阶段。1986¹997年,由于降水偏少,且人类大量引水,黄河下游进入连续枯水的水文系列,河道萎缩,输沙功能迅速降低,此时段中输沙功能指标的时段平均值为0.62,为有水沙记录以来最低的时期。对于黄河下游输沙功能指标与流域因子和河道特性因子的时间变化系列进行了比较,以揭示输沙功能减小的原因。结果表明,黄河下游河道输沙功能指标与流域平均年降水量、兰州站和三门峡站汛期径流占年径流百分比、游荡段典型断面平滩水位下断面面积、花园口站和高村站水面比降等因子有同步减小的关系,并随流域水土保持面积、人类引水量及其占天然径流量比率的增大而增大,说明这些因子的变化导致了黄河下游输沙功能的减弱。     

基于对Leopold-Wolman关系修正的河床河型判别

在广泛收集中国和世界上冲积河流资料的基础上,以近200条河流的大样本对著名的、国际上沿用40余年的 Leopold-Wolman关系,即用于河型判别的比降-流量关系进行了检验。结果发现,该关系不能用于包括砾石与砂质河床在内的河型判别。这是由于比降-流量关系主要反映砾石河床与砂质河床之间差异,其次才反映分汊与弯曲河型之间的差异。为此,对于Leopold-Wolman关系进行了改进,提出了以比降和河宽来判别河型的新关系。这一关系综合反映了河流在纵向上的能耗、阻力与输沙特性与在横向上的流场与环流分布特性的组合关系,因而具有更好的河型判别效果,可以用于包括砾石与砂质河床在内的河型判别。     

黄河中游支流悬移质粒度与含沙量、流量间的复杂关系

本文以黄河中游若干支流为例,研究了宽变幅水沙两相流河流悬移质泥沙的粒度特征。结果表明,宽变幅水沙两相流河流的悬移质泥沙粒度特征与含沙量、流量之间具有复杂的关系。就同一站点而言,随着含沙量和流量的增大,大于0.05mm的粗颗粒泥沙的百分比迅速减小,并达到最小值;当含沙量和流量进一步增大时,其百分比又迅速增大,表现出明显的双值关系。对于小于0.01mm细泥沙而言,情形正好相反。黄河中游不同的支流之间,悬移质泥沙粒度特征与年均含沙量的关系也是复杂的。这些变化图形可以用非高含沙水流与高含沙水流不同的物理力学行为来解释     

黄河下游2300年以来沉积速率的变化

采用沉积学方法提取沉积速率的记录,利用历史文献研究的方法提取气候与人类活动变化的信息,对黄河下游2300年以来的沉积速率的变化及其与气候、植被及人类活动的关系进行了研究,揭示黄河流域地貌系统对气候变化及人类活动所导致的土地覆被、土地利用方式变化的响应过程。研究表明,黄河流域地貌系统中的下游沉积带对于中游侵蚀带的响应是灵敏的,流域植被和土地利用方式的变化,是导致下游河道沉积加速的主导因素;这种变化主要取决于人类活动,同时与气候的变化也有一定关系。在沉积加速的过程中,公元7世纪至10世纪以及18世纪中叶以来,表现为两个突变时期。     

长江上游干支流悬移质含沙量的变化及其原因

河流含沙量的变化是流域自然与人文因子变化的反映。以长江上游干支流1956~2000年的水沙和降水资料为基础,运用时间系列分析和统计分析方法进行研究。研究发现,干流宜昌站和4条主要支流含沙量的变化不是同步的,4条主要支流含沙量的变化呈现出复杂变化图形。流域面平均年降水量的变化,仅能解释含沙量变化的15.86%~37.21%,说明气候因素的变化不是长江干支流含沙量变化的主要原因。运用双累积曲线分析方法,研究了人类活动 (如水库修建,交通、矿山和城市建设,水土保持,植被破坏和恢复等 )对含沙量变化的影响。人类活动影响在不同的流域有较大差异。与4条主要支流相比,长江干流宜昌站含沙量的变化较小,反映了尺度效应的影响。多元回归分析表明,屏山 、高场、北碚、武隆4站的年均含沙量变化对宜昌站年均含沙量变化的贡献率分别为28.5%、12.6%、44.2%和14.7%。     

黄河下游河道泥沙存贮-释放及其临界条件

确定了黄河下游河道处于泥沙存贮-释放临界状态的水沙临界条件。当场次洪水平均含沙量小于31.68 kg/m³,或者来自中游多沙粗沙区场次洪水来沙量小于4 543×10⁴ t,下游河道将由泥沙存贮状态变为泥沙释放状态。当河口镇以上清水区径流占场次洪水总径流量比率大于0.70时,也会由泥沙存贮状态变为泥沙释放状态。场次洪水泥沙输移比随洪水平均流量的增到而增大,流量为4 000 m³/s(相当于平滩流量)时达到峰值,此后有所减少。这表明,平滩流量时泥沙存贮最少,低于平滩流量和高于平滩流量时泥沙存贮均增大。     

近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征

利用黄土高原及其附近地区99个站点逐日降水观测资料,分析了1956～2005年黄土高原年降水量、侵蚀性降水量、暴雨量的变化趋势和空间特征.研究表明:1956～2005年黄土高原降水在波动中呈现下降趋势,尤其自1980年年以来,降水减少趋势显著.黄土高原地区降水变化具有显著的空间差异,降水偏少最为显著区域位于黄河中游的河口-龙门区间,尤以无定河流域、汾河流域和山西中北部最为典型,年降水量和侵蚀性降水偏少10%以上.存在从北向南沿朔州-离石-临汾-三门峡一带的暴雨异常偏少地带,偏少在20%以上.     

黄河下游游荡段河床调整对于水沙组合的复杂响应

以黄河资料为基础,提示地包括非高含沙水流和高含沙水流在内的河道挟不流的复杂冲淤行为。由于这种复杂冲淤行为的作用和高含沙水流特殊能耗特征的影响,使得河床横断面形态及平面形态对于水沙组合的响应出现非线性特征,这可视为流水地貌系统复杂响应的又一表现形式。这种复杂响应不能用Ｓｃｈｕｍｍ的河床调整来解释,因而需要对这一理论作必要的修正。     

黄土高原区高含沙水流发生频率空间分异及其影响因素

以1964-1989年黄土高原区284个水文站的泥沙观测资料为基础,结合相应区域内自然条件与人类活动相关资料,运用空间分析及数理统计方法,研究了黄土高原区高含沙水流发生频率的空间分布规律,并分析了高含沙水流发生频率及其与各影响因素之间的关系。研究结果表明,黄土高原区高含沙水流发生频率高值区为带状分布,呈东北-西南向,且存在3个高值中心区,分别位于111°E、40°N,107°E、36°N和104°E、34°N附近;在分析各影响因素与高含沙水流发生频率关系基础上,进一步研究了多因素对高含沙水流发生频率的综合影响,结果表明,灌木林、丘陵旱地、有林地、黄土厚度、年平均降水量等主要影响因素对高含沙水流发生频率的相对贡献率依次为17%、4%、7%、30%、42%。