黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

黄河调水调沙的模式及其效果

黄河调水调沙就是利用干支流水库群对进入下游的水沙关系进行调节和控制,塑造出相对协调的水沙关系,以充分发挥下游河道的输沙能力,遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽．经多年研究,黄河水利委员会探索出了使下游河道不淤积的水沙关系,基于此种关系和黄河流域来水来沙条件,充分利用干支流水库,创立了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接、干流水库群水沙联合调度的黄河调水调沙三种基本模式．按以上三种模式进行了10次调水调沙,结果：黄河下游800km长河道主河槽平均下降1．5m,最小过流能力由1800m3／s提高到4000m3／s．同时,河口三角洲生态系统得以恢复和改善．     

黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

黄河下游河道场次洪水排沙比及其不确定性

根据冲积河流输沙率关系所确定的排沙比公式的结构,通过对黄河下游河道场次洪水表观排沙比资料的还原,回归建立了黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式,得到了排沙比95%预测区间,量化了场次洪水排沙比的不确定性.统计分析表明:(1)黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式可用进口来沙系数Sin/Qin作为唯一参量,进口来流量Qin不必作为第二参量;(2)回归模型的充分性在Sin/Qin0.003(即排沙比SDR2)和Sin/Qin0.003(即SDR2)时有明显不同,SDR=2和Sin/Qin=0.003可能是区分黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水尺度上不同输沙率关系的一个阈值条件.本文为分析黄河下游河道其它河段的排沙比关系提供了可用方法,并为黄河下游河道汛期输沙需水量的不确定性分析提供了基础.     

开潭水利枢纽河道行洪影响分析

采用无结构网格的有限体积法二维数学模型,模拟浙江省丽水市开潭水利枢纽工程建设对上游铁路大桥行洪的影响。根据河流的特点,采用四边形和三角形混合网格剖分,并耦合过闸的水力计算,对方程联立求解。结果表明该模型能较好地模拟河道的水流特性和涉水工程建设后的影响,成果为管理部门决策提供了依据。     

三峡工程泥沙问题解决途径与运行效果研究

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一,在三峡工程论证、设计、建设和运行的各个阶段,针对重大的工程泥沙问题进行了系统和持续的研究,提出了相应的解决方案.本文对三峡工程采用的减缓水库泥沙淤积与保持长期有效库容的运用方式、水库变动回水区港口与航道泥沙问题治理措施、枢纽引航道与电站引水防沙布置方案、坝下游河道长距离冲刷预测、河势变化及对航道影响的对策等进行了分析总结.2003年三峡水库蓄水运用以来水库淤积和坝下游河道冲刷情况分析表明:水库泥沙主要淤积在死库容,有效库容损失较少,库区航运条件得到大幅改善;坝下游河道发生长距离冲刷,冲刷强度不断向下游发展,河势总体基本稳定;长江中下游航道经过治理,航道维护水深有了较大提高.三峡工程泥沙问题的解决方案已得到初步检验,泥沙问题及其影响基本未超出论证与初步设计的预测.本文还对今后一段时期需要进一步研究的泥沙问题提出了建议,包括水库优化调度、坝下游河道冲刷、江湖关系变化和长江口演变等.     

论江河治理的地学基础——以长江中游为例

阐述了江河治理应充分遵从河流地学属性的观点, 从江河治理角度探讨了河流地学属性的定义与内涵. 从长江中游洪水蓄泄环境、洞庭盆地现代沉积特性、江汉盆地河湖地貌演变、中游河道分流特性及演变、荆江河道地质地貌特点等 5 个方面, 阐述了长江中游治理的地学基础. 基于长江中游的地学属性分析, 提出了对长江中游治理的几点认识: 结合退田还湖有计划地施行洞庭湖盆内“湖垸互换”; 利用荆江北岸古河道开辟中游分洪河道; 适度恢复江汉盆地对中游洪水的调蓄作用; 荆江河道的治理应置于长江中游地学环境的大背景下进行思考与规划.     

黄河下游漫滩洪水造床机理与水沙调控指标研究

本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,系统研究了黄河下游漫滩洪水的造床机理与水沙调控指标.结果表明:对于多沙的黄河,漫滩洪水最充分的发挥了水流动力的输沙造床作用,其削峰滞洪与淤滩刷槽的功效十分显著且不可替代.漫滩洪水的造床作用随着洪水漫滩程度的变化而明显不同,可分为三个阶段;漫滩初期,主槽输沙能力降低,淤滩刷槽作用尚未得到充分展现;漫滩中期,滩槽水沙交换充分,淤滩刷槽作用良好;漫滩后期,淤滩刷槽作用趋缓.综合考虑提高河道输水输沙能力与保护滩区防洪安全,提出的黄河下游有利漫滩洪水的水沙调控指标为:洪水漫滩参数1.4γ1.5、来沙系数ρ0.028,即按照目前下游河道主槽平滩流量为4000 m3/s,通过小浪底水库水沙调控,控制下泄洪峰流量5600~6000 m3/s、来沙系数小于0.028的漫滩洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道最有利.若控制下游河道不漫滩,通过小浪底水库水沙调控,建议下泄洪峰流量3500~4000 m3/s接近主槽平滩流量的洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道较为有利.     

水库泥沙分选及淤积控制研究

泥沙淤积是迄今制约水库长期利用和没有解决的重大问题之一．本文根据水库实测淤积资料、理论分析和数学模型计算等多方面证明了粒径d〉0．1mm粗沙会在水库回水末端特定位置或大江大河径流水库集中分选沉积．同时,从理论上证明了占入库比例很少的粗沙对大型河道型水库淤积三角洲坡面、最终冲淤平衡坡降和淤积程度有很大影响．在此基础上,作者提出在水库特定按固定河段持续挖粗沙以降低平衡淤积坡降、控制淤积和增加长期利用库容．三峡水库模型计算实例表明,年挖砂5000万t／a（三峡设计泥沙系列）或3000万t／a（蓄水前10年系列）可降低水库百年淤积量20％,回水末端淤积大幅度减少,水库平衡坡降减小25％～30％;水库50～100年基本趋于冲淤平衡,可避免长期、持续大量淤积的局面．同时,在黄河小浪底水库回水末端挖粗沙不但可减少水库淤积,而且还可拦截粗沙进入下游而降低黄河下游冲淤平衡坡降．在小浪底水库大量拦沙、冲刷下游河道所营造的相对良好河型基础上,可以期待长远只利用在现有水库拦截粗沙便可缓解或实现黄河下游河道不抬高．     

松嫩平原洪水资源利用引蓄水方式研究

以松嫩平原为背景,在河流水资源结构分析的基础上,提出了平原地区洪水资源利用蓄水模型。综合考虑需求、可蓄水量以及蓄水时可承受的风险等因素,将洪水利用状况划分为全蓄型和分蓄型。根据蓄水区蓄水前后防洪能力的变化,提出模型应用风险分析标准及其评估方法。并以嫩江下游大赉河段为例,选择代表性水文年进行分析,结果表明：从利用角度,按照生态、农业需水状况引蓄洪水,不仅能够缓解春旱,而且所产生的蓄水风险也可以承受;从防洪角度,能够大幅度削减洪峰流量,所蓄水量能够提高枯水期河道径流量,改善河流水资源结构。     

不同粒径组泥沙对黄河下游沉积的影响及其在黄河治理中的意义

以不同粒径组的来沙量和淤积量的资料为基础,建立了三门峡-利津河段的年冲淤量与进入下游河道的年沙量的关系,从中得到了下游河道泥沙从存贮到释放的临界值.这一临界值随泥沙粒径组的变粗而减小.三门峡-利津河段的年冲淤量与进入下游河道的年沙量的相关系数值,随泥沙粒径组的变粗而增大,即来沙越粗,来沙量与河道淤积的关系越密切.单位输入沙量的变化所导致的淤积量增加量,随着粒径的变粗而增大.研究表明,在已经对大于0.05mm粗泥沙来源区进行治理并取得成效的基础上,集中治理大于0.10mm粗泥沙的产出区,具有重要意义.     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪（ADV）施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

穿越河道天然气管道泄漏数值模拟

为了分析穿越河道管道泄漏后天然气在漏孔角度和河流速度影响下的迁移扩散规律,建立穿越河道天然气管道泄漏扩散的计算流体动力学(CFD)数值模型,利用FLUENT建模并模拟管道漏孔方向与水平方向夹角呈30°、60°、90°、120°和150°时不同河流速度条件下气体在河水中的扩散过程。结果表明,气体到达水面的时间和水平迁移距离随漏孔角度变化不敏感,而其与河流速度的关系为正相关。无量纲分析进一步证实了此结论。在此基础上,采用高斯非线性拟合得到气体水平迁移距离与河流速度和漏孔角度的定量关系式,其中拟合确定系数大于0.99。此结果可为穿越河道管道天然气泄漏风险评价和事故后应急策略的制定提供一定的理论指导。     

三峡区间入流对三峡库区洪峰的影响分析

三峡区间是长江上游暴雨多发区,其洪水是三峡库区洪水的重要组成部分.长江流域1954年大洪水期间,库区30天最大洪量中区间洪水的比例达13.2%,而区间特殊的地形条件造成区间的众多支流坡度大且流程短,汇流迅速,因此有可能对库区洪峰产生更大影响.目前区间水文站点较少,不能为评估区间入流对库区洪峰的影响提供足够的水文资料.文章选取1956~2000年间的880场洪水为研究对象,在三峡库区长江干流基于HEC-RAS建立了洪水演进数值计算模型,通过对比不考虑侧向入流的洪水演进计算所得洪水过程线和实测洪水过程线,定量识别区间入流对三峡库区洪峰的贡献量和贡献率,以及对峰现时间的影响,并统计分析不同量级洪峰样本中区间入流影响的变异性.采用4套不同研究机构的糙率参数,对比不同糙率参数方案计算结果的差异,分析糙率参数的不确定性对研究结果的影响.研究发现,区间入流对库区洪峰的平均贡献量为3524m3/s,平均贡献率为15.9%,不同场次洪水之间的变异性较大.其中对大于50000m3/s洪峰的贡献量平均为12000m3/s,最大可接近25000m3/s;贡献率平均为20%,最大接近50%.在统计意义上,较大洪峰中区间入流的贡献量及其变异性较大,贡献率及其变异性略大,区间入流贡献率大的洪水场次出现频率较高;区间入流可改变库区洪水过程线形状,使洪峰提前出现,对峰现时间的影响及其变异性随贡献率的增大而增大.以上结果表明三峡区间入流对库区较大量级的洪水过程有显著影响,为保证三峡大坝及其下游的度汛安全,需要采用更为先进的洪水预报技术延长区间洪水预报的预见期,提高预报精度.     

黄河下游洪水输沙效率及其调控

针对黄河下游洪水输沙的复杂性,根据1980～1998年实测洪水资料,以花园口-高村河段为例,建立了洪水输沙用水的人工神经网络模型.在此基础上,以提高洪水输沙用水效率为目标,根据控制原理对洪水输沙过程调控进行了模拟与仿真.根据洪水输沙的实际情况,系统设计中采用了开环控制和反馈控制两种不同的控制结构.开环控制系统中,对不同含沙量条件下洪水平均流量对输沙用水量的控制过程做了数值模拟;结果表明该河段流量对输沙用水量的调控作用明显受到含沙量的影响,当含沙量小于20kg/m3时,流量对输沙用水量减小有很好的调控作用.反馈控制系统中,对给定控制目标下河段入口断面含沙量和流量对输沙用水量的调节过程分别进行了仿真;结果表明如果设定合理的控制目标,花园口-高村河段洪水输沙过程可通过入口断面的含沙量和流量进行调控.最后,根据上述方法,对黄河下游其他河段洪水输沙进行了模拟与仿真.根据综合分析,黄河下游花园口以下河段水流含沙量为20 kg/m3时,适宜的调控流量范围是2390～2900 m3/s.     

平面二维河床纵向与横向变形数学模型

在分析不同类型土质河岸冲刷机理的基础上,改进了现有三类土质河岸冲刷过程的力学模拟方法.然后将仅能模拟河床纵向变形的平面二维水沙数学模型与建立在力学基础上的河岸冲刷模型结合,组合成平面二维河床纵向与横向变形数学模型.该模型不仅适合于模拟天然河道的洪水演进与河床纵向冲淤过程,而且还能模拟河床的横向变形过程,尤其能模拟黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的冲刷与崩塌过程.     

河流健康的概念及指标体系和评价方法

指出健康河流不但应当具有健康的生态系统,还应具有良好的社会服务功能;与生态河道和景观河道相比,健康河流兼有生态河道和景观河道的有益特征,具有更广泛的适用性;河流健康评价指标应当具备易于理解、便于定性或定量描述、便于监测、便于作为管理目标和拟定相应对策等特点。以此为依据,提出包括流量偏离率、水质综合污染指数、底栖大型无脊椎动物生物完整性指数、河流廊道连通性、河道稳定性、栖息地质量、缓冲带宽度、林草覆盖度、河流美景度和实际防洪能力等指标的河流健康评价指标体系及评价方法。     

汶川地震唐家山堰塞引流除险工程及溃坝洪水演进过程

本文介绍由汶川地震诱发的唐家山堰塞湖的风险分析、抢险工程措施以及除险效果.该堰塞体平均坝高105m,库容3.2亿m^3,估计溃坝洪水洪峰至少可达48000m^3/s以上,会对下游造成巨大灾难.为此,开挖了深13m、底宽8m的明渠,成功地实施了一次泄流除险工程.大坝以洪峰流量为6500m^3/s的一次洪水过程下泄了1.6亿m^3水量,残留库容仅0.897亿m^3,堰塞体形成了底宽平均大于100m新河道,可以安全下泄200年一遇的洪水.唐家山堰塞湖除险工程的成功实施为今后处理同类自然灾害积累了宝贵的经验和科学资料.     

三峡水库支流河口淤积及拦门沙形成风险研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后部分支流河口泥沙大幅度沉积,其形成拦门沙坎的可能性亟待揭示.本文以多期次水下地形为基础,辅以原型固定断面观测成果,基于DEM数字高程模型,计算和分析了三峡水库蓄水后库区支流河口段泥沙淤积量及其沿程、平面的分布特征,研究了三峡库区主要支流河口泥沙堆积形态及成因.结果表明,三峡水库蓄水后2003年3月～2011年11月间库区支流累计淤积泥沙1.8亿m3.水库蓄水使得支流河口段水动力条件减弱是泥沙淤积的根本原因,支流来沙、倒灌泥沙及交汇段干支流河势影响泥沙淤积幅度和范围.三峡水库支流河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,支流来沙堆积的现象也存在,随着干支流来沙量趋于减少,支流河口淤积形成拦门沙坎的风险较小.     

黄河下游水资源转化结构及其变化规律

在黄河下游河流生态环境需水量和河流系统功能研究的基础上,结合研究区域的实际情况,针对水资源在河流系统中的不同服务目标,将通过黄河下游各主要水文断面的水资源划分为生态环境水、资源水和灾害水3个组成部分(简称“三水”),并分别对“三水”的概念及其在实践中的意义进行了阐述.通过对1950～2001年逐日水文数据的整理分析,计算了每年的“三水”数量,探讨了50多年来“三水”的相互转化情况及其变化规律.结果表明,自20世纪50年代以来,尽管水资源优先用于满足河流系统功能最基本的需要,但可用生态环境水在比例增加的同时水量却不断减少,与黄河下游河道最小生态环境需水量的差值不断增大;而潜在可利用的资源水无论是数量还是比例均呈明显减少趋势.20世纪90年代以来,沿岸实际需水量已经超过潜在可利用的资源水量而需动用早已不足的生态环境水,使河流系统正常功能进一步受损、河道日益萎缩,进而导致灾害水在总水量大幅减少的情况下其比例及潜在危害仍无明显减小.