黄河河口流路多目标联合运用方式研究

黄河河口流路运用方式面临着新形势下保障防洪安全、维持生态功能和减缓海岸蚀退等多目标需求。采用实测水文资料和现场调查资料,分析河口河道防洪形势、黄河口国家公园建设需求和备用流路现状情况。清水沟流路在小浪底调水调沙运用后防洪形势明显改善,然而仍面临着大洪水的威胁;目前河道滩地呈现约6‱的倒比降,加剧了大洪水时的防洪压力。黄河口国家公园清水沟片区在清四控导工程以下无整治工程,规划的科研平台和大量基础设施要求洪水尽量不漫滩。刁口河片区规划的生态补水量为0.55亿m^(3),附近海岸因缺乏泥沙补给处于蚀退状态。刁口河主槽淤积萎缩,滩地开发建设侵占严重,亟待长期过水加强保护。新形势下黄河河口流路运用方式为“联合运用、常态过水、平滩分流、双河行洪”。刁口河常年维持一定的过水流量。当清水沟流量达到3500 m^(3)/s时向刁口河分流,大洪水时两条流路作为5000 m^(3)/s流量的泄洪通道。

黄河河口生态需水研究进展与展望

黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%~58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m^3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。

包神铁路黄河大桥冰凌开河期实体模型试验

为了研究包神铁路黄河大桥建成后在冰凌开河期对冰凌水体的壅高程度,基于冰流重力相似、冰流阻力相似、冰流量相似、浮冰运动相似等冰凌运动相似原理,采用添加少量石膏粉的石蜡作为模型冰,进行实体模型试验。试验结果表明:将模型冰块制作成不规则形状能够较好地模拟桥梁附近的卡冰现象;当开河流量为1200m3/s、冰流密度为80%时,拟建桥梁、现状桥梁工况的上游水位壅高值分别为1.36m和2.21m;拟建桥梁的主跨比现状桥梁增加了近1倍,桥位断面排冰过流能力大大增强。

基于非结构网格的三维浅水模型

采用水位积分平衡法并引入边壁滑移系数,解决σ坐标系下有限体积离散时产生的静水压力项与底坡项的平衡问题和边壁阻力的模拟问题,建立非结构网格上三维浅水模型.风生流试验计算结果表明,模拟的纵向流速的垂向分布与理论分布吻合较好;Holtz丁坝试验计算结果表明,引入边壁滑移系数能够模拟坝体附近上游小回流区和下游小回流区;淹没丁坝试验计算结果表明,水位积分平衡法能够处理丁坝端坡和边坡等陡坡上的静水压力项与底坡项的平衡问题.

非淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

为了研究非淹没丁坝端坡对水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,比较丁坝阻水面积相等条件下端坡系数分别为0,3,5和7时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况.结果表明:(1)端坡系数的增加使得丁坝下游表层相对回流长度和相对回流宽度减小;(2)端坡的存在能够显著减小底层平面强相对流速范围和强相对切应力范围,且端坡系数越大效果越明显.

青藏高原湖泊沉积研究及其进展

青藏高原湖泊沉积研究主要围绕青藏高原隆升和全球变化响应开展的。研究揭示了青藏高原隆升具有整体性、阶段性和后期加速性。中晚更新世以来和末次间冰期-冰期气候演化过程得到重建,并能够与冰芯和深海氧同位素记录对比;同时也存在M IS3阶段强烈暖湿和末次冰盛期冷湿等区域特征;新仙女木事件在湖泊沉积物也有明显记录。全新世研究表明青藏高原早期暖湿并经历冷事件,大暖期普遍出现高水位,后期气候向干冷化方向发展。湖泊沉积环境定量化重建也得到研究。青藏高原湖泊沉积应在高分辨率纹层沉积和环境指标定量分析基础理论方面加强研究。

现阶段黄河入海流路输沙动态平衡研究

根据2001—2010年利津站水文资料和利津以下汛前实测大断面资料,从来水来沙条件、主槽断面面积变化、河底平均高程纵剖面和河长变化等方面分析了现阶段黄河入海清水沟流路年际变化特征。水沙条件分析表明:小浪底水库运用以来进入黄河河口的年水量基本维持在200亿m3左右,年平均沙量为1.77亿t,平均含沙量为9.3 kg/m3。这些相对稳定和有利的水沙系列为清水沟流路实现输沙动态平衡提供了良好的边界条件。2007—2010年的河道主槽断面面积、河底平均高程纵剖面和利津以下河长相对稳定,表明现阶段黄河入海流路在稳定的来水来沙、河道边界和海洋动力条件下基本实现了输沙动态平衡。

黄河河口鱼类春季生态需水

黄河河口鱼类春季生态需水主要满足河道淡水鱼类栖息地及产卵场、河道洄游鱼类上溯通道和近海洄游鱼类低盐产卵场需求。综合考虑鱼类生活习性,径流传播以及与近海淡咸水混合时间和小浪底水库运行以来月均流量特征,鱼类需水应重点关注3-5月。依据河道淡水鱼类和洄游鱼类的生活习性,从洄游通道的全程连续性出发,需要的低流量为240 m^3/s。结合自然时期流量脉冲特征,每年需要一次4月中旬持续8 d的峰值为890 m^3/s的流量脉冲;在此条件下,春季入海径流量为21.6亿m^3,已满足近海洄游鱼类低盐产卵环境要求的21亿m^3冲淡水量。小浪底水库运行以来,平均春季径流量已达到21亿m^3。通过优化年内或年际调度模式,满足鱼类春季生态需水具有很大可行性。

黄河河口人工出汊时机和北汊河启用分析

根据刁口河流路末期自然出汊点不断上提的演变特征以及清8汊河人工出汊的实践,提出黄河河口人工出汊宜在自然出汊点抵达高潮线附近时,并充分利用海域容沙能力、结合重大生产需求进行实施。现行清水沟流路在2004年和2007年出现两次较大规模自然出汊。出汊点上提2.5 km并接近高潮线,口门摆动距离达到7.2 km,表明清8汊河流路已处于“重新出汊”的行河末期。清水沟流路达到改道标准时,沙嘴延伸过长,将继续侵占孤东海域容沙空间。另外,孤东海堤附近海域自清8改汊以来水深最大增加了5 m,在波浪作用下仍将继续冲深。建议近期开展启用北汊河研究,实现缩短河长、充分利用孤东海域容沙能力、减缓孤东海堤侵蚀、支援油田开采等目的。

青藏高原湖泊沉积研究及其进展

青藏高原湖泊沉积研究主要围绕青藏高原隆升和全球变化响应开展的。研究揭示了青藏高原隆升具有整体性、阶段性和后期加速性。中晚更新世以来和末次间冰期-冰期气候演化过程得到重建,并能够与冰芯和深海氧同位素记录对比;同时也存在MIS3阶段强烈暖湿和末次冰盛期冷湿等区域特征;新仙女木事件在湖泊沉积物也有明显记录。全新世研究表明青藏高原早期暖湿并经历冷事件,大暖期普遍出现高水位,后期气候向干冷化方向发展。湖泊沉积环境定量化重建也得到研究。青藏高原湖泊沉积应在高分辨率纹层沉积和环境指标定量分析基础理论方面加强研究。

计算二维浅水方程中静水压力项与底坡项的积分平衡法

考虑静水压力项随水深的非线性变化,推导出计算二维浅水方程中静水压力项和底坡项的积分平衡法,以消除静水条件下的虚假流动。采用三角形网格的有限体积法模拟浅水流动,在以斜底模型逼近实际地形和控制体内变量线性分布的条件下,准确积分得出沿控制体界面的静水压力项和控制体上底坡项的表达式,从理论上证明了在静水条件下两者能够达到平衡。过丘恒定流算例计算结果表明,该算法能够使水流保持静水状态,不产生虚假流动。

黄河河口演变与管理开发研究进展

基于当前黄河河口治理与管理开发进程中出现的突出问题,本文从黄河河口来水来沙条件变化、黄河河口演变特征、黄河河口整治及管理措施研究等3个方面概括总结了黄河河口在演变与管理开发方面的研究进展,并对21世纪黄河河口的研究进行了展望。

黄河下游游荡性河道双岸整治面临的问题

为全面认识黄河下游游荡性河道双岸整治的效果和可能带来的影响,对双岸整治的实施背景和预期效果进行总结,详细分析了双岸整治面临的工程和社会环境等方面的问题。认为当前黄河下游防洪形势虽得到改善,但也面临下游游荡性河道输沙能力不足、下游部分河段河势恶化等问题。指出双岸整治的主要效果在于通过丁坝等工程实施黄河下游双岸整治,塑造窄深河槽,利用窄深河槽很强的泄洪输沙能力并结合小浪底水库的调节运用使得大部分泥沙通过洪水输运,同时依靠整治工程消除横河、斜河等不利河势;双岸整治面临的主要问题有:黄河下游大洪水仍有可能出现,整治工程带来的水位壅高,整治河段挟沙能力提高造成的下泄泥沙对山东窄河道和黄河河口产生影响,以及工程实施带来的土地权属、引黄供水和环境影响等问题。

黄河三角洲生态保护修复制度研究

黄河三角洲水资源紧缺、生态脆弱,且长期以来存在多个管理主体。生态保护与修复迫切需要制定相关制度,促进河流生态系统健康,提高生物多样性。黄河三角洲初步建成了较完善的防洪工程体系,保障了生态安全;1999年开始实施的黄河水量统一调度有效改善了河口的生态环境状况。黄河三角洲现有法规制度已初步形成体系框架,为综合治理与生态保护修复提供了制度保障,然而这些制度存在管理范围交叉重叠,生态用水保障较弱,流路保护效力偏低,配套规划滞后和标准有待统一等问题,建议确立黄河三角洲生态协调机制、黄河三角洲生态用水保障制度、严格的入海河道管理保护制度和黄河三角洲生态综合监测制度,同时,作为配套措施,加快推动《黄河河口综合治理规划》的批复,划定容沙区范围,制定地表水和海水统一的水质监测标准。

σ坐标系下浅水方程水平扩散项守恒型式

三维浅水模型控制方程经σ坐标变换后,其水平扩散项还存在一变换因子,故不能被常见的扩散模型表示成守恒型式。对σ坐标系下浅水方程水平扩散项进行处理,得到守恒型式的扩散模型,并采用垂向二维静水盐度扩散算例进行验证,结果表明守恒型模型能够保持初始的盐度分布。

平面二维非均匀泥沙OpenMP并行计算模型

为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循环计算和数组整体操作部分嵌入OpenMP循环并行指令和数组并行指令,即可实现并行计算。案例分析结果表明,在并行线程数目等于计算机固有线程数目时,并行加速比达到最大值1.55;OpenMP技术使用线程间共享内存的方式协调并行计算,很适合在多核计算机上运行,且编程简单灵活,将随着计算机硬件性能的提高得到更广泛的应用。

黄河三角洲海岸线标准对陆地面积的影响

黄河三角洲陆地面积变化关系到河口综合治理、国土规划、自然保护区发展以及油气资源的勘探开发等战略布局。已有研究采用的海岸线标准主要有:根据实测资料确定的高潮线、低潮线、黄海0 m线和黄海−2 m线以及从卫星遥感影像提取的高潮线、低潮线和瞬时水边线。近代黄河三角洲、现代黄河三角洲、清水沟流路范围、清8汊河范围内采用不同的海岸线标准得到的亿吨来沙造陆面积(造陆效率)成果存在较大差别。采用影像特征海岸线得到的部分时段造陆效率偏差较大,其原因主要与黄河三角洲沿岸发育的坡度平缓的广阔潮滩有关。从黄河三角洲海岸演变特征出发,采用黄海−2 m线作为海岸线基本上包含了径流与海洋动力作用最强烈区域,适宜于研究海岸淤进和蚀退,以及由此产生的对流路出汊、摆动和黄河下游的反馈影响。已有动态平衡沙量研究因采用海岸线标准不一致存在较大差别,而且三角洲长时期以淤进为主,蚀退时段的样本较少。在目前行河流路处于长期相对稳定的局面下,研究清水沟流路范围内海岸动态稳定的沙量更有实践意义。

浅水方程无结构网格有限体积法研究进展

回顾了近些年国内外基于无结构网格的有限体积法模拟浅水流动的发展,着重论述了无结构网格的有限体积法的应用、高性能的法向数值通量的计算格式、物理量的重构和浅水流动静水压力项与底坡项的平衡问题。讨论了无结构网格有限体积法隐式求解、减小局部一维化误差和构造具有明确物理意义的消除虚假流动的计算方法等有待于进一步研究的方向。

长历时低含沙洪水条件下的黄河河口演变特征

黄河河口2021年出现罕见的长历时低含沙量洪水过程。采用实测水文资料和卫星遥感影像分析河口河道的冲淤特性和口门演变,探讨流路稳定状况。小浪底水库调水调沙和秋汛两次主要洪水过程历时共91天,平均流量为3123 m^(3)/s,平均含沙量为6.7 kg/m^(3)。河口河道段因河床粒径粗化接近冲刷平衡,冲刷体积为0.04亿m^(3);尾闾段因口门主流取直摆动,发生明显溯源冲刷,冲刷体积为0.14亿m^(3)。自2013年西河口以下河长达到60 km后,口门因沙嘴延伸较长、来沙量显著降低,形成比较稳定的分汊入海态势。2021年汛后河势稳定,感潮段河势顺直,口门“大水取直、小水坐湾”,目前流路仍处于较为稳定状态。

青藏高原兹格塘错沉积记录的全新世水位变化事件及其原因初步研究

兹格塘错是一个内陆封闭型湖泊,位于藏北高原腹地,处于西南季风作用边缘地带。由于流域内无冰川分布,湖泊补给主要靠大气降水,因此水体的扩张与收缩能够直接反映西南季风的变化。半干旱气候地区湖泊沉积物碳酸盐含量能够敏感地反映水体的扩张与收缩。兹格塘错沉积物碳酸盐含量高,与可溶盐(氯离子与硫酸根离子)含量变化结合能更好地揭示水体的演化阶段。分析结果表明,在9.3～8.9calkaBP、8.3～7.8calkaBP、5.0～4.7calkaBP、4.0～3.8calkaBP和3.1～2.7calkaBP碳酸盐含量出现大幅度下降,指示湖泊淡化、水位升高。但在3.8calkaBP左右碳酸盐含量和可溶盐(氯离子与硫酸根离子)含量同时出现峰值,指示出湖泊水体盐度升高、水位出现下降;近1calkaBP以来,碳酸盐与可溶盐含量都呈现逐渐下降趋势,表明湖泊水体逐渐淡化、水位缓慢上升的过程。但近100a来可溶盐含量上升,指示出湖泊水体的不断浓缩和水位下降过程,这和近百年的气候暖干化过程是一致的。兹格塘错沉积岩心碳酸盐含量全新世以来5次极低事件,有力地证明青藏高原西南季风在全新世期间的不稳定性。