黄河上游宁蒙河段平滩流量变化与水沙过程的响应关系

平滩流量是表征河道排洪输沙能力的重要指标,开展宁蒙河段平滩流量变化机理的研究对于治理黄河意义重大,本文采用实测资料分析的方法,研究了黄河上游宁蒙河段平滩流量变化特征及其与汛期水沙过程的定量关系。研究结果表明:黄河上游宁蒙河段沿程六站平滩流量由1960年代中期的3600~5800 m^(3)/s减小到目前的1900~4000 m^(3)/s。2000年前宁蒙河段三湖河口平滩流量与汛期水沙过程关系点群与2000年后两者关系点群存在明显分区,说明2000年后宁蒙河段河床演变机理发生了变化,遵循不同规律。建立的宁蒙河段三湖河口平滩流量与汛期水沙过程的定量关系式表明,宁蒙河段平滩流量随着汛期平均水量的减小(增大)而减小(增大),随着汛期平均来沙系数的减小(增大)而增大(减小),随着汛期水流过程参数的增大(减小)而增大(减小)。

不同级配组成对泥沙流变特性影响实验研究

针对江苏沿海条子泥区域泥沙,运用控制剪切速率实验方法,通过改变样品中的粉沙质量占比,系统探究了泥沙的级配对其剪切应力和黏度的影响规律,并使用剪切速率扫描法和间接法分别计算泥沙样品静态和动态屈服应力。结果表明:所有组次泥沙样品均表现出两次明显的屈服行为,其流变特性以两个屈服行为为界,划分为3个阶段;泥沙样品中粉沙含量对其流变特性起着关键性作用,粉沙含量增大,样品剪切应力和黏度均发生相应减小,其中粉沙含量在35%~55%区间内变化梯度较大,此区间可能存在泥沙粒间主导作用力的转变;最后依托剪切速率扫描法测得的实验数据分析,得到了不同粉沙含量下泥沙的静态屈服应力和动态屈服应力的经验公式。

羊信江流域水沙变化特征及其影响因素

为深入研究水沙变化对流域生态修复和经济可持续发展的影响,利用Mann-Kendall非参数趋势检验法、Pettitt突变检验法、Spearman秩相关系数法、累积量斜率变化率比较法对赣江上游羊信江流域1964—2020年的降雨量、径流量和输沙量的变化特征及其贡献率进行分析,确定影响流域输沙量变化的主要因素。结果表明:①羊信江流域在1964—2020年年降雨量和年径流量无显著变化,年输沙量呈显著增加趋势;②降雨量、径流量及输沙量年内分配不均,均多集中在汛期(3—6月份);③年降雨量、年径流量均未发生显著突变,年输沙量在1995年发生显著突变(P<0.01);④降雨和人类活动对输沙量增加的贡献率分别为-0.35%、100.35%。以稀土矿开采、脐橙种植、跨河公路修建为主的人类活动是导致羊信江流域水土流失的重要原因。研究成果对流域种植结构调整及矿产资源绿色开放具有重要的指导意义。

黄土高原现状产沙情势评价

在黄河来沙锐减背景下,厘清现状黄土高原在不同降雨情景的年均产沙量,对客观认识黄河未来水沙情势具有十分重要的意义。本文分析了过去60年黄土高原汛期径流及含沙量变化特点,认为该区2010年以来的下垫面可作为现状产沙情势评价的代表下垫面。采用理论推算和实际产沙能力分析等两种方法,计算了黄土高原现状下垫面在4种降雨情景下的年均产沙量。结果表明,如果汛期降雨较1956—2019年均值偏丰0~17.3%,2010—2019年下垫面的年均产沙量为3.9亿t a~5亿t a;若基于2018年以来的下垫面,其年均产沙量为3.6亿t a~4.5亿t a;受坝库工程拦截影响,可输送至潼关断面的沙量更少。分析了黄土高原植被和梯田的发展趋势,并考虑流域产沙指数与植被梯田覆盖状况的响应规律,认为该区产沙能力进一步降低的潜力很小。事实上,由于年降雨量450 mm以下地区的新生植被抵御恶劣气候和人类干扰的能力较低,黄土高原产沙量存在反弹至5亿t a~8亿t a的风险。

流域产输沙模型中考虑泥沙来源的动态粒径计算方法

为准确反映泥沙粒径分布特征在不同时间尺度上的变化过程,提高流域产输沙模型的模拟精度,以黄河干流玛曲水文站以上区域为研究对象,根据不同季节的泥沙来源不同这一特点,采用坡面、谷沟、河道各来源的泥沙量作为权重,基于WEP-SED分布式流域产输沙模型对流域产输沙过程中的综合泥沙中值粒径进行加权平均计算,并对采用泥沙固定粒径计算方法和不同来源的泥沙动态粒径计算方法的模型模拟的玛曲水文站输沙率进行比较。结果表明:与采用泥沙固定粒径计算方法相比,采用泥沙动态粒径计算方法可有效提高模型模拟精度,其NSE值从0.601提升至0.706;采用泥沙动态粒径计算方法模拟的泥沙中值粒径呈现汛期小、非汛期大的动态变化规律,其年内分布规律与实测资料一致。

长江荆江段二元结构河岸土体力学性能及崩塌试验

通过连续3 a对荆江崩岸情况进行现场调查、室内土工试验和概化模型试验,分析荆江崩岸特点及规律、河岸上部黏性土的物理及力学性能以及二元结构河岸崩塌过程的特点和影响因素。结果表明:荆江段崩岸分布规律主要表现为下荆江多于上荆江,左岸多于右岸;二元结构河岸崩塌过程可概括为坡脚受冲刷变陡,岸顶裂缝形成发育,岸坡渐进侵蚀,河岸失稳导致崩塌,岸坡形态趋于稳定,进入下一次河岸崩塌循环;黏性土含水率对水位变化的响应速度快于对浸泡时长的响应速度;黏性土的起动切应力为0.531 N/m^(2),影响黏聚力值的临界含水率约为16%,受纵向水流及土体含水率的影响,岸坡在枯水期稳定性较高,在涨水期会产生局部崩岸,洪水期和退水期时坡脚冲刷和崩岸强烈。

森林火灾流域侵蚀泥沙来源指纹技术研究进展

指纹识别技术是量化流域侵蚀泥沙来源的有效手段,如何应用于火烧流域,仍有一些问题值得探讨。通过回顾相关文献,总结森林火灾通过植被、土壤和灰烬加剧土壤侵蚀的机制,介绍应用指纹技术研究火烧流域泥沙来源的案例,重点分析放射性核素、矿物磁性、物理性质、地球化学元素和有机组分等指纹因子在火烧迹地的含量和性质变化,论述各类指纹因子在火烧流域泥沙来源研究中的适用性,并提出未来应重点关注指纹技术的物理基础、火灾后土壤性质的时空变化规律、指纹因子稳定性验证、燃烧灰烬的影响以及大粒径泥沙的识别等问题。为促进火烧迹地指纹识别技术的研究、理解森林火灾对于流域产沙格局的影响、提升火灾流域水土保持和生态修复的有效性提供理论依据。

黑河流域水沙通量多尺度变化特征及影响因素

采用小波分析法和累积量斜率变化率法分析了黑河上中游水沙通量的周期性变化特征,定量计算了气候变化和人类活动对水沙通量变化的贡献率。研究结果表明:黑河上中游径流变化周期基本一致,上游输沙量变化周期也基本一致,但中游输沙量在1类和2类时间尺度的变化周期相差较大,且干流两个水文站的径流输沙突变时间存在差异。1981-1989年上游干流影响径流的主控因素为人类活动,但1990年以后主控因素逐渐变为降水,2003年以后主控因素又变为人类活动。影响输沙的主控因素在时间序列上均为人类活动,但影响程度略有不同。干流中游影响径流的主控因素在2005年以后逐渐变为降水影响,而人类活动一直是引起中游输沙变化的主要原因。

长江中下游水沙通量变化规律

采用水文学、泥沙运动力学与数理统计学相结合的研究方法 ,对宜昌和大通两个测站近五十年的实测水文、泥沙资料进行分析 ,以探究长江中下游水沙通量的变化规律。研究表明 ,水量由中游向下游沿程递增 ,但各测站的年均增幅不明显 ;长江中下游泥沙主要来源于长江上游地区的金沙江和嘉陵江 ,其次是汉江、洞庭湖和鄱阳湖等水系 ;长江流域来沙主要以悬移质形式下泄 ,悬沙通量由中游向下游沿程递减 ,同时各测站悬移质输沙量也逐年呈阶梯性递减趋势 ;长江中下游水沙通量有明显的季节性变化 ,洪季通量值明显高于枯季 ;悬沙颗粒主要由极细砂和粉砂组成 ,自中游向下游 ,泥沙颗粒逐渐细化 ;由于江阴河段附近边界条件的限制 。

皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策

作者对皇甫川流域从径流泥沙来源、水沙特性、水沙变化趋势等方面进行了较为深入地分析和研究,据此提出皇甫川流域近期治理方略是:以沟道坝系建设为切入点;积极推进林草植被建设;对砒砂岩地区实行大面积封禁治理。流域近期至2010年,治理的重点建议放在十里长川、沙圪堵至皇甫区间和沙圪堵以上的纳林川左岸。

黄河输沙量研究的几个关键问题与思考

近十几年黄河输沙量的突兀性减少是社会各界人士普遍未曾预料到的。黄河输沙量减少原因和未来趋势亟待研究,也需结合现状进一步提出新的适应策略。基于对黄土高原水土保持与黄河水沙变化等的长期研究,提出黄河输沙量研究需要关注的几个关键问题和认识:考虑到学科特点及发展水平,黄河输沙量以及人类活动对输沙量变化影响的研究"宜粗不宜细";黄河输沙量变化研究可以年代为时段开展对比分析,1979年之前可作为基准期;在流域及区域侵蚀产沙性降雨的相关研究中,宜把12 mm日降雨量作为临界侵蚀降雨量指标;加强淤地坝淤积记录反演研究,揭示土壤侵蚀强度变化,以解析坡面土壤侵蚀减少与沟道坝库工程拦蓄对黄河输沙量减少的贡献,明确当前黄土高原水土流失治理方向;强化黄河未来输沙量变化趋势及治理对策研究。

宜昌站1900～2004年生态水文特征变化

基于宜昌站1900～2004年共105年的日径流量资料，分别采用Mann-Kendall法、Mann-Whitney法分析该站水文特征与变化。跳跃性检验表明，宜昌站年平均流量的跳跃点出现在1969年，置信度超过99％。宜昌站1970年前的平均流量是14375m^3／s，1970年后的平均流量是13438m^3／s，相差937m^3／s，相当于295．5m^3／a，流量减少主要集中在下半年（7～12月），以8～10月最为明显。以1970年为界，将宜昌站105年水文序列划分为“近自然状态河流”的1970年前和“人工干扰状态河流”的1970年后两个分析水文变动序列，基于Richter提出的生态水文变动指标体系，应用变动范围法，计算了长江中游的生态水文目标，分析了长江流域宜昌站的生态水文特征变化。结果表明，1970年以后，人类活动与自然变动对长江宜昌站生态水文特征的改变并不明显，仅在1月、11月平均流量上有中等程度的改变。

黄河泥沙资源利用的长远效应

黄河多沙给两岸人民带来了严重的洪水灾害,因此黄河的治理措施多基于泥沙的灾害性。随着经济社会发展对黄河水资源的需求日益增加,加之黄土高原地区特殊的地理地貌特征等因素,未来黄河仍将是一条少水多沙河流。经过长期的治黄实践,人们逐渐认识到黄河泥沙的资源属性,其在黄河防洪安全、放淤改土与生态重建、河口造陆及湿地水生态维持、建筑材料等方面具有巨大的利用潜力。研究发现,黄河下游的河道淤积泥沙主要来自少数几场高含沙洪水;水库在拦截黄河泥沙的同时,也对泥沙级配进行了自动分选,为泥沙分类利用创造了条件。利用水库拦减高含沙洪水,不仅可减少下游河道淤积和滩区淹没损失,还为泥沙资源的集中利用创造了前提条件,具有巨大的社会和经济效益;同时,树立充分发挥水库的拦沙作用与泥沙资源集中利用有机结合的新理念,不仅能使水库持续发挥其拦沙减淤效益,也将更彰显黄河泥沙资源集中利用的长远效应。为此,必须从政策和管理层面建立良性运行机制,加强舆论宣传,吸引社会资金和广大群众主动参与黄河泥沙资源利用工作,实现黄河的长治久安。

黄河中游多沙粗沙区淤地坝拦减粗泥沙分析

本文对地处黄河中游多沙粗沙区的河口镇至龙门区间(简称河龙区间)及四大典型支流皇甫川、窟野河、无定河和三川河流域淤地坝拦减粗泥沙效果进行了深入分析,计算了不同年代淤地坝拦减粗泥沙量。通过分析实施淤地坝等水土保持措施前后泥沙粒径的变化、淤地坝配置比例与减沙比例关系的变化后认为:淤地坝是快速减少入黄粗泥沙的首选工程措施和第一道防线,具有明显的“拦粗排细”功能。只要河龙区间坝地的配置比例保持在2%左右,其减沙比例即可达到45%以上。当四大典型支流淤地坝配置比例平均达到2.5%时,淤地坝减沙比例平均可以达到60%。因此,为有效、快速地减少入黄泥沙尤其是粗泥沙,河龙区间水土保持措施应采用以淤地坝为主的工程措施与坡面措施相结合的综合配置模式。淤地坝的配置比例应保持在2%以上。减少黄河粗泥沙的重点支流应首选窟野河和皇甫川。

大暴雨作用下黄土高原典型流域水土保持措施减沙效益研究

正确评估大暴雨条件下流域水土保持措施的减沙作用,可为科学揭示流域侵蚀产沙变化的驱动机理提供理论支撑。综合采用改进的水土保持成因分析法、林草植被减沙模型和分布式土壤侵蚀模型,对近10年大暴雨作用下4个典型流域的水土保持措施减沙作用进行了系统分析和研究。结果表明:佳芦河流域水土保持措施在“2012.7.27”大暴雨中减沙效益为65.4%;杏子河流域在“2013.7.12”“2013.7.25”和“2013.7.27”三场连续降雨中,水土保持措施减沙效益分别为56.5%、40.7%和36.5%;西柳沟流域上游在“2016.8.17”大暴雨中,林草植被措施减沙效益达84.2%;岔巴沟流域在“2017.7.26”大暴雨中,水土保持措施减沙效益为79%。大暴雨作用下水土保持措施减沙效益明显,但遭遇连续极端降雨情况,水土保持减沙效益会降低。

黄河源水沙变化及与气温变化的关系

利用黄河源4个水文站黄河沿、吉迈、玛曲和唐乃亥的长系列水文资料和10个代表性气象站的气象资料,分析源区近56年来年径流量、年输沙量、气温和降水的变化规律,以及探讨水沙变化与气温变化的关系.结果表明：4个水文站1955-1990年的年径流量和年输沙量均呈增加的趋势,但唐乃亥站1991-2011年的年径流和年输沙量相对于1956-1990年分别减少15.9％和28.5％.除河南和同德之外,其他8个气象站1953-2011年的气温呈现持续明显上升的趋势,上升线性速率为0.31 ～0.41℃/（10a）.黄河源区气温升高具有一致性趋势,但降水量变化没有一致性规律.降雨量与气温的关系在1953-1990年较弱,1991-2011年这种相关关系逐步增强.年径流量和年输沙量与气温升高的关系是气温降低或升高对应于年径流量和年输沙量增加或减少.

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大,己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展,但泥沙颗粒的分维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题,本文首先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理,从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。

黄河上游水沙变化及成因分析

利用黄河上游的实测资料,以头道拐断面为主要研究对象,从径流泥沙的年际变化、年内分配、洪水特征等方面分析了上游水沙变化特点,突变点为刘家峡和龙羊峡水库投入运用时间。对不同影响因素的研究认为,天然径流量的减少和耗水量的增加是造成上游水量减少的直接原因,龙羊峡和刘家峡水库的调节使天然的年内径流量重新分配,水库的削峰作用和调节流量过程,造成了水库下游洪峰流量的大幅度减小和流量过程的均匀化,从而对河道输沙产生十分不利的影响。正确认识水沙变化产生的原因及其带来的负面影响,可为水资源的合理开发、上游宁蒙河道的综合治理提供参考。

泥沙的水下休止角与干容重计算

分析泥沙干容重及水下休止角的影响因素,并且从极限浓度和干容重的关系出发,推导出干容重的计算公式.运用散体沙的楔入堆积模型,推导散体沙的水下休止角计算公式,并结合干容重计算公式,计算散体沙的水下休止角.验证分析表明,公式计算结果与实测资料基本一致.

北洛河上游生态建设的水沙调控效应

采用双累积曲线法和Mann-Kendall检验法,确定了1980—2004年北洛河上游流域的径流、输沙变化趋势和时段,并结合不同时段的气候特征和生态建设资料,分析了流域水沙变化的驱动因素。在此基础上,利用双累积曲线法、径流输沙系数还原法和统计系列对比法计算了生态建设的水沙调控效应。结果表明:(1)1980—2004年间,北洛河上游流域径流量和输沙量的变化可划分为1980—1994年、1995—2000年和2001—2004年3个阶段。其中,2001—2004年为生态建设的水沙调控效应期;(2)以1980-1994年为基准期,2001—2004年间,在年均降雨量、年均侵蚀降雨量和年均降雨侵蚀力分别增加14.0%、25.2%和46.1%的气候背景下,由于生态建设的水沙调控作用,流域年均径流量和年均输沙量分别减少2432.5万m3/a和2009.1万t/a;(3)排除气候因素的影响,生态建设4年间累计减少流域径流13808.0万m3、减少流域输沙14250.8万t,实现减水、减沙效应分别为31.11%和65.14%。流域尺度内,生态建设的减水、减沙能力分别达4.7万m3(/km2·a)和4.8万t(/km2·a)。