黄河下游洪峰增值机理与验证

针对黄河下游“04.8”洪水出现的洪峰异常增值现象,探讨了洪峰增值的水动力学机理,认为小浪底水库异重流排出的极细高含沙洪水在下游河道输移的过程中,引起河道糙率变小,是造成洪峰异常增值的根本原因。而后采用能够合理反映含沙量及泥沙级配变化对河道糙率影响的黄河河道准二维水沙数学模型,对此洪水进行的模拟,验证了上述观点。同时指出河道糙率变小引起的洪峰增值对黄河下游防洪安全可能造成的危害,应引起有关部门的高度重视。

高含沙洪水造床规律及河相关系研究

利用黄河实测资料，并结合黄河花园口至东坝头河道动床模型试验，研究了黄河下游高含沙洪水造床规律、河相关系及高含沙洪水期窄深河槽演变过程，明确指出：高含沙洪水期形成的窄深河槽难以长久维持下去，而且高含沙洪水形成的窄深河槽是以前期河床的严重淤积为代价的，对河道的破坏作用惨重。如果小浪底水库采用高含沙洪水加大排沙入海的运用方式可能会对下游河道的演变和下游防洪带来很多不利的影响，对此应持慎重态度。

黄河“揭河底”机理研究及室内模拟试验

在深入调研及广泛收集整理现有研究成果的基础上,剖析了黄河"揭河底"现象发生的过程和主要特征;扩展了"揭河底"现象的概念;揭示了黄土高原特有的水文特征、下垫面条件及产流产沙过程、水沙组成等是形成"揭河底"河段典型河床层理淤积结构的前提条件;细颗粒泥沙絮凝效应是层理淤积结构中"胶泥层(块)"形成的机理。指出具有一定结构强度的"胶泥层"是"揭河底"发生的首要条件,特殊的来水来沙条件为其提供了揭底冲刷的动力。在此基础上,构建了动态的"揭河底"物理图形,即胶泥块形成、逐渐淘刷、失稳揭出、翻出水面4个动态过程;揭示了胶泥块上下表面脉动压力波传播速度不同引起的瞬时上举力是"揭河底"现象发生的真正机理。首次开展了真正意义上的室内"揭河底"模拟试验,探索了"揭河底"试验模拟技术,印证了"揭河底"物理图形的正确性,为后续判别指标的研究奠定了基础,同时也为近距离观察"揭河底"现象、观测同步水力泥沙参数提供了条件。

黄河“揭河底”判别指标理论研究及验证

在广泛的原型调研及模型试验研究基础上,作者认为,河床淤积物层理结构中胶泥层(块)的存在为"揭河底"发生提供了必要的前期条件,而高含沙洪水期水流作用于胶泥块引起上下表面脉动压力波传播速度不同形成瞬时上举力,是发生"揭河底"现象的直接原因。本文基于"揭河底"发生时的力学关系分析,创新性地利用瞬变流模型,建立了"揭河底"现象发生的临界判别指标;通过开展的"揭河底"室内模拟试验,确定了临界指标中的系数K值,并利用跟随性较强的模型试验资料及黄河小北干流放淤输沙渠资料及黄河龙门站资料对公式进行了验证,结果吻合较好。该成果为天然河道中"揭河底"现象的预测预报提供了理论支撑。

新形势下黄河下游游荡性河道整治工程设计有关问题探讨

随着黄河清水来源区基流的减少、中下游地区耗水量的增加，使近十几年黄河下游中小洪水、高含沙洪水出现机率增加，从而导致一些迎送溜关系较好的控导工程对河势的控导作用明显削弱。小浪底水库建成后，将改变进入下游的水沙及洪水过程，中小洪水持续时间将更长，今后游荡性河道如何整治是一个非常重要的课题。本文通过模型和原型资料的对比，对已建整治工程布局中存在的问题及工程对中小水的适应性等进行了分析，同时对新形势下游荡性河段河道整治设计流量、设计河宽及新型河道整治工程状况下排洪河宽的计算等问题进行了分析和初步评议。

实施黄河泥沙处理与利用有机结合战略运行机制

研究表明,未来一个时期内黄河"水少、沙多,水沙关系不协调"的属性不可能发生根本改变,黄委在本次黄河流域综合规划中仍将"拦、排、调、放、挖"作为黄河综合治理的战略措施。随着治黄实践的逐步深入,除充分认识到调水调沙措施其中的分量之外,也更加意识到黄河水沙调控体系建设的紧迫性,意识到水库泥沙处理的重要性和艰巨性。实际上,20世纪80、90年代西北地区就做过中小型水库和拦泥库的泥沙处理现场试验,效果良好,但均因没有后续的资金作支撑而搁置。调研过程中我们还注意到,作为地方行为从库区抽出的泥沙直接排到其下游河道,没有考虑对黄河干流的影响和当初修建这些淤泥库的作用。故此,如何实现泥沙处理与利用的有机结合,形成连续的资金链条和良性循环的机制,以期黄河长治久安,是目前治黄工作必须直面的重大课题。

黄河下游游荡型河段河势演变规律

阐述了黄河下游枯水少沙系列、丰水少沙系列河势演变情况,指出了河势演变的特点,并总结了河势演变基本规律:①河势自然演变的程度同来水来沙变幅成正比;②河床的可动性决定河势演变的剧烈程度;③主流线的弯曲系数、弯道半径自上而下呈增大趋势;④河势的演变具有关联性,具体表现为"一弯变、多弯变";⑤主流线有"小水坐弯、大水趋直"的特点;⑥节点及人工边界对河势的演变具有限制作用。

黄河高含沙洪水“揭河底”冲刷研究现状

对目前黄河高含沙洪水"揭河底"冲刷研究的现状进行了系统的总结与分析,认为:在目前黄河水量显著减少、河道淤积萎缩日趋严重的形势下,开展高含沙洪水"揭河底"冲刷机理研究,不但具有重要的学术价值,而且还具有重要的工程应用价值和巨大的社会经济效益;该课题是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题,其成果对丰富河流泥沙动力学的研究内容,加深对高含沙洪水特殊造床机理的认识,完善黄河等多泥沙河流的综合治理方略和防洪工程的安全措施等具有重大意义。要使本项研究取得突破性的进展,必须采用实测资料分析、模型试验、理论分析和力学分析计算相结合的方法,通过分析发生"揭河底"冲刷河段的来水来沙情况及"揭河底"冲刷过程中有关水文泥沙资料,建立清晰的"揭河底"过程的物理图形,并借助实体模型开展高含沙洪水"揭河底"机理的研究。

小浪底水库拦沙运用九年后黄河下游防洪形势预测

小浪底水库建成拦沙运用九年来,黄河下游河道断面形态全面调整,洪水演进呈现出新的特点,黄河下游防洪形势也发生了相应的变化。本文在分析现行河道断面形态及洪水演进特点基础上,结合近期实体模型试验成果,探讨了黄河下游防洪形势的调整变化。认为:与调水调沙前相比,目前花园口以上河床冲刷下切明显,河道过流能力提高;洪水上滩几率减小,滩区对洪水削峰功能减弱,洪水传播速度加快。花园口至高村远至孙口河段,"96.8"洪水形成高昂的滩唇,影响上游水量同步归槽,同时上游滩区退水又造成高村以下河段洪峰显著变胖,滩区大量进水,长时间滞洪,保持高水位,灾情进一步加重。在当前极端天气频繁发生的情况下,黄河下游的防洪形势仍不容乐观,希望引起有关部门的高度关注。

黄河下游洪水期沙峰滞后特性研究

简要分析了黄河水沙异源的情况,指出沙峰滞后、洪峰与沙峰不同步是造成黄河下游涨冲落淤和小水大灾的主要原因。根据小浪底下游各站沙峰均滞后于洪峰的35场洪水,对沙峰滞后于洪峰的特性进行了剖析,建立了小浪底、花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、利津各河段沙峰滞后时间与上站洪峰流量、沙峰含沙量、洪水传播速度、悬移质泥沙群体沉速之间的回归方程,可以用来查补延长沙峰滞后时间,为下游各站沙峰传播时间的准确预报提供依据。

分段整治实现游荡型河道整治的有机统一

在分析黄河游荡型河道形态和河床演变特点的基础上 ,结合河工模型试验结果 ,指出游荡型河道进一步整治需坚持继承和发展的观点 ,抓控制性工程建设的同时 ,要注意“节点工程”与“微弯型河道整治措施”相结合。根据游荡型河道形态 ,把河道分为若干小河段 ,实行整体整治与分段整治相结合 ,实现游荡型河道整治的有机统一。

黄河河床物质层理淤积结构及沉积机理

详细分析了黄河典型的河床物质淤积层理结构,探讨了泥沙成层分布与水沙条件的关系。结果表明：水量年际变化大、水沙异源,且发生高含沙洪水的支流相对比较多、各支流泥沙的粗细不同等为泥沙分层淤积的主要前提条件;河道边界条件进一步促进了泥沙分层淤积的形成。

长期中小流量下河道整治工程迎送流关系研究

小浪底水库控制运用以后,改变了进入黄河下游河道的水沙条件及洪水过程,中小流量出现的几率大大提高。在长期中小流量过程的作用下,游荡性河道整治工程送流能力减弱,控导河势作用降低,送流不到位,工程之间发生畸弯,因此开展中小流量下河道整治工程迎送流关系研究对指导黄河下游河道整治工程布局有着重要意义。为此,我们开展了大量的实体模型单元素试验研究,初步建立了工程送流距离与流量、工程弯曲半径、靠溜长度及入流角度等整治参数的指标体系,继而又通过不同比尺的模型试验和大量的原型实测资料对送流距离公式进行了检验,相关性极好。该公式已经被黄河下游河道整治方案研究采用,直接指导了黄河下游游荡性河段河道整治工程的平面布局研究。

黄河下游游荡性河道整治河弯流路方程

基于最小方差理论,对正弦派生曲线与河势流路的自然演变情况进行了对比分析.结果表明,正弦派生曲线基本可以反映天然河道自由发展河弯的河势变化形态,黄河下游游荡性河道整治的"模范河段"河弯布局与正弦派生曲线符合良好.在统计回归"模范河段"河弯布局参数的基础上,给出了正弦派生曲线中相关参数的表达式,提出了适合黄河下游游荡性河道河床演变自然规律的河弯流路基本方程.利用该方程检验了黄河下游游荡性河道整治未完善的柳园口至府君寺河段河道整治规划流路的可行性,为游荡性河道进一步整治提供了理论支撑.

“河性行曲”力学机理之边壁泥沙的临界起动条件

在借鉴水流紊动相干结构研究成果的基础上,深层次揭示了紊流紊动涡体猝发、喷射、清扫的过程中对边壁泥沙颗粒的抽吸、挖掘的力学机理;系统概括了河道岸壁泥沙颗粒从起动,到进入水体,促使顺直河道发育成犬牙交错的边滩,并逐步演变为弯曲性河道的全过程;进而在对边壁泥沙颗粒受力分析的基础上,运用涡能理论,提出了边壁泥沙起动的临界条件;并根据黄河的实际情况进行了分析,认为河流边界的糙率、水深等数值越大,泥沙越容易起动。

东平湖水库未来战略地位探讨

东平湖水库无论其地理位置与确保黄河下游防洪安全方面,还是在水资源综合利用布局中,都具有十分重要的战略地位,但其目前存在的一些问题制约了水库综合效益的发挥。面对小浪底水库的建成运行、洪水管理理念的转变与全国水网的逐步形成等新形势,面对南水北调东线工程建设的新机遇,赋予东平湖水库未来战略地位新的内涵十分必要,比如利用其分滞黄河洪水、接纳汶河来水、调蓄东线调水、调配极端气候下南方涝水,并适时补水补峰以冲刷山东河道等。数学模型初步计算表明,改变东平湖的运用模式,有效管理洪水,不但对改变山东河道的淤积状况作用明显,还对"驼峰河段"的不利态势有一定的改善。

黄河河床演变的典型现象及相关研究概述

简要总结了黄河小北干流＂揭河底＂及下游二级悬河等典型河床演变现象的相关研究成果。河床层理淤积及黄河特有的水沙条件是＂揭河底＂形成的前提,高含沙洪水期间水流作用于胶泥块以后引起上下表面脉动压力波传播速度不同而形成的瞬时上举力是发生＂揭河底＂现象的直接原因;黄河高含沙洪水期间河道横向输沙的极不平衡是逐步形成二级悬河典型横断面形态的根本原因。

应用寿命周期模式思考三门峡水库的运用问题

George W.Annandale提出了水库保护模式概念,该模式可在预可行性研究和规划设计阶段,确定出用于可持续管理水工建筑物最经济有效且技术可行的方案。水库保护模式引入“生命周期管理方法”代替“设计寿命管理方法”,前者在于能够全面认识到人类代间利益平衡的价值。George应用该模式对三峡及三门峡水库进行了对比分析,认为冲沙是三峡水库的最优解决方案,而大坝自然泄流是三门峡水库的最优解决方案。基于此,提出了对三门峡水库可持续管理的建议和意见:三门峡水库经过42年的运用,库区已经与自然界融为一体,放弃它,必然会打破库区的生态平衡,而且三门峡水库仍发挥着重要的防洪作用;通过调度黄河上游和渭河上的水库,调整有利的水沙条件,形成人造洪峰,无疑也是降低潼关高程的一种方法。

实体模型试验在黄河治理中的应用

几十年来,黄河实体模型一直是研究和解决黄河复杂问题的重要手段之一,利用实体模型开展了大量泥沙学科的理论基础研究和治黄科研的应用基础研究。实体模型在水利工程规划与建设、河床演变与河道整治方面的基础研究、黄河下游洪水演进预报、黄河下游河道整治方案的论证、河道整治局部工程试验、河道整治工程新技术研究、挖河固堤试验研究、小浪底水库运用方式研究、黄河调水调沙试验以及数学模型研究等方面发挥了重要的作用。但是,实体模型建设还存在诸多问题:①缺乏系统性和整体性;②模型功能不全,难以满足"三条黄河"互动要求;③已有模型厅扩展性不强,测控系统不完善,量测技术相对落后,直接影响到试验的研究水平与成果质量。

黄河下游游荡性河道整治模型试验研究

系统介绍了黄河水利科学研究院近年来利用河工模型开展黄河下游游荡性河道演变、河道整治及其有关问题的研究成果。综合分析了黄河下游游荡性河段河道整治工程适应性、河道演变规律及历次河道整治规划治导线的检验与修订试验成果。通过对游荡性河段河道整治工程设计有关问题的探讨，指出河道整治设计流量以选取 ４ ０００ ｍ３／ｓ为宜；东坝头以上河段河道整治河宽可降为 １０００ ｍ、东坝头以下可降为 ８００ ｍ，潜坝过水后应计入或部分计入排洪宽度。