黄河流域黏性泥沙群体沉速计算分析

针对黄河流域由黏性矿物组成的黏性泥沙群体沉降特征展开研究。基于泥沙颗粒受力分析和能量守恒定律,以处于稳态的泥沙颗粒为参照物,构建了泥沙颗粒水沙界面能量耗散物理图形;建立了考虑挟沙水流运动黏性系数和紊动黏性系数的泥沙群体沉速显式表达式,并采用黄河流域典型黏性泥沙红色砒砂岩颗粒开展了泥沙群体沉速试验研究。结果表明:红色砒砂岩组成的含沙水体中泥沙群体沉速整体随含沙量增大而减小并逐渐趋于定值;当垂向平均含沙量为0.34~0.45 kg/m^(3)时,泥沙群体沉速表现为随含沙量的增加而增大。采用试验数据对建立的公式进行验证,公式能较合理地表达水流黏性和尾流分离对泥沙颗粒沉降阻力的影响。研究结果可为黄河流域黏性泥沙淤积和输移规律研究提供参考。

非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响

利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10~10^(2),泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10^(−1)~1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。

黄河宁蒙河道近期调整特点及原因分析

以长系列实测资料为基础,对比分析了宁蒙河道不同时段的冲淤调整特点及其原因,认为：①宁蒙河道近期淤积量明显加大,河道萎缩;②河道排洪能力下降,同流量水位年均上升0.1 m,内蒙古河段不同水文站平滩流量减少了800-4 000 m^3/s;③近期降水、天然径流量、河道引水、支流来水来沙以及龙羊峡、刘家峡水库调节河道来水来沙过程等因素是宁蒙河道淤积加重的主要原因。为了减缓宁蒙河道淤积,建议加快多沙支流水土保持治理速度并增加汛期水量。

2018年黄河上游洪水及宁蒙河道响应特征研究

利用实测资料分析2018年黄河上游洪水的水沙特点以及洪水对宁蒙河道冲淤的影响,结果表明:2018年黄河上游洪水具有洪量大、持续时间长、洪峰流量大等特点。进入宁蒙河道洪峰流量为2880~3600 m^(3)/s,内蒙古三湖河口—头道拐河段发生大范围漫滩。宁蒙河道洪水期河道冲淤调整较大,内蒙古巴彦高勒—头道拐河段产生明显的“淤滩刷槽”效果,漫滩洪水冲刷效率高于非漫滩洪水。洪水对河道排洪能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段巴彦高勒、三湖河口站同流量水位分别下降0.71 m和0.47 m,平滩流量分别增加约500 m^(3)/s和320 m^(3)/s。

黄河典型冲积性河道输沙能力影响因素分析

以水力学、河床演变学、河流泥沙动力学等理论为指导,对黄河典型冲积性河道输沙能力的影响因素进行了研究。结果表明:较弱的水流动力条件是宁蒙河道输沙能力比较弱的主要原因;窄深的断面形态和高含沙洪水决定着渭河下游河道具有极强的输沙能力;黄河下游河道输沙能力较大的原因是该河道具有较强的水流动力条件;小北干流河道尽管水动力条件也较强,但是泥沙粒径较大导致了河道输沙能力降低。

黄河各冲积性河道输沙能力分析

利用实测资料,从泥沙组成、主槽流速、河道比降、断面形态等方面对宁蒙河道、小北干流河道、黄河下游河道、渭河下游河道的输沙能力进行了分析。结果表明:宁蒙河道比降最小、流速低、泥沙颗粒较粗、沉降速度大,是河道输沙能力小于其他冲积性河道的重要原因;北干流河段比降大、流速大但是泥沙颗粒较粗,特别是宽浅的断面形态直接影响着河道的输沙能力;下游河道尽管河道宽浅,但是泥沙颗粒较细,特别是大流量以及高流速决定了河道的输沙能力较大;渭河下游泥沙颗粒最细,沉降速度最小,窄深的断面形态决定了该河道具有极强的输沙能力。

黄河唐乃亥—兰州段近期水沙变化特点分析

以黄河上游唐乃亥—兰州段1950年以来长系列实测资料为基础,分析研究了1997—2006年该河段干流水沙变化的特点。结果表明:来水量、来沙量减幅分别为18.5%～27.6%、23.1%～90.7%,沙量减幅大于水量的,而且水、沙量的减少主要发生在汛期;兰州站汛期水流过程主要集中在流量小于1 000 m3/s的小流量级,日均流量大于3 000 m3/s的情况没有出现;洪水出现场次减少,洪峰流量减小,洪水期水、沙量减小,洪水峰型变化不大。

2020年宁蒙河道洪水特点及冲淤变化分析

采用实测资料分析的研究方法,对2020年黄河上游洪水来源以及在通过宁蒙河道时洪水的水沙特点、河道冲淤特点、水位流量关系表现等进行了分析研究。结果表明:2020年汛期黄河上游洪水的水量大、沙量小、持续时间长;洪水对宁蒙河道产生了明显的冲刷作用,宁蒙河道洪水期河道冲刷了0.618亿t;洪水对河道过流能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段代表水文站同流量(2000m^(3)/s)水位下降0.09-0.16m,该场洪水有利于维持宁蒙河道的排洪排凌能力。

黄河上游沙漠宽谷河段近期水沙变化特点及趋势

采用统计分析、相关性分析、滑动平均法和Mann-Kendall趋势检验等方法,对黄河上游沙漠宽谷河段主要控制站下河沿、石嘴山及头道拐近期水沙变化特点和变化趋势进行了分析。研究认为:1990年以来河段水沙异源的特点更加显著;2000年以来各站径流量和输沙量减少明显,与1990年以前相比分别减少24.8%～39.8%和36.6%～73.6%;径流量和输沙量在汛期的集中程度降低;水文站水沙关系变化不大;趋势分析表明各站水沙均呈显著减少趋势,且输沙量的减少比径流量更明显,其中头道拐站减少幅度最大。同时对影响沙漠宽谷河段水沙条件变化的降水量、引水引沙、支流来水来沙、水库运用、河道冲淤调整等因素进行了初步分析。

论河流的弯曲机理

基于能量守恒原理,通过实体模型试验的方法,对河流发生弯曲的机理进行了探讨。研究认为,河流具有弯曲的自然属性,其弯曲程度主要取决于水流能量的大小,与流量、比降有很大关系;河流发生弯曲是水流为补偿能量损失得以保持运动而形成的一种自然造床过程,河流在运动过程中,通过弯曲形成上游壅水,增加势能,使下游比降相对增大,动能得以增加,从而保持河段内的水沙输移达到相对平衡,此即"动能自补偿"的弯曲机理;河流弯曲程度与需要补偿的动能多少有关,河段上下断面的动能差越大,河段弯曲系数就越大。"动能自补偿"的机理得到了实验室观测结果的验证和野外原型定位观测资料的佐证。

小浪底水库对水沙的调控及下游河道响应

冲积性河流上修建水库后,由于对水沙的调节,下游河道将发生相应调整,直至和新的水沙条件相适应。小浪底水库位于控制黄河水沙的关键部位,1999年10月25日下闸蓄水,目前水库仍处于拦沙初期的运用阶段,五年来以水库异重流排沙为主,期间进行了三次调水调沙试验,绝大多数中粗泥沙拦在库内,进入下游的水沙量和过程均发生了显著变化,主要表现为:下泄水流含沙量低、泥沙颗粒较细、洪峰调平、汛期(7-10月)水量减少、非汛期水量增大。在这种水沙条件下,黄河下游河道持续冲刷,平滩流量增大,河槽趋于窄深、河床粗化,河势发生调整。

水库运用对宁蒙河道水沙条件的影响

依据实测资料分析了龙羊峡、刘家峡2水库运用对宁蒙河道水沙条件的影响,结果表明：①两库调蓄运用改变了进出库站的径流年内分配,汛期水量占年水量的比例由建库前的60%降为40%左右;出库大流量历时缩短,小流量历时延长;非汛期出库流量普遍加大。②两库运用后,宁蒙河道汛期沙量占全年的比例由建库前的81%～87%降为78%～60%;头道拐汛期大于2000 m^3/s流量级历时由年均32.3 d减少到2.4 d,占汛期历时的比例由26%减少到2%。③水库调蓄洪水使得对内蒙古河段支流汇入的高含沙水流的稀释作用减弱,加重了干支流汇合口局部河道的淤堵。

宁蒙河道冲淤规律及输沙特性研究

根据黄河上游水文及河道实测资料,探索了宁蒙河道的冲淤规律与输沙特性,结果表明:①宁蒙河道单位水量冲淤量与来沙系数关系较好,汛期、非汛期、洪水期在来沙系数分别为0.003 4、0.001 7、0.003 8 kg·s/m^6左右时河道冲淤基本平衡;②宁蒙河道具有泥沙"多来、多淤、多排"的特性;③上游大型水库的运用方式对宁蒙河道的冲淤演变产生了不利影响,但冲淤规律和输沙特性并未发生显著改变;④建议在保证适当水量以维持河道健康的前提下,采取更直接、高效的措施解决宁蒙河道的淤积问题。

2012年宁蒙河段洪水特点及对河道的影响

利用实测资料分析了2012 年黄河上游洪水的水沙特点和洪水演进、传播特性以及洪水对河道冲淤的影响,结果表明：2012 年黄河上游洪水水量大、沙量小、漫滩严重,洪水传播速度慢,洪水峰型沿程有所改变;洪水期河道冲淤调整剧烈,整个宁蒙河段河槽冲刷1. 916 亿t,滩地淤积量达2. 032 亿t,冲刷以中粗沙为主.洪水对河道排洪能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段代表水文站同流量水位下降0. 43 ～0. 63 m,平滩流量增大了201 ～ 588 m^3 / s.漫滩洪水对宁蒙河段河槽的塑造作用较大,建议充分利用大漫滩洪水维持宁蒙河道的长期排洪排凌能力.

黄河内蒙古河段2012年洪水前后河势演变

为了分析黄河内蒙古河段2012年大洪水前后河势的演变特征,采用洪水前、洪水期、洪水后的卫星遥感影像资料统计了洪水前后的主流摆幅和裁弯比,并结合巴彦高勒、三湖河口和头道拐的实测水流泥沙资料以及大断面资料分析了河道冲淤特征和典型断面变化特征。分析结果表明:河道主流摆幅具有逐渐增大趋势,至过渡段之后减小;与近期平均摆幅相比,游荡段和弯曲段明显减小,过渡段有所增加;游荡段最大摆幅为1240m,洪水过后仍有多处心滩发育,游荡特性未改变;过渡段和弯曲段河道发生5处裁弯,平均裁弯比为37%;大洪水作用下内蒙古河道具有上冲下淤的特点,接近冲淤平衡,河道断面主槽普遍冲刷下降。

减缓宁蒙河道泥沙淤积方案及效果研究

通过对实测资料的分析,阐明宁蒙河道不同粒径泥沙来源及冲淤规律:细泥沙是宁蒙河道来沙的主体,主要来源于下河沿以上和宁夏支流,且细、中泥沙冲淤效率与水沙条件有较好的响应关系,随流量的增大河道淤积效率显著降低;而较粗泥沙和特粗泥沙在来沙量中比例较低,特粗泥沙主要来源于入黄风沙,多发生淤积且流量增大也难以提高输送能力。由此提出宁蒙河道减缓淤积的“拦粗排细”综合治理方案,水库调控恢复洪水过程输送细、中泥沙,水土保持和风沙治理拦减较粗泥沙和特粗泥沙。制定了多种减淤方案,并利用水动力模型进行了方案计算,表明各种单项措施减淤效果都有限,河道仍持续淤积,只有采用“拦粗排细”综合治理方案可使河道微冲,且包含水库调控恢复洪水过程的方案对内蒙古河段的减淤效果较好。

小浪底水库运用以来黄河下游冲淤调整特点

系统分析了小浪底水库运用5年来黄河下游河道的冲淤调整情况,结果表明:下游河道沿程冲刷,河道萎缩局面得以遏制;水文站同流量水位下降;河道排洪能力增大,平滩流量增大。但由于下游来水量偏少,河道冲刷量尤其是下游中段冲刷偏少,河道断面调整幅度较小。同时基于洪水造床作用远大于平水过程造床作用的认识,建议充分利用小浪底水库拦沙的有利时机增强河道的排洪输沙能力,及时加强针对枯水条件下的研究工作。

青铜峡水库排沙对下游河道冲淤的影响

统计了青铜峡水库汛期排沙和汛末拉沙期间下游各河段的淤积状况,通过建立水库下游河道排沙比与进入河道的水沙条件的定量关系,分析有无青铜峡水库时相应时期水库下游河道的冲淤状况。结果表明:由于水库汛期排沙对水沙条件的改变是有限的,因此水库汛期运用未对其下游河道造成增淤;汛末拉沙对下游河道造成了增淤,该期间若不排沙,则同期下游河段将发生微冲。

黄河沿—唐乃亥河段水沙变化特点分析

以黄河沿—唐乃亥河段实测资料为基础,分析了该河段水沙条件的变化特点。结果表明:与1970—1996年年均水、沙量相比,1997—2006年来水量、来沙量减幅分别为15.7%～76.4%和22.6%～81.1%,沙量的减幅大于水量的;唐乃亥站汛期87.3%的水流过程主要集中在小于1 000 m3/s的小流量级,洪峰流量大于1 000 m3/s的年均洪水场次由3.56次减少到2.70次,最大洪峰流量由5 450 m3/s减小到2 750 m3/s。

黄河唐乃亥以上地区洪水变化特点分析

以黄河上游黄河沿—唐乃亥河段1956年以来长系列实测资料为基础,分析阐明了1956—2006年该河段洪水水沙变化的特点.结果表明:与1970—1996年相比,1997—2006年洪水期洪水场次减少,洪峰流量降低,洪水水量减小,洪水期历时缩短,洪水峰型改变,这一变化对黄河冲积性河道演变及防洪均产生了极为不利的影响.