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)。

黄河宁蒙河段河道岸滩特性及入黄泥沙来源初步分析

黄河宁蒙河段是黄河泥沙的主要来源区之一,也是黄河泥沙问题研究的重点河段。综合现有资料及对宁蒙河段现场监测结果,从河道形态、岸滩组成与塌岸现状以及入黄泥沙来源等角度对几个典型河段河道泥沙特性展开研究。研究成果表明,因大部分处于冲积型平原,宁蒙河段岸滩泥沙组成整体变化不大,唯支流入汇口处的岸滩泥沙组成相对复杂且受支流来沙影响大;河道摆动剧烈,塌岸现象频发;同时,沙漠段的风成沙、十大孔兑的支流入汇及以窝崩和条崩为主的塌岸等当地产沙是宁蒙河段泥沙的主要来源。

宁蒙黄河治理对策

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2000~2500 m^3/s,临界含沙量5.4~10.5 kg/m^3,调控时间为15~20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2500 m^3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3000 m^3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2600 m^3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。

黄河上游宁蒙河段气温变化对凌情影响的分析

利用 195 4— 1998年冬季 ( 11月至翌年 3月 )各月气温资料 ,研究了气温的时空分布规律、变化特点及其与宁蒙河段凌情的关系 .根据磴口、包头与托克托站的日平均气温 ,建立了气温特征值与部分凌情特征量的关系式 ,分析了气温变化和其它因素对凌情的影响 .

黄河宁蒙段河道水沙输移过程的仿真分析

通过建立河道水沙仿真系统模型,系统的模拟了天然状态下宁蒙河道泥沙的输移过程,并与现状条件下该河段泥沙输移过程进行比较.结果表明:龙羊峡和刘家峡水库建成运行后,由于水库拦蓄作用,宁蒙河段入口下河沿站1969-2003年累计减少输沙量25.9966×108t,说明上游梯级水库的蓄水拦沙作用显著地减轻了宁蒙河段的淤积过程.宁蒙河段的淤积主要原因是青铜峡水库和三盛公水利枢纽建成蓄水抬高了坝前水位,致使坝址上游河段河道比降减小,河流挟沙能力显著降低,河岸风沙的加入以及当地支流产沙突发性加入、宁蒙河段用水量不断增加,以及青铜峡、三盛公水库小水排沙等多重因素所致.人们不可能从根本上改变河流以及区间支流流域的自然特性,只能通过对治理沙源、疏浚河道、修筑堤岸的措施治理宁蒙河段,减缓或改善其淤积速率.

黄河上游宁蒙河段平滩流量变化过程研究

采用黄河上游宁蒙河段各水文站1965—2004年实测资料,分析了宁蒙河段平滩流量的变化过程,表明宁蒙河段平滩流量随时间呈现减小的趋势,特别是1986年龙羊峡水库运用后减小更为明显,已由20世纪60年代中期的3 600～5 800m^3/s减小到2004年的1 100～3 600m^3/s,尤以内蒙古河段的三湖河口站最为严重,从1986年的4 100m^3/s左右减小到2004年的1 100m^3/s左右,内蒙古河段平滩流量减小幅度要大于宁夏河段,主河槽出现明显萎缩。文中给出了宁蒙河段历年平滩流量与年和汛期来水量的响应关系,具有随年和汛期来水量增加而增大的规律。进一步分析表明,当年来水量为200亿m^3或汛期来水量为80亿m^3时,宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别约为3 100,2 850m^3/s;当年来水量为300亿m^3或汛期来水量为170亿m^3时,宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别约为4 300,4 000m^3/s。分析结果可为宁蒙河段河道进一步整治的研究提供基础。

黄河巴彦高勒-头道拐河段泥沙冲淤调整特点

通过实测资料分析,阐明黄河上游宁蒙河道巴彦高勒-头道拐河段不同粒径泥沙来源及冲淤调整特点:长时期(1952—2012年)河段来沙组成以细泥沙为主,占总沙量的52.7%,且来源与中泥沙和较粗泥沙相同,主要来自巴彦高勒以上;特粗泥沙是淤积的主体,占总淤积量的56.2%,且来源比例在巴彦高勒以上、十大孔兑和沿河沙漠三个地区比较相近。不同粒径泥沙的普遍冲淤调整规律为:细泥沙、中泥沙和较粗泥沙随来水来沙发生冲淤调整,特粗泥沙持续累积淤积。因此,不同粒径泥沙在不同时期的年内调整特点有较大差别,汛期1986年以前特粗泥沙是淤积的主体,细泥沙和中泥沙冲刷;1986年后细泥沙和中泥沙转冲为淤,细泥沙成为淤积的主体。非汛期泥沙由1986年前的冲刷转为1986年后的淤积,主要在于细泥沙和中泥沙由冲转淤及较粗泥沙的增淤。初步分析表明,河段各时期泥沙的冲淤调整取决于干流来水来沙量及水流过程,十大孔兑的来沙量也有较大影响。研究结果可为宁蒙河道悬河治理提供基础支撑。

黄河宁蒙河段凌汛灾害特点及防御措施

针对黄河宁蒙河段多年来,凌汛灾害防御措施及其效果加以分析总结,供具有凌汛特点的流域河流制定防凌措施参考。

黄河宁蒙河段悬沙冲淤量时空变化及其影响因素

通过对黄河宁蒙河段6个水文站1952～2003年间的实测悬移质泥沙资料,运用输沙平衡方法,对划分的5个时段和5个区段的悬沙冲淤量进行了计算分析,探讨宁蒙河段悬沙冲淤量的时空变化规律。黄河上游无大型水库的1952～1959年间和水库建成坝下河道充分调整后的1994～2003年间,宁蒙河段强烈淤积,年均悬沙淤积量分别为0.9588亿t/a和0.9503亿t/a;而期间的三个时段,年均悬沙分别为净侵蚀0.6127亿t/a、微淤0.0161亿t/a和较强淤积0.7475亿t/a。年均悬沙淤积量在宁蒙河段为0.345亿t/a;在宁夏河段为0.076亿t/a,其中下沿河～青铜峡区段微淤,青铜峡～石嘴山区段冲淤平衡;在内蒙古河段总和为0.269亿t/a,石嘴山～巴彦高乐、巴彦高乐～三湖河口、三湖河口～头道拐三个区段分别为0.0084亿t/a、0.113亿t/a和0.147亿t/a,沿程增大。悬沙淤积量的时间变化主要受到区间支流来沙量变化和水库建设的双重影响,而空间变化主要受到青铜峡水库拦沙以及刘家峡、龙羊峡水库消减洪峰的影响。黄河宁蒙河段处于构造沉降区,淤积是总趋势,人类活动可以引起个别时段、区段发生侵蚀,但无法改变其沉积的总趋势。