流凌封河预报指标法及其在黄河内蒙古河段的应用

把流凌封河累积负气温作为黄河内蒙古河段封河预报关键指标,明确累积负气温与封河流量、降温强度、河槽形态等的关系,确定现有河槽形态以及海勃湾水库运用影响下不同流量和降温强度封河所需的累积负气温,并建立了流凌封河累积负气温预估公式。指标法可以在很大程度上提高黄河内蒙古河段封河预报的预见期与精度。

黄河宁蒙河段凌情灾害成因分析及防御措施研究

随着经济社会的高速发展,对黄河的防凌安全提出了更高的要求,研究凌情灾害成因及防御措施变化显得尤为重要。通过分析,影响宁蒙河段凌情变化的因素主要包括热力条件、水动力条件和河道边界条件。通过梳理1989年以来宁蒙河段典型凌灾情况,发现造成冰凌灾害的严重凌情多受剧烈天气过程、河道流量变化、复杂河道条件等因素影响。为避免宁蒙河段凌汛灾害,针对热力因素,应及早开展凌汛期气温凌情预报工作;针对水动力因素,应优化凌汛期水库群和分凌工程联合调度;针对河道边界条件,应提前拆除临时阻水建筑物,保证河道畅通,协调空军部队在险情发生时及时轰炸破冰,并加快黑山峡水利枢纽建设,恢复和长期维持较大的中水河槽过流能力,为宁蒙河段防凌防洪提供基本条件。

黄河内蒙古河段凌汛期首封影响参数辨识和预报模型研究

黄河上游河道首封时间和地点准确预报是制定科学防凌预案的关键。本研究在总结黄河内蒙古河段首次封冻地点基础上,总结了首封河段同河道弯曲、束窄、桥梁及河心滩等河道特征的关系,定量总结了易发生首封河道的地形特征为:河段处弯曲系数大于1.5、束窄系数在0.25~0.60范围内,为首封地点分析预测提供依据。在总结首封日期影响因子特征基础上,分别基于随机森林和BP-DEMATEL模型构建首封日期分析模型,得到影响首封日期的主要因子权重,并应用到首封日期预报中。通过因子选择和模型比较两方面对比,随机森林模型选取出的关键因子得到的预报结果与实测值吻合率100%,其在首封分析中的应用效果最优。

基于MWP检验的黄河内蒙古河段水沙过程时变点分析

运用统计学方法确定水沙过程发生变异的原因及标志性节点,是理解河势演变制约机制与发展趋势的一种重要研究手段。近年提出的MWP非参数检验法对时序数据总体分布的假定要求较宽,具有避免严重分析误差、适用性强的特点。采用这一方法对黄河内蒙古河段3个水文站1973-2004年实测径流泥沙资料进行时间序列分析,获得了以含沙量、流量为指标的多级水沙时变点信息。研究表明,河流特殊水文事件会引起水沙时间序列时变点的响应,Ut曲线的波峰与波谷(KT)体现了时间序列中对水沙过程影响最大的节点即非参数检验统计突变点。一级时变点是长时段水沙过程出现趋势性变化的标志性节点,上游龙羊峡水库运用就在一级时变点中得到映射。二级时变点多为短期偶发事件引起水沙过程局部调整的标志性节点。借助MWP检验法确定河流水沙时间序列的多级时变点,可确定影响河流水沙过程长期变化趋势与局部时段调整的关键因子,追溯水文情势变化诱因,有助于认识近年黄河水沙变异的态势。

创建黄河中游水土保持高质量监管示范区的机制与模式

黄河中游地区是国家重要生态功能区、能源基地,防治水土流失、保护生态任务艰巨,迫切需要科学、精准、高效监管。针对黄河流域生产建设项目水土保持监管工作面广量大、监管能力不足、传统监管方式时效性不强等问题,提出了在晋陕蒙接壤地区创建水土保持高质量监管示范区的工作机制、模式等:一是创新工作目标,率先做到无违规项目;二是创新合作共建工作体制,构建目标一致、行动自觉、协同发力的工作机制;三是创新内生动力,以自律守约为核心,整体提升水土保持信用水平;四是创新认知提升路径,各级领导、建设单位、青少年、社会公众整体提升水土保持生态文明认知水平与能力,做到知行合一;五是创新高质量评价内涵,全面提升科技支撑水平;六是数字赋能,科学分类管理,创新智慧监管平台,使生产建设项目水土保持监管工作实现智慧技术指导、智慧跟踪、智慧预警。

冻融作用对岸坡土体宏微观特性及岸坡稳定性影响研究

冻融作用是季冻区岸坡失稳破坏的主要原因。以黄河内蒙古什四份子弯道岸坡土体为对象,通过三轴剪切和扫描电镜试验,研究了冻融作用下岸坡土体的宏观和微观特性,并基于强度折减法,对冻融前后岸坡稳定性进行了分析。结果表明:随冻融循环次数增加,土体弹性模量、黏聚力和抗剪强度均呈减小趋势,其中弹性模量大小与含水率成反比,黏聚力在15次冻融后降幅达43.6%~60.04%,内摩擦角无明显变化规律;冻融后土体颗粒真圆度和孔隙概率熵随冻融次数增加先下降后上升,颗粒分形维度变化趋势与之相反,土体定向性和孔隙率呈增大趋势;黏聚力与土体孔隙率和颗粒真圆度相关,特别是与孔隙率呈高度负相关性,且土体微观参数间有明显的自相关性;冻融后岸坡稳定安全系数降幅达41.8%,说明冻融作用会显著降低岸坡稳定性,冻融后岸坡易发生失稳破坏。

黄河宁蒙河段2011-2020年凌情演变规律分析

凌汛是黄河冬春季最突出、最主要的汛情,其中宁蒙河段是黄河防凌的重点河段。2011-2020年黄河宁蒙河段凌情出现了一系列新规律、新特点,主要呈现流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄、槽蓄水增量减小、开河历时变长、开河凌峰及最大10 d水量减小等特征。从热力因素、水流动力因素、河道边界条件和水库调度影响等方面分析2011-2020年凌情演变的主要驱动因素,结果表明:气温整体偏高且上下游温差增大是宁蒙河段流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄的主要原因;凌汛期来水偏多,月际分配发生明显变化,在一定程度上造成了流凌封河日期推迟、开河历时变长、开河凌峰及最大10 d水量减小;河道条件明显改善,有利于冰下过流能力的恢复,造成槽蓄水增量近年来呈减小趋势;海勃湾水库的投入运用在一定程度上改变了坝址以下河段的冰凌演变规律,同时科学合理的水库调度也为平稳封开河创造了有利条件。

黄河内蒙古段造床流量变化及其影响因素

造床流量是反映河床冲淤的表征指标,也是河道整治的主要参数。基于1960—2019年实测数据,运用改进马卡维耶夫法、平滩水位法、地貌功法,计算并分析了石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐水文站造床流量。结果表明:时间上,1960—1989年、2010—2019年造床流量为2100~3540 m^(3)/s,中水河槽冲刷,1990—2009年造床流量为740~1300 m^(3)/s,河槽淤积萎缩严重;空间上,造床流量呈现上站大于下站的特点;造床流量受来水量影响较大,在汛期水量低于105亿m 3的情况下,可以通过刘家峡、龙羊峡、海勃湾水库三库联调适当增大汛期来水量,强化黄河内蒙古段造床作用。研究结果显示改进马卡维耶夫法物理意义明确,计算结果相对合理,可为冲积性河流造床流量确定及黄河内蒙古段河道治理提供参考。

黄河宁蒙河段凌情特性研究

统计分析了黄河宁蒙河段1950-2004年流凌、封河、开河日期特征值,并对河道最大槽蓄水增量作了初步分析。研究表明宁蒙河段开河时一般从上游向下游解冻,河槽蓄水量沿程不断释放并加入,使开河时凌峰流量沿程增大;凌情的发生、发展及消失演变的过程,主要取决于河道形态(地理位置、走向及边界特征)、水文条件和气象条件以及人类活动等因素;水库的运用对凌情的演变有重要影响。

黄河宁蒙河段冲淤时空分布特征与淤积原因

在补充完善水沙、观测断面等资料的基础上,采用沙量平衡法和断面法分析计算了1960年以来宁蒙河段的泥沙冲淤量,两种方法计算结果接近、各有特点,可互为补充使用。分析冲淤量时间分布特征表明,不同时期年内的冲淤分配特征不同,1987年以来宁蒙河段泥沙淤积加重,且淤积加重主要集中在汛期和小于0.1 mm的各粒径组泥沙,大于0.1 mm的粗泥沙淤积量有所减少。分析冲淤量空间分布结果表明,宁蒙河段淤积主要发生在内蒙古三湖河口至头道拐河段和巴彦高勒至三湖河口河段,1987年以来以河槽淤积为主,横断面萎缩。根据宁蒙河段水沙来源情况,从多个方面分析宁蒙河段淤积变化原因表明,干流水沙条件变化尤其是龙刘水库联合运用对干流水沙条件的显著改变,包括减少了汛期水量以及大流量过程,是导致宁蒙河段淤积加重的主要原因。

黄河宁蒙河段冰凌变化新特点分析

基于冰凌观测资料,分析了黄河宁蒙河段2000年以来冰凌的变化特点。结果表明:河段流凌及封、开河特征发生明显改变;河道冰下过流能力明显下降,槽蓄水增量逐年增大;封、开河水位升高,河道堤防压力增大,凌情形势趋于复杂。建议在加强冰凌原型观测的基础上,开发具有物理机制的冰凌预报模型。

黄河上游宁蒙河段河道横断面形态对水沙变化的响应

采用黄河上游宁蒙河段各水文站1965-2004年实测资料,分析了宁蒙河段河道横断面形态变化过程及其与来水来沙的响应关系。结果表明,宁蒙河段各典型断面具有平滩面积逐年减小和平滩宽深比逐年增加的趋势,且平滩面积均随年水量的增加呈增加趋势,但各断面各时段增加的程度不同,1986年以前增加的幅度较小,1986年以后,宁夏河段增加幅度较小,而内蒙河段增加幅度较大;宁蒙河段断面宽深比随年均来沙系数的增加呈增大趋势,其中宁夏河段增大的趋势不明显,而内蒙河段1986年以前随年来沙系数的增加而增大较小,1986年以后随年来沙系数增加而增大的趋势较为明显。由此说明,宁夏河段断面形态变化相对较小,趋于稳定,而内蒙河段断面形态随年来沙系数的增加而变得越来越宽浅,断面有向宽浅发展的趋势。通过宁蒙河段排沙比与来水来沙的响应关系分析,得出了宁蒙河段河道断面形态趋于稳定即河槽不冲不淤时临界水沙边界条件。

黄河宁蒙段冰凌灾害及水库防凌措施

为减轻黄河宁蒙段的冰凌灾害,通过运用水库提高河高水位,加大冰下过流能力,减少河槽蓄水量,以削减开河期的凌峰流量,避免大流冰量的发生,而通过控制凌峰流量与洪量,可以削减下泄流量。同时,按照水力因素和冰情形态演变之间的关系,调整冬季河道流速变化,充分发挥水库在控制河冰危害中的作用,从而减轻冰凌危害。刘家峡水库运作后,冰凌灾害最严重的地区石嘴山站开河日期较以前提前了1 d;龙羊峡水库运用后,宁蒙各站开河日期均较以前提前了7～10 d。水库防凌是一种很有效的方法。黄河上游宁蒙河段凌汛自刘家峡等水库投入运用以来,开河期冰坝数由建库前的每年平均14个减少到4.3个,冰凌灾害明显减轻。

黄河宁蒙河段冰情预报决策支持系统的设计与开发

以黄河宁蒙河段为例,在对河段历史冰情变化规律及其影响因素分析的基础上,建立冰情预报数据库,进行数据挖掘,并以地理信息系统(GIS)为平台,以水文学流量演算、热力学、冰水力学等原理为基础,结合相关经验预报模型,建立用实测资料进行参数率定的冰情预报概念性数学模型和人工神经网络模型,初步探讨了集信息查询、模型参数率定、气温预报、冰情预报等功能为一体的冰情预报决策支持系统的设计与开发。

黄河宁蒙河道水沙变化及冲淤特性

采用断面法对黄河宁蒙河段的冲淤量进行了计算,分析了该河段的水沙变化情况及冲淤特性。结果表明:宁夏河道多年来呈微淤状态;内蒙古巴彦高勒—浦滩拐河段1962—1982年、1982—1991年、1991—2000年、2000—2008年年均淤积量分别为-0.009亿、0.379亿、0.540亿、0.620亿t;内蒙古河道2000—2008年主槽淤积量占全断面淤积量的90.9%,造成平滩流量减小,严重威胁防凌、防洪安全。

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.

2014—2015年度黄河宁蒙河段凌情及气象成因

2014-2015 年度凌汛期黄河宁蒙河段凌情特点主要表现为首凌日期晚、封河流量大、封河长度短、冰层偏薄、开河凌峰为历史最小等.该凌汛期影响内蒙古河段的冷空气过程强度偏弱,气温较常年偏高,尤其是2015 年1 月内蒙古河段气温异常偏高,磴口、包头、托克托三站月平均气温偏高2.9～ 4.9 ℃.造成宁蒙河段冬季气温偏高的主要因素：①500 hPa 高空图上,2014 年11 月及2015 年1-3 月极涡均维持在北纬60°以北的极地区域;②亚洲中纬度地区盛行纬向环流,不利于北方冷空气南下;③地面图上蒙古冷高压势力偏弱.

黄河上游宁蒙河段水沙变化特征分析

基于黄河上游4个水文站点1950—2009年实测年径流量和年输沙量的数据,利用趋势分析法、Mann-Kendall趋势检验及突变检验、Morlet小波分析等方法,对黄河上游来水来沙的时空变化特征、突变特点和变化周期进行了分析。结果表明:①近60 a来,黄河上游年径流量和年输沙量均呈明显减少趋势,头道拐站年径流量减幅最大,下河沿站年输沙量减幅最大;②径流量和输沙量序列均存在显著突变,但突变时间存在差异性,且输沙量的敏感性更强;③黄河上游水沙序列存在多时间尺度变化,但变化尺度并不一致。

近10年黄河宁蒙河段凌情特征分析

选取黄河宁蒙河段石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐4个站点,分别统计分析了1951年-2000年和2001年-2010年流凌、封河、开河日期特征,并对凌峰和槽蓄增量进行了较系统地分析。结果表明,近10年来由于冬季气温持续偏高和水库调度等因素的影响,黄河宁蒙河段凌情发生变化,表现为封/开河日期推迟、封河历时缩短、开河凌峰流量减小、槽蓄水量增加、冰塞/冰坝发生次数减少等特点。研究成果可为黄河宁蒙河段防凌减灾等实际工作提供参考。

龙刘水库联合运用对宁蒙河道冲淤的影响

通过对水流连续方程、水流动量方程和河床变形方程进行离散化处理,建立宁蒙河道的水文水动力学冲淤计算模型,利用该模型对龙刘水库联合运用对宁蒙河道冲淤的影响进行了计算和分析。选取龙刘水库联合运用初期的1987—1990年为计算时段,在相似的引水条件下研究龙刘水库运用对河道冲淤的影响,计算水沙未还原、水沙均还原、只还原水不还原沙和只还原沙不还原水等4种水沙条件下宁蒙河道的冲淤状况。结果表明,龙刘水库联合运用对宁蒙河道起到了增淤的作用,龙刘水库运用后,其蓄水所引起的河道淤积效应大于其拦沙所引起的河道减淤效应。