基于遥感影像的黄河下游游荡型河段主槽演变特征研究

黄河河南段以游荡型河段为主,其水沙变化剧烈、主槽摆动频繁、河床变形严重,对河道生境产生了严重影响。采用Landsat卫星影像,并基于MNDVI水体指数对黄河游荡段30 a水体的河道边界信息进行提取,通过划分不同河段和区域计算不同时期河道主槽形态参数、河道摆动面积、摆动方向、迁移距离等指标,分析游荡段河道摆动的变化特征。结果表明:游荡段主槽水域面积明显减少,并向弯曲河流转变;R2区域是摆动面积最大及平均摆动面积最大的区域;1986-2019年游荡段左岸摆动的总面积为59.9 km^(2),向右岸摆动的总面积为53.3 km^(2),R1和R4段向左岸右岸摆动的面积大致相等,R2段主要向左岸摆动,R3段主要向右岸摆动,游荡段整体有略微向左岸摆动的趋势;R1区域整体略微向南迁移,R2区域整体向北迁移显著,R3整体向南迁移,R4整体略微向西迁移。小浪底水库运用后,进入游荡段水量与水库运用前基本相当,而泥沙主要集中在汛期输送;游荡段河道主槽变化与水流对滩岸土体的冲刷和洪水后的崩坍有关;控导工程对河流有明显的约束作用,R3区域中的部分河段S11、S12缺乏控导工程,河道主槽摆动剧烈。

黄河下游游荡段过流能力调整对水沙条件与断面形态的响应

河道过流能力与主槽形态有关,而主槽形态又取决于上游水沙条件,分析过流能力与这两者之间的关系对研究黄河下游游荡段河床演变规律有重要意义。从典型断面和河段平均两个尺度,定量分析了黄河下游游荡段1986-2015年平滩流量与水沙条件(来沙系数和水流冲刷强度)及汛前主槽形态(河相系数)之间的响应关系。结果表明:①1986年至小浪底水库运行前,游荡段淤积严重,主槽萎缩,河道过流能力急剧下降,自小浪底水库运行后,游荡段发生强烈冲刷,其断面持续趋向窄深,过流能力逐年恢复;②建立了断面和河段平滩流量与水沙条件及河相系数的幂函数关系,二者相关系数均在0.5以上,但河段尺度相比于断面尺度的相关系数至少可提高17%;③河段平滩流量与前5年汛期平均水流冲刷强度及河相系数的相关系数接近0.94,相应计算公式能较好地反映平滩流量的变化过程,为分析其他河段平滩流量的变化提供了参考方法。

持续冲刷期内黄河下游河床演变特点分析

基于2006年10月至2018年11月黄河下游12个典型断面观测数据,通过分析断面主槽平滩形态特征参数变化率及深泓线和主槽中心线的摆动强度,探讨了持续冲刷期内下游河床的调整变化过程及特点。结果表明:黄河下游断面形态调整表现出既有横向展宽又有冲深下切或淤高态势;河床平面摆动促进了断面主槽形态调整,河相系数变化率与深泓线和主槽中心线摆动强度均成正相关关系;来水来沙条件是主槽形态改变的主要驱动力,且可引起局部河段深泓线摆动强度增大。通过调整小浪底水库的运行模式及布设控导工程可进一步塑造并维持稳定的黄河下游中水河槽。

黄河下游河段平滩流量计算及变化过程分析

黄河下游不仅断面形态复杂,而且主槽形态特征及过流能力沿程变化较大。因此采用河段平均的特征变量来描述主槽形态及过流能力更具有代表性。本文提出了基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法表示河段平均的主槽特征变量,计算的河段平滩宽度、水深、面积及流量恒满足水流连续条件。采用该方法计算了1960-2006年中典型年份花园口至高村游荡河段的平滩流量。结果表明河段平滩流量能从总体上综合反映游荡段主槽的过流能力,且其变化幅度远小于断面平滩流量。分析了河段平滩流量与所在河段冲淤量的关系,并建立了河段平滩流量与进口断面两年平均的汛期流量及来沙系数的相关关系。计算了近期黄河下游各河段平滩流量的变化过程,所得结果较好地描述了平滩流量在高村至艾山河段较小,在其上游游荡段及下游弯曲段相对较大的"驼峰"现象。

黄河下游主槽断面形态对水沙变化响应过程的模拟

准确把握环境变化下前期水沙条件对当前河床形态调整的影响,建立非平衡态河床形态调整的模拟方法,对深化河床非平衡调整过程的认识至关重要。基于黄河下游花园口—利津河段1965—2015年的水沙和沿程82个大断面数据,首先统计分析了不同河段主槽断面形态参数(面积、河宽、水深和河相系数)的调整过程及其对水沙变化的响应规律;进而以水沙因子作为主槽断面形态调整的主控因素,采用滞后响应模型的多步递推模式,建立了其对前期水沙条件变化的滞后响应模型。结果表明,各河段面积、河宽和水深经历了减小—增加—减小—增加的变化过程,并且其与4 a滑动平均流量和含沙量之间分别呈正相关和负相关;而河相系数孙口以上段整体减小,孙口以下段呈增加—减小—增加—减小的变化过程,除花高段1965—1999年外,其与流量呈负相关,与含沙量呈正相关。滞后响应模型在黄河下游主槽断面形态对前期水沙条件响应过程的应用表明,各参数模型计算值与实测值符合程度均较高,模型能够很好地模拟主槽断面形态对水沙变化的响应调整过程,模型计算结果显示主槽断面形态调整受当年在内的前8 a水沙条件的累积影响,当年和前7 a水沙条件对当前断面形态的影响权重分别约为30%和70%。本文模型有助于深化前期水沙条件对当前河床形态调整影响机理的认识,并为未来不同水沙情形下主槽断面形态的预测提供了有效计算方法。

黄河下游宽滩过渡型河段水沙变化及地形调整

高村至陶城铺河段是黄河下游典型的宽滩过渡型河段,“二级悬河”发育严重。本文基于断面法和2000—2016年的水沙与实测大断面数据等资料,统计分析了小浪底水库运行后高村至陶城铺河段主槽和滩地的地形调整过程。结果表明:小浪底水库运行后,2000—2016年主槽持续冲刷,河相系数减小,断面形态更加窄深,平滩面积增幅普遍在200%以上,但是近年来调整强度明显减弱,高-孙段调整模式既有横向小幅展宽也有垂向冲深,孙-陶段调整模式以垂向冲深为主;主槽-滩区系统逐渐从沉积模式转为侵蚀模式,主槽侵蚀速率约0.07 m/a,滩区侵蚀速率在0.002~0.008 m/a之间,2000—2016年高村至陶城铺河段共累计侵蚀2.251亿m^(3)。时间上看,滩面横比降有所增大;空间上看,滩面横比降集中分布在0.5‰~2‰之间。

黄河下游游荡段排沙比对水沙条件与断面形态的响应

提高黄河下游游荡段的输沙能力是河道治理的主要任务,而河道输沙效率(排沙比)受到来水来沙条件和河床边界条件的共同影响。本文基于1971—2016年花园口—高村河段(简称花高段)的实测水沙及地形资料,计算了花高段的平均河相系数及水沙条件(来沙系数和水流冲刷强度),从汛期和场次洪水2个时间尺度,定量分析了排沙比与水沙条件及前一年汛后主槽形态之间的响应关系。分析结果表明:①汛期和场次洪水排沙比与来沙系数呈负相关,与水流冲刷强度呈正相关,临界的汛期不淤来沙系数为0.012 kg·s/m^(6),场次洪水排沙比与来沙系数及水量比的决定系数为0.76;②游荡段排沙比与河相系数呈负相关,当河相系数大于15/m^(0.5)时,河段排沙比基本小于1;③以来沙系数与河相系数为自变量的汛期排沙比计算式的决定系数为0.82,计算精度较高,对于场次洪水排沙比而言,断面形态的影响权重大于来沙系数。这些排沙比计算公式能够反映游荡段的输沙特点,有助于定量掌握断面形态及水沙条件对河道输沙能力的影响。

1986-2015年小浪底水库运行前后黄河下游主槽调整规律

基于黄河下游1986-2015年的水沙和沿程实测大断面数据等资料,统计分析了小浪底水库运行前后下游主槽断面形态参数(河宽、水深、河相系数)的调整过程。结果表明:1986-1999年小浪底运行前主槽持续淤积萎缩,主槽河宽和水深均减小,河宽与水深调整强度高村以上段河宽大于水深、断面河相系数明显减小,高村以下段河宽小于水深、河相系数小幅增加;2000-2015年小浪底水库运行后主槽持续冲刷,主槽河宽和水深增加,沿程各段水深调整强度均大于河宽,河相系数减小;各段断面形态调整方式淤积期表现为艾山以上游荡段和过渡段既有横向萎缩又有垂向淤高、艾山以下弯曲段以垂向淤高为主,冲刷期游荡段和过渡段为横向展宽和垂向冲深、弯曲段以垂向冲深为主;河宽淤积期减小速率明显大于冲刷期增加速率,水深淤积期减小速率略小于冲刷期增加速率,经过一轮淤积和冲刷后,断面形态向窄深方向发展;主槽断面形态调整规律与水沙条件密切相关,断面河相系数除游荡段淤积期与流量呈正相关、与含沙量呈负相关外,游荡段冲刷期、过渡段和弯曲段淤积与冲刷不同阶段,河相系数与流量呈负相关,与含沙量呈正相关。