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)。

黄河宁蒙河段凌情演变的年代际特征分析

宁蒙河段是黄河防凌的重点河段,其凌情演变的年代际特征及驱动因素对做好防凌工作具有重要意义。从年代际变化来看,宁蒙河段整体上呈现首凌、首封日期推迟,开河日期提前,水文站最大冰厚变薄,槽蓄水增量增大,开河凌峰及最大十日水量减小等特点。从热力因素、水流动力因素、河道边界条件和水利工程影响等方面分析了形成上述特点的主要影响因素,结果表明:凌汛期气温逐年代上升、水库运用改变径流年内分配使凌汛期来水偏多,河道淤积造成过流能力降低以及逐渐发展成熟的防凌调度思路是形成上述年代际特征的根本原因。

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。

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。

黄河上游干流水库调节水沙对宁蒙河道的影响

黄河上游干流大型水库投入运用后,在带来了巨大的发电、防洪、灌溉和防凌效益的同时,也给枢纽下游冲积性河道的演变带来了一些负面的影响。本文主要对水库运用前后黄河上游宁蒙河道水沙条件的变化和河道冲淤演变进行分析研究,给出了头道拐站输沙能力与流量间的量化关系。在分析泥沙输移规律和宁蒙河道淤积成因的基础上,计算了龙羊峡和刘家峡水库调节水沙对宁蒙河道的影响。初步计算分析了内蒙河道维持目前过洪现状及恢复到2 000m3/s平滩流量条件下所需要的水量。该研究对西线调水和水库运用具有指导作用。

龙刘两库联合运用对宁蒙河段冰塞影响分析

自1986年龙刘两库联合运用后,宁蒙河段冰坝数量减少的同时,出现了冰塞灾害发生几率增加,冰塞时间分布由封河期出现转为封河、开河都出现,槽蓄水增量增大,同流量水位偏高,灾害损失惨重等凌汛新问题。本文首先分析冰塞形成和发展的主要因素。其次,研究了龙刘两库联合运用对这些因素的改变;利用冰水力学理论,揭示了龙刘两库联合运用对宁蒙河段冰塞特性的影响,从理论上得出凌汛新问题的根源是龙刘两库联合运用加剧宁蒙河道淤积。最后,指出调水调沙是防凌和解决凌汛新问题的关键措施。

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。

黄河宁蒙河段沙样粒度与分形维数特征

采用分形理论与线性回归方法研究了黄河宁蒙河段附近地区沙漠表层沙样的粒度及其分形维数特征,发现其机械组成中以细砂、粉砂为主,粒度分形维数值与砂粒呈反相关关系,与粉粒、黏粒呈正相关关系.从腾格里沙漠沿河而下直到库布齐沙漠,4个沙区的分选系数、粒度分形维数值依次减小,并且两者呈现较好的正相关关系.在粒度及分形维数分析结果中,0.10 mm粒径是一个重要的分界值.

黄河宁蒙河段河道淤积萎缩及其对凌汛的影响

对1987年以来黄河宁蒙河段主槽淤积萎缩的情况进行了论述,指出其特征主要包括河床淤积严重、主槽过流能力下降、同流量水位偏高等,形成这一状况的原因有:①上游来水量偏少,用水量迅速增长,径流量减少;②十大孔兑入黄泥沙量剧增。其对凌汛的影响:①封河期发生冰塞的几率增大;②槽蓄水量增多;③开河期水位偏高。

支流来水来沙对黄河宁蒙河段冲淤的影响

采用实测资料分析和数学模型计算等多种手段分析了支流来水来沙对宁蒙河段淤积的影响。结果表明:宁蒙河段支流来沙量与干流淤积量的相关性较强,是影响宁蒙河段淤积的主要因素之一;考虑支流来水来沙与不考虑支流来水来沙相比,宁蒙河段年均多淤积0.301亿t,1986年以前年均多淤积0.207亿t,1986年以后年均多淤积0.377亿t。

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。

生态视域下宁蒙引黄灌区节水潜力分析

在对宁蒙引黄灌区节水潜力概念辨析的基础上,应用基于数量生态学的高斯模型和实地查勘确定灌区合理地下水位,分析灌溉水量与地下水位变化之间的关系;采用全生育期作物产量与耗水量函数关系式计算灌区合理灌溉定额。通过灌区植被合理的地下水位和典型作物经济灌溉定额定性说明宁蒙引黄灌区不可无限制节水。并以青铜峡灌区为例,计算灌区及其周边生态需水量,定量分析了基于生态约束条件下的节水潜力。结果表明,极限节水模式下青铜峡灌区节水潜力并不大,远远小于传统意义上的节水潜力,大规模节水必然改变灌区水循环过程和地下水补给规律,进而可能对灌区及其周边植被、湖泊湿地带来影响。

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。

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。

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。

宁蒙灌区灌溉定额偏高成因及节水潜力分析

宁蒙灌区灌溉定额是关中地区的 6倍左右 ,因而常常遭受各方的批评。但宁蒙灌区灌溉定额高并非完全是不合理的大水漫灌的结果 ,在很大程度上有其自然规律的必然性和合理性。由于自然条件的差异 ,宁蒙灌区的作物需水量、净灌溉定额本来就要比关中地区高很多。如果不改变目前的作物品种和种植结构 ,宁蒙灌区较高的灌溉定额 60 %左右是合理的 ,只有 40 %左右是不合理的。这既说明了宁蒙灌区节水的巨大潜力 ,只要达到关中地区的水资源有效利用系数 0 5 ,就可以减少引水 40 %左右 ,减少灌溉耗水的3 0 %左右 ;同时也说明了宁蒙灌区节水的限度 :在目前的作物品种和种植结构下 ,宁蒙灌区的灌溉定额不可能降低到与黄河中下游地区相同的水平 ,仍将维持在关中地区目前灌溉定额 (2 70 0m3 hm-2 左右 )的 3倍以上。要想进一步降低宁蒙灌区的灌溉用水 ,只有在改变灌溉方式 (如改普通地面灌为喷灌、滴灌 )以降低作物需水量。