黄河下游宽滩区不同运用模式滞洪沉沙效果试验

黄河下游宽滩区既是大洪水期行洪通道,具有滞洪、沉沙功能,又是180多万滩区人民居住场所。如何解决保证滩区群众生命财产安全与自然行滞洪、沉沙功能的发挥这一对矛盾,是治黄工作长期面临的难题之一。通过对比不同滩区运用模式下宽滩区洪水淹没范围、滞洪量和沉沙量,分析宽滩区不同运用模式对滩区滞洪沉沙效果的影响,以期为黄河下游河道治理和宽滩区安全建设提供有力科学依据。研究结果表明,两种洪水条件下无防护堤模式淹没范围均大于防护堤模式;中常洪水条件无防护堤模式滞洪量和沉沙量大于防护堤模式;大洪水条件无防护堤模式总滞洪量稍小于防护堤模式、沉沙量大于防护堤模式;两种洪水条件防护堤模式高村以下窄河段滩区漫滩状况均较无防护堤模式严重。

黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型及其应用

黄河下游宽滩区既是大洪水行洪滞洪沉沙的通道,又是滩区群众赖以生存和发展的家园,如何合理运用宽滩区是长期备受关注和争议的话题。本文在水沙统筹、空间统筹和时间统筹原则的指导下,建立了黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价指标体系,构建了基于Pareto最优解的黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型,利用1958、1982、1992和1996年4场洪水实测资料,对该模型的合理性进行了验证。应用上述模型对黄河下游宽滩区不同运用方式的12组二维数学模型计算方案进行了评价,结果表明,洪水量级对减灾效应影响显著;相同洪水条件下设防护堤并控制闸门运用(有闸)或分区运用(5滩、10滩)方案能在滞洪沉沙功能和减灾效应之间取得更好的平衡,可作为未来滩区优化运用的决策参考。

黄河下游宽滩区“建城移民”的初步设想

由于黄河具有冲积性能特别强烈的基本特点,黄河下游洪水危害特别大,维护黄河下游河道的相对稳定、严防黄河下游洪灾的发生,须臾不可懈怠。位于黄河下游上段的宽滩区在维系黄河下游防洪安全和生态安全方面有着极为重要的意义,然而滩区人与河的矛盾由来已久,最近且有恶化的倾向,既对黄河下游防洪安全造成巨大隐患,又严重影响到滩区近两百万居民的脱贫致富。这一历史困局应该尽早在“黄河生态文明建设”中得以解决的。为此,我们提出了“建城移民”的初步构想:在宽滩区靠近大堤的适当部位划出若干大块,组建新城镇或新市区,用以安置滩区原有全部居民,同时在政府的导引和扶持下,按市场经济的规律发展现代化产业,让移民新城成为现代化生产的乐土。滩区居民搬出后,仍在较长时间内基本保留原有的土地关系,农民仍可在原有土地上耕耘,以利于平稳过渡。如此,可将黄河下游滩区由无序转化为有序,让黄河更好地造福人民。

黄河下游宽滩区洪涝灾害物理暴露量研究

利用ArcGIS空间分析技术,根据已经构建的黄河下游宽滩区洪涝灾害数据库,结合实体模型试验成果,分析黄河下游宽滩区无、有防护堤两种运用模式下的人口、GDP、粮食产量和固定资产等物理暴露量。结果表明:①未调控“58·7”洪水情景下无、有防护堤模式的淹没面积分别为841.88、667.54 km^2;调控“58·7”洪水情景下无、有防护堤模式的淹没面积分别为64.46、69.78 km^2。调控“58·7”洪水情景无防护堤模式下淹没范围集中于高村—孙口河段上半部习城滩到梁集滩,调控“58·7”洪水情景防护堤模式下淹没范围集中于高村—孙口河段下半部蔡楼滩到赵桥滩。②以2010年为基础年,未调控“58·7”洪水无防护堤模式和调控“58·7”洪水防护堤模式两种情景下,人口暴露量分别为55.65万人、6.44万人,GDP暴露量分别为29.31亿元、4.51亿元。总体来看,黄河下游宽滩区遭受大洪水时洪涝灾害的防御效果,调控洪水情景优于未调控洪水,有防护堤模式优于无防护堤模式。

黄河下游宽滩区及其沿线植被覆盖度变化特征

植被覆盖度是反映黄河下游宽滩区生态环境状态的重要指标,其变化反映了自然演化和人类活动对生态环境的影响,以黄河下游宽滩区及其沿线行政区为研究对象,利用1987年、1994年、1998年、2003年、2008年、2013年、2017年Landsat遥感影像,采用归一化植被指数像元二分法,反演出植被覆盖度及其分级,利用一元线性趋势分析、转移矩阵法、重心迁移模型、相关性分析等方法,探究研究区植被覆盖度时空变化特征及影响因素。结果表明:黄河下游宽滩区沿线及宽滩区内植被覆盖整体呈改善趋势,且宽滩区内植被覆盖度在2003年之后与宽滩区沿线植被覆盖度差距逐渐减小并在2017年实现反超;黄河下游宽滩区沿线植被覆盖度年内变化呈现明显“双峰型”特征;河道收束和城镇化发展对植被覆盖度年际变化有重要影响。

黄河下游宽滩区土地利用格局时空演变及影响因素

以兼具防洪安全和百姓安居双重功能的黄河下游宽滩区为研究对象,利用变化动态度、转移矩阵、迁移轨迹图、Logistic回归模型等方法,分析1980—2020年黄河下游宽滩区土地利用时空演变特征及迁移轨迹,探讨影响土地利用变化的主要因素。结果表明:耕地、水域和建设用地是黄河下游宽滩区的主要土地利用类型,其中建设用地聚集于连续的、成片的大滩区;1980—2020年耕地面积呈持续增大趋势,水域呈持续减小趋势,建设用地基本维持稳定;1990—2000年是变化最剧烈的时期,主要是耕地面积的大幅增加以及水域面积的大幅减小;2000年以前主要是水域转化为耕地,2000年以后耕地(128.71 km^(2))与建设用地(129.61 km^(2))的相互转化占据主导;有别于其他区域(流域),影响黄河下游宽滩区土地利用变化的主要因素是河道工程、滩区规模以及政策法规等。未来需基于滩区自然禀赋和河道整治情况,探索土地分类管理和用途管制制度,推动黄河下游宽滩区土地合理利用与可持续发展。

黄河下游宽滩区重大洪涝灾害情景下的物理暴露量分析

分析黄河下游宽滩区面对重大洪涝灾害情景的物理暴露性可为黄河下游防洪减灾决策提供科学依据。基于情景分析方法和ArcGIS空间分析技术,构建黄河下游宽滩区洪涝灾害数据库,以1958年7月和1977年8月两场历史洪水为情景,结合滩区不同运用方案,分析不同洪水情景下滩区的淹没面积,从人口、GDP、粮食产量、固定资产等方面评估区域承灾体的物理暴露量,得到如下结果:①1958年7月洪水情景下基准方案的淹没面积为1 272.40 km^2。有堤无闸运用方案滩区淹没面积远小于基准方案,在有堤有闸运用方案下,8 000 m^3/s和10 000 m^3/s流量下,淹没面积几乎无变化。1977年8月洪水情景下有堤无闸运用方案滩区几乎没有洪水淹没,有堤有闸运用方案的淹没面积比1958年7月洪水情景下的要小。②如果这两种洪水情景发生在2010年,1958年7月洪水情景下人口暴露量为166.45万人,GDP暴露量为100.26亿元。1977年8月洪水情景下人口暴露量为133.67万人,GDP暴露量为63.82亿元。总体来看,基准方案的暴露量大于有堤有闸方案,然后是分区运用方案,有堤无闸方案最小。这说明在保护滩区方面,有堤无闸的效果要好于有堤有闸方案、分区运用方案和基准方案。

近20年黄河下游宽滩区河槽糙率演变规律及影响因素分析

河槽糙率是影响黄河下游宽滩区洪水演进过程和河床冲淤变化的主要参数,2002年小浪底水库实施蓄水拦沙后,改变了河槽糙率的分布规律,糙率变化对下游河道防洪工程布局及生态环境保护规划等造成一系列影响.利用黄河下游宽滩区2002~2020年典型水文站实测断面数据和水文数据,根据曼宁公式推求糙率,分析典型大断面汛前、汛后河槽糙率随时空的演变规律及影响因素.结果表明:(1)同一断面汛后糙率略大于汛前糙率,花园口和孙口断面汛后糙率较汛前糙率增幅明显,增幅分别为14.64%和19.37%;(2)游荡段糙率随时空变化呈下降趋势,过渡段糙率随时空变化呈略微上升趋势;(3)河槽糙率随Froude数的增大而减小,糙率与含沙量之间没有表现出明显的相关关系;(4)以花园口和高村站为例,河槽糙率与流量和断面平均流速呈反比,与过流面积呈正比,游荡段糙率与宽深比呈反比,过渡段与宽深比呈正比;其中,糙率与平均流速之间拟合关系最好,R^(2)分别为0.62和0.78;(5)断面形态和水流条件是影响黄河下游宽滩区河槽糙率的关键因素.

大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区安全

在大洪水期行洪滞洪沉沙是黄河下游宽滩区的主要功能之一。近十几年来,随着黄河水沙的变化和小浪底水库的建成运用,对宽滩区运用方式的争论更为激烈,却一直缺乏系统的对比研究。为此,黄科院利用小浪底至陶城铺河道实体模型,采用2013年汛前地形,开展了黄河下游宽滩区是否修建防护堤两种不同运用方式下,大洪水期的洪水演进试验,通过对比分析不同运用方式下的下游河道在冲淤演变、洪水位变化和滩区防洪安全等方面的问题,探讨了大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区的安全形势,以期为黄河下游河道治理措施的决策提供科学的参考依据。结果表明,宽滩区修建防护堤后,中常高含沙洪水条件下主槽淤积量小于不修防护堤方案,大洪水条件下主槽冲刷量大于不修防护堤方案,说明主槽过流能力和输沙能力均有所增大。但是,修建防护堤后的嫩滩淤积量,两种洪水条件下均呈现出明显大于不修防护堤方案,河道的横断面形态和"二级悬河"形势均有所恶化。同时,由于目前地形条件下夹河滩以上河段主河槽过流能力达到了6 000m3/s,洪水向下游的演进速度和水量明显增加,导致高村以下的洪水位比不修防护堤时显著提升,增大了高村以下河段的防洪压力,滩区的防洪安全受到严重威胁。