黄河下游近期持续冲刷过程中床沙粗化特性分析

床沙组成的变化影响悬沙沿程恢复及河床阻力变化。本文基于黄河下游7个水文站1999—2020年的实测床沙资料,计算了各水文断面不同粒径组床沙占比的年际变化,分析了近二十年持续冲刷过程中不同河型河段床沙的时空粗化特性,讨论了河床冲淤过程对床沙粗化的影响。从时间来看,小浪底水库运用后,不同时期床沙的粗化特点不同,拦沙初期(2000—2006年)急剧粗化,拦沙后期(2007—2020年)粗化放缓,高村站及上游各站床沙呈波动粗化,高村站以下则变化不大,且粗化程度最强处由游荡段向下游过渡段转移;从空间来看,床沙沿程细化,游荡段以极粗沙为主,过渡段以粗沙和极粗沙为主,弯曲段的中细沙不可忽视。拦沙初期各河段床沙组成的调整表现为中细均冲;拦沙后期则表现为中粗均冲,极粗沙占比增大,利津以上各站细沙占比不足5%,对悬沙的补给受限,中沙和粗沙仍经受冲刷,极粗沙对相应悬沙有较好补给作用。河段汛后床沙中值粒径与河床累计冲刷量呈良好的幂函数正相关关系,但拦沙后期床面已粗化到相当程度,河床冲淤对床沙粗化的影响受限。研究结果有助于掌握近期整个黄河下游床沙的粗化现状及预测下游河道冲淤变形规律。

河流冲刷过程中表层床沙粗化对不平衡输沙的影响

在分析前人的不平衡输沙研究成果的基础上 ,针对非均匀沙河床 ,提出了床沙交换速率的新物理概念 ,计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程。研究表明 ,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙 ,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化 ,致使挟沙力降低 ,不平衡输沙距离较均匀沙情况大大延长。床沙交换速率愈慢 ,则冲刷距离愈长。

床沙粗化研究的回顾

本文综述了已有床沙粗化的研究成果,包括床沙祖化的类型、床面可动层、粗化层的形成机理、粗化层的特性、粗化层的级配计算、粗化层的稳定性判别及河床极限冲刷深度的计算,并用水槽及天然资料对粗化层级配计算方法作了简要评述。指出了尚有待改进的地方及今后着重开展的工作。

沙质河床二维粗化数值模拟初探

沙质河床冲刷过程中河床变形、冲刷深度、悬移质含沙量恢复及床面级配等沿时空的变化与河床粗化紧密相关 ,只要对河床粗化机理和特性有较深认识才会对河床冲刷现象有较好的定量模拟。本文依据ADI算化原理 ,在交错网格上建立了非耦合非均匀不平衡输沙的平面二维水沙数学模型 ,并针对沙质河床的特点充分考虑了平面二维非均匀沙水流挟沙力的计算方法和混合层计算模式。依据该模型所做的数值实验表明 ,模型能从定性上较好地模拟上述因素随时间沿纵横方向的变化 ,具有二维性 ,从理论和实践上进一步反映了数学模型能模拟河床冲刷过程中诸因素变化规律的潜力 ,并充分表明 ,正确预测冲刷河床变形的关键在于较好地模拟河床组成的粗化过程 ,对此 ,均匀沙模型是无能为力的。

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明:床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d_(50)由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m^(3)转变为淤积0.059亿m^(3),冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。

长江中游动床阻力计算及其近期变化特点研究

冲积河流的动床阻力复杂多变。分析长江动床阻力变化特点对研究长江中游洪水演进及河床冲淤变形过程具有重要意义。利用长江中游枝城、螺山、监利、沙市及汉口等5个水文站的7019组实测流量资料和二次曲线拟合的水面纵比降数据,计算了各流量级下的糙率系数,定量分析了2001~2017年长江中游河段动床阻力的变化特点。结果表明:①三峡工程运行后,荆江河段典型断面各流量级下的动床阻力均明显增大,城汉河段典型断面各流量级下的糙率在2013年前变化较小,2013年后明显增大,枝城站和汉口站2017年各流量级下的糙率与2001年相比分别增大约60%和20%,阻力增大的主要原因是床沙粗化和水流强度减小;②各流量级下的阻力整体上均沿程减小,即枝城河段>沙市河段>监利河段、螺山河段>汉口河段;③荆江及城汉河段洪、中、枯流量对应的阻力均呈增大趋势,与2001~2002年相比,2017年各水文站洪水流量对应的糙率均增大了20%以上,除枝城站外,其余各水文站枯水流量对应糙率的变化幅度均小于10%。

长江中游卵石夹沙河段二维水沙数学模型

针对长江中游宜昌至枝城河段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,建立了非均匀悬沙、底沙二维数学模型,尤其是考虑了底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键问题提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对模型进行了水面线、流速分布及冲淤过程的详细验证,尤其是进行了葛洲坝水利枢纽运用后、1998年洪水前后及三峡工程运用后的验证。在此基础上,根据设计单位一维数模提供的水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲刷量、分布及床沙粗化过程。

冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程初步研究

本文从悬移质扩散方程出发 ,研究冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程 .对于天然沙质河流 ,床沙均为非均匀沙 ,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙 ,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化 ,致使挟沙力降低 ,不平衡输沙距离比均匀沙情况大大延长 .文中同时提出了表层床沙粗化的概化计算模式及床沙交换速率计算公式 .床沙交换速率的大小是决定含沙量恢复饱和距离的重要因素 .本文对不同类型底部边界条件进行了计算比较 ,并与黄河下游的实际冲刷资料进行了对比 ,结果表明 ,应用梯度型底部边界条件 ,且在考虑表层床沙粗化中以作者提出的公式计算床沙交换速率 。

清水冲刷河床调整过程试验研究

通过沙质河床清水冲刷水槽试验,对河床纵剖面的调整、沙波尺度、粗化层厚度及其与沙波运动关系、粗化层级配、推移质级配等进行了观测分析,进一步揭示了清水冲刷,河床重建平衡的机理。水槽试验表明,沙质河床清水冲刷,上游河段比降调平,床沙粗化,沙波发育,河床阻力增大,水深增大,流速减小,导致河床供沙能力削弱,输沙能力降低,冲刷向不冲刷转化。

清水冲刷推移质输沙规律研究

根据恒定单一流量和恒定分级流量的清水冲刷水槽试验资料,采用相关分析方法对清水冲刷推移质输沙规律进行了分析研究。获得了有关变量的关系式,可用于预报推移质输沙率和输沙量在时间上和空间上的变化,也可用于预报推移质冲刷剖面在时间上的变化,计算结果与实测吻合良好。通过阶梯流量与恒定流量输沙规律的对比研究,分析认为推移质冲刷平衡剖面只与最大一级流量有关,与过程中流量大小及其持续时间长短无关。

枢纽下游水位降落问题探讨

根据有关文献报道,对国内外部分已建枢纽坝下河床调整及水位降落情况进行了综述。分析了影响河床调整的主要因素以及河床调整与水位降落的关系,提出了防止水位降落影响通航水流条件的治理措施。