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。

蒙甘青宁地区侏罗纪开合盆山构造格局及原型盆地沉积特征

侏罗纪蒙甘青宁地处西伯利亚板块,太平洋中依泽奈崎、法拉隆、菲尼克斯3板块及印度板块之间的东亚腹地部位。早、中侏罗世进入造山后的伸展-走滑盆山构造阶段,在盆山构造格局的负形地段孕育着大小不一的8种构造类型盆地,其偏南的多数地区处于亚热带温暖潮湿气候区,沉积了大量煤层及有机质页岩。晚侏罗世,盆山构造经历了不均匀挤压和抬升作用,不少早期盆地逐渐消失,并转为热带、亚热带干旱气候,残存盆地主体为一套红色沉积。编图研究表明,早、中侏罗世时期全区既不是统一的“泛盆”,也不是现今侏罗系分布区的小型盆地区,而是大中有小、盆山相间、多带展布的盆地群构造地貌。

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。

减缓宁蒙河道泥沙淤积方案及效果研究

通过对实测资料的分析,阐明宁蒙河道不同粒径泥沙来源及冲淤规律:细泥沙是宁蒙河道来沙的主体,主要来源于下河沿以上和宁夏支流,且细、中泥沙冲淤效率与水沙条件有较好的响应关系,随流量的增大河道淤积效率显著降低;而较粗泥沙和特粗泥沙在来沙量中比例较低,特粗泥沙主要来源于入黄风沙,多发生淤积且流量增大也难以提高输送能力。由此提出宁蒙河道减缓淤积的“拦粗排细”综合治理方案,水库调控恢复洪水过程输送细、中泥沙,水土保持和风沙治理拦减较粗泥沙和特粗泥沙。制定了多种减淤方案,并利用水动力模型进行了方案计算,表明各种单项措施减淤效果都有限,河道仍持续淤积,只有采用“拦粗排细”综合治理方案可使河道微冲,且包含水库调控恢复洪水过程的方案对内蒙古河段的减淤效果较好。

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。

青铜峡水库出库流量对宁蒙河段凌情的影响

黄河上游宁蒙河段地处黄河流域最北端,受水力、热力及河道形态等诸多自然、人为因素综合影响,凌情演变复杂多变。从微观到宏观、横向到纵向对宁蒙河段凌情过程进行了深入分析,根据宁蒙河段凌期行流特点拟定了青铜峡水库理想下泄过程,采用历史实际凌灾发生情况和青铜峡水库下泄过程对理想下泄过程进行检验,结果表明,结合凌汛期温度变化过程控制青铜峡下泄流量,能够减小凌灾发生的几率。

黄河宁蒙段塌岸危险性评价

选取黄河宁蒙段青铜峡至头道拐河段作为研究区域,以1 km为单位将全河段划分为835段,采用2010年TM遥感影像、2006—2010年黄河水文资料并结合Google影像,利用层次分析法建立塌岸危险性评价指标体系,对黄河宁蒙段两岸的塌岸危险性进行评价。结果表明:黄河上游宁蒙河段右岸塌岸危险性高于左岸,在三湖河口至头道拐段塌岸危险性高的河段以凹岸段为主;塌岸危险性较高的河段集中在银川至石嘴山段、乌海至磴口段以及昭君坟水文站附近河段,危险性最大的河段在昭君坟附近;在青铜峡水文站以下50 km河段和石嘴山水文站至乌海市乌达区的峡谷河段塌岸危险性最低;左右岸在石嘴山至巴彦高勒河段塌岸危险性的变化幅度最大。

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。

2012年汛期黄河上游洪水对宁蒙河道的影响

对2012年汛期黄河上游洪水在通过宁蒙河道时的水文断面形态、河底高程、过洪能力变化等进行了分析。结果表明:2012年汛期黄河上游洪水的水量大、持续时间长,洪水对宁蒙河道产生了明显的冲刷作用,河道过洪能力得到了较大提高,有利于2012—2013年度的黄河防凌。对今后研究工作提出了建议:①在宁蒙河段布设专门的淤积测验断面,以期得到准确合理的河道冲淤变化资料;②加强宁蒙河段凌汛期水文测报关键技术的研究。

2010—2011年度黄河凌情特点与防凌措施

介绍了2010—2011年度黄河凌汛的基本情况,对内蒙古河段首凌首封日期偏晚、封河发展迅速、开通日期较晚,黄河下游封河长度较长,局部河段出现较大险情的凌情特点以及在凌汛前加大清障力度、建立立体化信息监测系统、凌期科学调度水库拦蓄和分洪工程分水等防凌措施进行了分析,同时对今后的防凌工作提出了建议:①加强宁蒙河段河道测验体系建设,建设水位自动监测和3G汛情视频监视系统;②加强宁蒙河段堤防建设、河道治理,加快内蒙古应急分洪区的建设步伐;③研究针对黄河冰凌特点的破冰技术,列出专项资金解决冰凌观测工器具更新等问题;④向天津、河北供水尽量避开凌情严重的时期,避免增大防凌负担。

2018年黄河上游洪水及宁蒙河道响应特征研究

利用实测资料分析2018年黄河上游洪水的水沙特点以及洪水对宁蒙河道冲淤的影响,结果表明:2018年黄河上游洪水具有洪量大、持续时间长、洪峰流量大等特点。进入宁蒙河道洪峰流量为2880~3600 m^(3)/s,内蒙古三湖河口—头道拐河段发生大范围漫滩。宁蒙河道洪水期河道冲淤调整较大,内蒙古巴彦高勒—头道拐河段产生明显的“淤滩刷槽”效果,漫滩洪水冲刷效率高于非漫滩洪水。洪水对河道排洪能力的恢复作用显著,洪水后内蒙古河段巴彦高勒、三湖河口站同流量水位分别下降0.71 m和0.47 m,平滩流量分别增加约500 m^(3)/s和320 m^(3)/s。