流凌封河预报指标法及其在黄河内蒙古河段的应用

把流凌封河累积负气温作为黄河内蒙古河段封河预报关键指标,明确累积负气温与封河流量、降温强度、河槽形态等的关系,确定现有河槽形态以及海勃湾水库运用影响下不同流量和降温强度封河所需的累积负气温,并建立了流凌封河累积负气温预估公式。指标法可以在很大程度上提高黄河内蒙古河段封河预报的预见期与精度。

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)。

黄河内蒙古河段凌汛期首封影响参数辨识和预报模型研究

黄河上游河道首封时间和地点准确预报是制定科学防凌预案的关键。本研究在总结黄河内蒙古河段首次封冻地点基础上,总结了首封河段同河道弯曲、束窄、桥梁及河心滩等河道特征的关系,定量总结了易发生首封河道的地形特征为:河段处弯曲系数大于1.5、束窄系数在0.25~0.60范围内,为首封地点分析预测提供依据。在总结首封日期影响因子特征基础上,分别基于随机森林和BP-DEMATEL模型构建首封日期分析模型,得到影响首封日期的主要因子权重,并应用到首封日期预报中。通过因子选择和模型比较两方面对比,随机森林模型选取出的关键因子得到的预报结果与实测值吻合率100%,其在首封分析中的应用效果最优。

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。

基于MWP检验的黄河内蒙古河段水沙过程时变点分析

运用统计学方法确定水沙过程发生变异的原因及标志性节点,是理解河势演变制约机制与发展趋势的一种重要研究手段。近年提出的MWP非参数检验法对时序数据总体分布的假定要求较宽,具有避免严重分析误差、适用性强的特点。采用这一方法对黄河内蒙古河段3个水文站1973-2004年实测径流泥沙资料进行时间序列分析,获得了以含沙量、流量为指标的多级水沙时变点信息。研究表明,河流特殊水文事件会引起水沙时间序列时变点的响应,Ut曲线的波峰与波谷(KT)体现了时间序列中对水沙过程影响最大的节点即非参数检验统计突变点。一级时变点是长时段水沙过程出现趋势性变化的标志性节点,上游龙羊峡水库运用就在一级时变点中得到映射。二级时变点多为短期偶发事件引起水沙过程局部调整的标志性节点。借助MWP检验法确定河流水沙时间序列的多级时变点,可确定影响河流水沙过程长期变化趋势与局部时段调整的关键因子,追溯水文情势变化诱因,有助于认识近年黄河水沙变异的态势。

创建黄河中游水土保持高质量监管示范区的机制与模式

黄河中游地区是国家重要生态功能区、能源基地,防治水土流失、保护生态任务艰巨,迫切需要科学、精准、高效监管。针对黄河流域生产建设项目水土保持监管工作面广量大、监管能力不足、传统监管方式时效性不强等问题,提出了在晋陕蒙接壤地区创建水土保持高质量监管示范区的工作机制、模式等:一是创新工作目标,率先做到无违规项目;二是创新合作共建工作体制,构建目标一致、行动自觉、协同发力的工作机制;三是创新内生动力,以自律守约为核心,整体提升水土保持信用水平;四是创新认知提升路径,各级领导、建设单位、青少年、社会公众整体提升水土保持生态文明认知水平与能力,做到知行合一;五是创新高质量评价内涵,全面提升科技支撑水平;六是数字赋能,科学分类管理,创新智慧监管平台,使生产建设项目水土保持监管工作实现智慧技术指导、智慧跟踪、智慧预警。

冻融作用对岸坡土体宏微观特性及岸坡稳定性影响研究

冻融作用是季冻区岸坡失稳破坏的主要原因。以黄河内蒙古什四份子弯道岸坡土体为对象,通过三轴剪切和扫描电镜试验,研究了冻融作用下岸坡土体的宏观和微观特性,并基于强度折减法,对冻融前后岸坡稳定性进行了分析。结果表明:随冻融循环次数增加,土体弹性模量、黏聚力和抗剪强度均呈减小趋势,其中弹性模量大小与含水率成反比,黏聚力在15次冻融后降幅达43.6%~60.04%,内摩擦角无明显变化规律;冻融后土体颗粒真圆度和孔隙概率熵随冻融次数增加先下降后上升,颗粒分形维度变化趋势与之相反,土体定向性和孔隙率呈增大趋势;黏聚力与土体孔隙率和颗粒真圆度相关,特别是与孔隙率呈高度负相关性,且土体微观参数间有明显的自相关性;冻融后岸坡稳定安全系数降幅达41.8%,说明冻融作用会显著降低岸坡稳定性,冻融后岸坡易发生失稳破坏。

黄河内蒙古段造床流量变化及其影响因素

造床流量是反映河床冲淤的表征指标,也是河道整治的主要参数。基于1960—2019年实测数据,运用改进马卡维耶夫法、平滩水位法、地貌功法,计算并分析了石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐水文站造床流量。结果表明:时间上,1960—1989年、2010—2019年造床流量为2100~3540 m^(3)/s,中水河槽冲刷,1990—2009年造床流量为740~1300 m^(3)/s,河槽淤积萎缩严重;空间上,造床流量呈现上站大于下站的特点;造床流量受来水量影响较大,在汛期水量低于105亿m 3的情况下,可以通过刘家峡、龙羊峡、海勃湾水库三库联调适当增大汛期来水量,强化黄河内蒙古段造床作用。研究结果显示改进马卡维耶夫法物理意义明确,计算结果相对合理,可为冲积性河流造床流量确定及黄河内蒙古段河道治理提供参考。

黄河宁蒙河段2011-2020年凌情演变规律分析

凌汛是黄河冬春季最突出、最主要的汛情,其中宁蒙河段是黄河防凌的重点河段。2011-2020年黄河宁蒙河段凌情出现了一系列新规律、新特点,主要呈现流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄、槽蓄水增量减小、开河历时变长、开河凌峰及最大10 d水量减小等特征。从热力因素、水流动力因素、河道边界条件和水库调度影响等方面分析2011-2020年凌情演变的主要驱动因素,结果表明:气温整体偏高且上下游温差增大是宁蒙河段流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄的主要原因;凌汛期来水偏多,月际分配发生明显变化,在一定程度上造成了流凌封河日期推迟、开河历时变长、开河凌峰及最大10 d水量减小;河道条件明显改善,有利于冰下过流能力的恢复,造成槽蓄水增量近年来呈减小趋势;海勃湾水库的投入运用在一定程度上改变了坝址以下河段的冰凌演变规律,同时科学合理的水库调度也为平稳封开河创造了有利条件。

黄河上游宁蒙河段气温变化对凌情影响的分析

利用 195 4— 1998年冬季 ( 11月至翌年 3月 )各月气温资料 ,研究了气温的时空分布规律、变化特点及其与宁蒙河段凌情的关系 .根据磴口、包头与托克托站的日平均气温 ,建立了气温特征值与部分凌情特征量的关系式 ,分析了气温变化和其它因素对凌情的影响 .

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。

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。

黄河内蒙古河段主槽萎缩原因和对策

通过对黄河内蒙古河段1960—2006年典型断面输沙量资料的分析表明,巴彦高勒—头道拐河段淤积主要源自其支流十大孔兑洪水的影响。1969—1986年汛期来水虽较前期减少约20%,但由于来沙减少达54%,故河床淤积量不大;1987年以后,由于龙羊峡和刘家峡水库的调蓄运用,造成该河段汛期水量和洪峰流量减小,使得区间来沙对内蒙古河段淤积的影响更加显著。进一步分析表明,要改变内蒙古河段主槽萎缩趋势,一方面要保障其洪水量级尽可能达到1500~2000m3/s以上,另一方面要加强该区间重点产沙区的水土流失治理。

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。

黄河内蒙古段开河日期预报模型及应用

对黄河内蒙古段的冰情特点进行分析,选用1970—1971年度至2007—2008年度共38个冬季的冰情资料,提取合适的预报因子,分别采用人工神经网络模型和多元线性回归模型,对黄河内蒙古段的开河日期进行预报。结果表明,神经网络模型和多元线性回归模型预报样本合格率分别为86.7%和80.0%,神经网络模型的预报精度高于多元线性回归模型,更适用于黄河内蒙古段开河日期预报。

黄河内蒙古段孔兑水沙特点分析

根据毛不拉孔兑、西柳沟和罕台川实测水沙资料,对黄河内蒙古段孔兑水沙特点进行了分析。结果表明:孔兑具有水少沙多、年际变化大、年内分配极为不均的特点,不同孔兑之间水沙量和水沙组合差异较大;孔兑流量和含沙量变幅极大,同一流量下含沙量差异可达上百倍;流量超过一定值后,含沙量存在极限值,不再随流量的增大而增大;孔兑洪水陡涨陡落、持续时间短,洪峰流量大、含沙量高、输沙量大,洪水过程中流量和含沙量变化同步。

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。

2012年洪水对黄河内蒙古段冲淤影响

2012年洪水是内蒙古河段1989年以来历时最长、洪峰流量最大的洪水过程。为了解粗泥沙对黄河内蒙古段河床冲淤变化的影响,依据宽河谷河段巴彦高勒、三湖河口和头道拐水文站实测资料,分析了内蒙古河道2012年洪水水沙特征,通过计算推移质输沙量和比较断面河底变化,探讨了粗泥沙对河底调整的影响。结果表明:2012年洪水造成粗泥沙在上游段冲刷、下游段淤积;固定低水位下过流断面存在涨冲落淤的规律;洪水过后,巴彦高勒和三湖河口低水位面积分别扩大了19 m^2和29 m^2,头道拐减小约100 m^2。由于粗泥沙排沙不平衡,底部河床的真正高程并没有降低,防洪风险依然存在。