小浪底水库运行以来对黄河下游河道河床演变特性的影响

小浪底水库自1999年10月下闸蓄水,23年来深刻改变了进入黄河下游河道的径流泥沙过程,进而引起了下游河道的再造床。本研究以1960—2022年长序列水文泥沙、断面地形、遥感影像等多源资料为基础,从径流泥沙、冲淤演变、形态调整三个方面阐明了小浪底水库运行以来对下游河道河床演变特性的影响。结果表明:(1)水库拦沙效果显著,下泄水量在年内分配更加均匀、沙量则向汛期更加集中;大流量和高含沙事件的严重程度和发生频率均有所降低;悬沙调整不明显,床沙粗化显著。(2)扭转了黄河下游河道持续淤积的趋势,冲淤调整主要发生在花园口至高村的游荡性河段;冲刷效率持续下降,主槽过流能力得到显著恢复。(3)游荡性河段横断面形态向窄深发展,二级悬河发育得到有效缓解,整体河势处于相对稳定状态。研究成果丰富了多沙河流修建水库对下游河道影响的科学认识,也可为小浪底水库优化调度提供科技支撑。

调水调沙期黄河下游河道洪峰增值预测方法研究

准确预测黄河调水调沙期出现的洪峰增值现象,不仅是水库工程调度和下游防洪工程防护的迫切需要,同时也是水力学及河流动力学学科研究面临的新课题。以增值比例为因变量,以小浪底沙峰、含沙量涨峰期平均涨率、含沙量起涨前基流、悬沙粒径等小浪底出库水沙特征参数为自变量,基于相关性分析筛选出沙峰、含沙量涨峰期平均涨率作为洪峰增值的预判参数。研究发现,当小浪底含沙量涨峰期平均涨率超过22.9 kg/(m^(3)·h)时,小浪底至花园口河段可能发生洪峰增值现象,并可基于小浪底沙峰与增值比例之间的相关关系预测增值区间;对2023年调水调沙期小浪底水文站实时水情、沙情进行跟踪,在小浪底水文站第一个沙峰出现后,对小浪底至花园口河段洪峰增值进行了预测预报,预测结果与实测结果基本一致。

黄河下游河道悬沙与床沙粒径智能预测研究

探究河道悬沙和床沙粒径分布有助于分析河道泥沙整体淤积情况,并反馈指导优化水库运用方式。为系统掌握黄河下游河道悬沙与床沙粒径的分布规律,收集整理黄河下游河道花园口等6个断面的水沙系列数据,采用递归特征消除算法进行变量筛选,并基于不同机器学习算法构建黄河下游河道泥沙粒径的预测模型。结果表明:变量筛选算法能够有效提取模型中的主要影响因子,而利用机器学习算法进行不同断面泥沙粒径预测时,在测试集上整体表现较好,各断面优选模型预测悬沙粒径的决定系数R2均在0.64~0.89之间,床沙的均在0.37~0.72之间。同时,采用2020年数据对模型预测效果进一步验证时,悬沙和床沙粒径预测值与实测值R2分别达0.6097和0.4456,表明所建模型能够有效实现黄河下游河道泥沙粒径预测。

黄河下游高效输沙指标及输沙水量研究

研究提出黄河下游高效输沙的定义和内涵,依据小浪底水库运用方式和黄河不同时段河道水量的功能定位,将汛期的洪水水量定义为狭义输沙水量,汛期的平水期和非汛期水量的主要功能为满足生态、灌溉、发电等需求,不作为输沙水量。建立了单位输沙水量与排沙比及流量含沙量之间的定量关系,提出了高效输沙流量和含沙量指标的定量计算方法,在现状下游河道过流能力条件下,计算了满足高效输沙要求的流量与含沙量搭配指标。提出了维持下游河道全年一定冲淤水平的利津断面狭义输沙水量计算方法,当进入下游年沙量为3亿t时,维持下游河道全年冲淤平衡的利津断面洪水输沙水量为56.2亿~69.6亿m^(3)。

黄河河口流路多目标联合运用方式研究

黄河河口流路运用方式面临着新形势下保障防洪安全、维持生态功能和减缓海岸蚀退等多目标需求。采用实测水文资料和现场调查资料,分析河口河道防洪形势、黄河口国家公园建设需求和备用流路现状情况。清水沟流路在小浪底调水调沙运用后防洪形势明显改善,然而仍面临着大洪水的威胁;目前河道滩地呈现约6‱的倒比降,加剧了大洪水时的防洪压力。黄河口国家公园清水沟片区在清四控导工程以下无整治工程,规划的科研平台和大量基础设施要求洪水尽量不漫滩。刁口河片区规划的生态补水量为0.55亿m^(3),附近海岸因缺乏泥沙补给处于蚀退状态。刁口河主槽淤积萎缩,滩地开发建设侵占严重,亟待长期过水加强保护。新形势下黄河河口流路运用方式为“联合运用、常态过水、平滩分流、双河行洪”。刁口河常年维持一定的过水流量。当清水沟流量达到3500 m^(3)/s时向刁口河分流,大洪水时两条流路作为5000 m^(3)/s流量的泄洪通道。

黄河下游游荡性河段心滩形态特征与水沙过程响应关系

黄河下游游荡性河段素以调整速度快与幅度大著称,河道心滩复杂多变,探究心滩形态特征与水沙过程之间的响应关系对于解析下游游荡性河段的河床演变机制具有重要的意义。围绕黄河下游铁谢至高村游荡性河段的心滩面积与数量等形态特征指标,结合下游水沙及冲淤特性,采用遥感影像和数值模拟相结合的研究方法厘清游荡性河段水沙过程与心滩面积及数量之间的响应关系,揭示水沙变化对心滩形态特征的影响机制。结果表明:自小浪底水库运用以来,下游河道发生剧烈冲刷,游荡性河段累计冲刷量15.37亿m^(3),占下游累计冲刷量的68%;在小浪底水库运用以前,游荡性河段的心滩面积与数量年际变化剧烈,存在着明显的增长与降低变化过程,而小浪底水库运用以后,该河段的心滩面积与数量呈现先减小后增大再减小的变化趋势;随着4 a滑动汛期平均流量和4 a滑动汛期平均来沙系数的增加,游荡性河段的心滩面积及数量分别呈现出减小和增大的变化趋势。数值模拟方法不仅可以较好地再现心滩发育及演变过程,还可以定性地表征特定水动力学因素对心滩形态特征塑造的影响,为阐明游荡性河段的心滩演变理论提供了一种新的研究方法。研究成果不仅有助于阐明河流平面形态的调整过程,还可为今后河道整治工程的布局提供理论支撑。

基于黏粒含量的黄河下游堤防土水特征曲线预测研究

通过探究黄河下游堤防在不同围压下的土水特征曲线,为汛期堤防安全预报预警提供实时建议。通过分析黄河下游堤防土体黏粒含量与土水特征曲线的关系,提出以黏粒含量及干密度为主要因素的简易参数模型,并基于该模型进一步研究了不同围压条件下土水特征曲线的测算方法。结果表明:黄河下游堤防土体的土水特征曲线根据黏粒含量的不同呈现不同的特点,脱湿曲线可根据黏粒含量分为不同的区域,黏粒含量越大,滞回效应越显著;简易模型对于黏粒含量为20%以上的壤土或黏土的脱湿曲线适用性较好;随着围压的增大,相同含水量对应的基质吸力逐渐增大。模型引入与围压相关的参数c,可实现不同荷载下的黄河下游堤防土水特征曲线预测。

黄河下游近期来水来沙年内年际波动特征研究

为探究近20 a来黄河下游水沙新情势,基于花园口站1997—2020年实测资料,并对比同时段潼关站水沙数据,从趋势性、变异性、周期性、年内分布及水沙搭配5个方面,系统分析黄河下游来水来沙年内年际波动特征。结果表明,两站水量呈显著增加趋势、沙量呈显著减少趋势;潼关站水、沙量分别在2018年、2004年突变,花园口站水、沙量分别在2017年、2001—2002年显著突变;潼关站水、沙量变化主周期分别为14、13 a,平均周期为9.5 a,花园口站水、沙量变化主周期分别为13、12 a,平均周期为8 a;基于上述分析,将研究时段划分为5个阶段,各阶段两站流量年内分布不均匀度相近,经历了减小-增大的交替过程,含沙量年内分布有所差别;潼关站来沙系数、水沙系数分别呈逐阶段减小、增大趋势,花园口站来沙系数先减小后回升,水沙系数前期较小,Ⅱ—Ⅳ阶段增大,第Ⅴ阶段减小。在天然水沙变化与人工水沙调控综合作用下,近期黄河下游水沙过程呈明显的阶段性变化特征,水沙搭配总体相对较优。

黄河水库河道泥沙跨年接续调节技术实践

为实现三门峡和小浪底水库排沙增容的同时不导致黄河下游河道排洪能力降低,利用黄河下游河道的水沙资料、河道统测淤积断面资料,采用险工水尺资料分析方法,分析小浪底水库排沙量最大的3 a(2018—2020年)三门峡和小浪底水库冲刷恢复情况、洪水期黄河下游的冲淤情况(沙量法计算结果)、纵向和横向的冲淤情况(断面法计算结果)、同流量水位变化和平滩流量变化等。分析结果表明,在水库排沙期将水库排沙淤积在黄河下游容沙量大的宽河道,在其他时期将淤积物逐渐冲刷带走,高村以下河道的排洪能力不但没有减弱,反而显著增强。这种水库河道泥沙跨年接续调节技术在现行河道上是现实可行的,并提出了相关建议。

河道调整研究现状及其对黄河下游游荡型河道调整的启示

系统梳理了河道调整研究现状,全面论述了与冲积河流调整相关的河相关系、不同边界下河道调整过程、冲积河流线性理论的研究现状及发展动态。新形势下黄河下游游荡型河道调整应重点研究水沙变化与有限控制边界对河道调整的耦合效应、河道断面自调整数理分析中断面形态假定、有限控制边界条件下游荡型河流主槽摆动幅度和频率等问题,这不仅有助于加深对游荡型河道河床演变规律的认识,而且对于河道调整趋势预测、河道整治等具有重要的理论意义。

黄河水沙调度效果与未来下游滩槽综合治理思路

下游滩槽综合治理是黄河综合治理实践中存在的突出问题之一。在分析近期黄河流域水沙情势的基础上,采用实测资料系统分析了黄河水沙调度效果,并提出了未来黄河下游滩槽综合治理思路。研究表明:近期黄河流域水量偏多,编号洪水出现频次增加,通过水库群联合调控保障下游防洪安全势在必行;黄河水沙调度在调节洪水流量过程、库区排沙以及减少下游河道淤积方面效果显著;按照现有控导工程连线修建一定标准二级堤防,将滩区划分为主行洪区和滞洪沉沙区,并通过科学管理控制不同区域滩地糙率系数,可实现既能保证大洪水安全过洪,又能为过洪机率较低区域提供经济发展空间的治理目标。研究成果可为黄河下游“滩-槽”协同治理提供参考。

长历时低含沙洪水条件下的黄河河口演变特征

黄河河口2021年出现罕见的长历时低含沙量洪水过程。采用实测水文资料和卫星遥感影像分析河口河道的冲淤特性和口门演变,探讨流路稳定状况。小浪底水库调水调沙和秋汛两次主要洪水过程历时共91天,平均流量为3123 m^(3)/s,平均含沙量为6.7 kg/m^(3)。河口河道段因河床粒径粗化接近冲刷平衡,冲刷体积为0.04亿m^(3);尾闾段因口门主流取直摆动,发生明显溯源冲刷,冲刷体积为0.14亿m^(3)。自2013年西河口以下河长达到60 km后,口门因沙嘴延伸较长、来沙量显著降低,形成比较稳定的分汊入海态势。2021年汛后河势稳定,感潮段河势顺直,口门“大水取直、小水坐湾”,目前流路仍处于较为稳定状态。

新入海水沙情势下的黄河口沙嘴动态响应

河口沙嘴位居河海动力交互区,对水沙变化的响应速度快。为了解近期黄河入海水沙情势及其影响下的河口沙嘴演变规律,基于高分辨率卫星数据和水文资料,运用统计学方法进行分析探讨。结果表明:(1) 1999年以来入海水沙延续偏枯态势,变化过程由线性向周期性波动转变,波动周期为6~8 a, 2018—2021年处于波动上升期;(2) 2018年以来,河口沙嘴北、东汊道交替成为淤积主体,河长年均延伸0.7 km,沙嘴年均造陆16.9 km2;(3)尽管偏少的来水来沙条件不利于三角洲整体的向海淤积,但极端径流带来的强烈泥沙输移入海仍然会使河口沙嘴面积增加;(4)现阶段的汊道格局减缓了河长延伸但加快了沙嘴造陆,对于长期稳定清水沟流路起到积极作用,但当前不利于河口湿地生态安全。

黄河和永定河治与管的异同及战略思考

黄河和永定河自然禀赋相似,在我国经济社会高质量发展和生态安全战略实施中地位重要,在治理中存在相通之处。系统阐述了黄河、永定河自然禀赋的相似和差异,分析了二者系统治理的战略需求,对标黄河流域系统治理的战略布局和成效,提出了永定河流域综合治理提升的战略思考,以期为促进黄河和永定河流域系统治理和高质量发展提供参考。

黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测

[目的]评价黄河下游水资源生态承载状态,为地区水资源管理与规划提供理论依据。[方法]运用水资源生态足迹理论结合对数均值迪式指数分解法(logarithmic mean divisia index,LMDI)对2007—2020年黄河下游水资源生态足迹的时空分布特征及驱动机制进行核算分析,并通过灰色预测模型GM(1,1)对2021—2030年的水资源生态足迹变化趋势进行预测。[结果]黄河下游历年水资源生态足迹远高于生态承载力,水资源生态赤字现象严重;水资源生态足迹与生态赤字年际间均呈波动降低趋势,用水效率逐渐提高,农业用水是最大的水资源生态足迹账户;黄河三角洲是黄河下游水资源生态压力最大的区域,淄博、济南、郑州和泰安4市的生态压力相对较小;经济效应对黄河下游水资源生态足迹变化起正向主导作用,技术效应起负向主导作用;预测结果表明,2021—2030年黄河下游人均水资源生态赤字由0.387 hm^(2)/人降至0.359 hm^(2)/人。[结论]在生产力快速发展和用水结构优化调整等综合作用下,黄河下游地区用水效率逐渐提高,水资源生态压力有一定幅度的缓解。但由于该区域水资源生态赤字基数较大,未来水资源可持续利用形势依旧十分严峻,亟待进一步加强水资源的统筹管理,助力黄河下游地区高质量可持续发展。

基于DPSIR的黄河口及毗邻海域生态系统健康评价

为综合评价黄河口及毗邻海域的生态系统健康状况,借鉴驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型,选取人口增长率、年径流量、富营养化指数、浮游植物多样性指数、生态环境治理投资等28个反映生态系统健康状况的因子建立评价指标体系。基于实测和统计数据等基础资料,采用层次分析法和综合指数法对2011—2020年黄河口及毗邻海域生态系统健康状况和变化趋势进行评价。结果表明:2011—2020年黄河口及毗邻海域生态系统基本处于亚健康与健康状态,2018年以来,随着黄河口生态水量调度力度加大,生态系统健康状况显著向好。

西霞院向灌区补水对黄河下游河道冲淤演变影响分析

为解决黄河下游河道冲刷下切导致的灌区引水能力下降问题,采用准二维水沙数学模型对比分析两类灌区补水方式对黄河下游河道冲淤演变影响,考虑上游水库拦沙及淤满后的水库联合调控来水来沙条件,对比两类补水方式下灌区引沙量、黄河淤积量及水位变化。结果表明,采用渠首闸自流引水优先补水,至2035年三个灌区年均少引沙量为165×10^(4)~423×10^(4)t,下游河道比补水前年均增淤52×10^(4)~83×10^(4)t,当黄河流量为1 000 m^(3)/s时,下游平均水位抬升了0.9~1.7 cm,各水沙系列均对河道冲淤演变影响较小。

黄河口治理发展回顾与展望

1855年以来,黄河口治理经历了被动防洪阶段、除害兴利阶段、维护河口健康生命阶段和建设幸福河口阶段等四个主要发展阶段,取得了一系列治理成效。新时期黄河口治理需要立足现状,针对依然存在的流路不稳定、海岸演化不平衡、生态环境脆弱、社会经济发展协同不足等问题,在国家系统治水理念指导下,结合黄河综合治理战略与未来水沙情势,统筹河口地区防洪保安、生态保护和社会经济发展。在防洪保安方面要构建长期稳定的流路运用与防洪防潮协同的水安全保障体系,在生态保护方面要形成水资源刚性约束下的生态调度与生态用水配置体系,在社会经济发展方面要优化彰显大河文明的河口文明利用与资源要素均衡支撑体系。

以2021年秋汛为例浅谈黄河下游防汛抗洪抢险实践经验

2021年黄河发生了新中国成立以来最严重的秋汛,在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展的关键时期,基于此次秋汛典型河段归纳与总结黄河下游防汛抗洪抢险行之有效的实践经验十分必要。以位于黄河“豆腐腰”的开封河段为研究对象,基于上游水文站实测水文数据及局部河段水下地形资料,在分析2021年秋汛洪水特征的基础上,总结了开封河段成功防御大流量、长历时、高水位洪水的实践经验。研究提出的“一二三四五”防汛工作基本原则、“党政领导、应急统筹、河务支撑、部门协同、群防群控”防汛抢险机制、黄河滩区迁安救护四类安置新方法等,不仅可为未来黄河防汛工作提供支撑,也具有可复制、可推广性,对其他河流治理有借鉴意义。

黄河三角洲海岸线提取及其近期时空变化格局

新入海水沙情势下,黄河三角洲海岸线变迁也相应呈现出新的特征。考虑不同潮位、水体计算指数、涨落潮阶段对海岸线提取效果的影响,利用ArcGIS、ENVI提取了黄河三角洲海岸线,并借助DSAS数字化海岸线分析系统,定量分析了1976-2020年黄河口海岸线变迁特征。研究发现,选择潮位相近、同处落潮阶段且成像质量较好的遥感图,并采用改进的归一化差异水体指数MNDWI计算,黄河三角洲海岸线的提取效果较好。黄河三角洲海岸线变化表现出明显的时空性,神仙沟-刁口河叶瓣1976年以来海岸线基本处于蚀退状态;东营港至孤东油田海岸线自1990年在人工海堤的防护下维持稳定;入海口附近海岸线的蚀退和淤进与陆向来沙量直接相关,陆向来沙充足时呈淤进趋势,反之则冲蚀后退,同时其也受河口改道、海洋动力等其他因素影响。研究可为未来黄河口综合治理规划提供一定参考。