黄河泥沙研究新进展

黄河泥沙问题是治黄的根本问题。一代又一代泥沙科研人员围绕这一主题进行了大量研究,取得了丰硕的成果,直接应用或指导了治黄工程实践,也为泥沙学科的发展做出了应有的贡献。近10 a来,随着科学技术的进步和社会的发展,国家对治黄工作提出了更高要求,黄河泥沙研究迈入了快速发展的阶段,理论研究和定量化成果明显增多。从多沙河流泥沙运动基本规律与基础理论研究、河床演变与河道整治、黄河水沙调控技术、泥沙资源利用等方面简要介绍了黄河泥沙研究的新进展,以期在回顾过往成绩的同时,给未来黄河泥沙研究以启示。

新形势下水利科研工作面临的机遇和挑战

分析水利科技工作新形势,认清党和国家、水利部对水利科研工作的新要求,明确新形势下治黄科技工作的任务,努力实现"四个转向"。简要回顾黄科院在科技体制改革方面的主要进展,在创新体系建设、做好科研规划、加强科研条件平台建设等取得的成效。提出新时期进一步深化科研机制方面改革一些看法和想法,促进交叉学科发展、加快科研条件建设、解决治黄关键技术问题、开展联合科研攻关、完善重大项目组织模式等,努力大幅提升科研创新能力、促进科研工作健康持续发展。

黄河泥沙资源利用的长远效应

黄河多沙给两岸人民带来了严重的洪水灾害,因此黄河的治理措施多基于泥沙的灾害性。随着经济社会发展对黄河水资源的需求日益增加,加之黄土高原地区特殊的地理地貌特征等因素,未来黄河仍将是一条少水多沙河流。经过长期的治黄实践,人们逐渐认识到黄河泥沙的资源属性,其在黄河防洪安全、放淤改土与生态重建、河口造陆及湿地水生态维持、建筑材料等方面具有巨大的利用潜力。研究发现,黄河下游的河道淤积泥沙主要来自少数几场高含沙洪水;水库在拦截黄河泥沙的同时,也对泥沙级配进行了自动分选,为泥沙分类利用创造了条件。利用水库拦减高含沙洪水,不仅可减少下游河道淤积和滩区淹没损失,还为泥沙资源的集中利用创造了前提条件,具有巨大的社会和经济效益;同时,树立充分发挥水库的拦沙作用与泥沙资源集中利用有机结合的新理念,不仅能使水库持续发挥其拦沙减淤效益,也将更彰显黄河泥沙资源集中利用的长远效应。为此,必须从政策和管理层面建立良性运行机制,加强舆论宣传,吸引社会资金和广大群众主动参与黄河泥沙资源利用工作,实现黄河的长治久安。

基于淤地坝淤积信息的小流域泥沙来源及产沙强度研究

根据黄土丘陵区王茂沟流域关地沟3号淤地坝29年泥沙沉积旋回变化，以及各旋回层泥沙中、坝控流域沟间地和沟谷地表层土壤中^137Cs的测量，结合淤地坝修建、运行历史资料及次降雨资料，估算了坝控流域沟间地和沟谷地的相对产沙量和坝控流域不同时期的侵蚀产沙强度。研究表明，沟间地是该小流域泥沙主要来源，该流域泥沙的70％源自沟间地；坝控流域1959～1987年期间，年侵蚀产沙强度由强变弱，呈显著降低趋势。

基于RBF神经网络的黄河含沙量测量数据融合研究

针对黄河含沙量高、泥沙时空分布不均和环境变化显著等特点,提出了采用电容式差压法来测量黄河含沙量,建立了基于RBF神经网络的含沙量测量的数学模型。将含沙量信息值与温度、深度和流速值作为RBF网络的输入,进行含沙量测量的反演和误差分析。试验结果表明,基于RBF的数据融合方法能够有效地消除环境影响,提高系统测量的精度和稳定性。

黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究

以黄河下游实测洪水资料为基础,对洪水冲淤特性及高效输沙过程进行了分析。结果表明:①洪水平均流量大于2 000 m3/s后,排沙比的大小主要取决于洪水平均含沙量的大小;②输沙水量与排沙比的关系因含沙量的不同而分带分布,同一含沙量级洪水的输沙水量随着排沙比的增大而减小,当排沙比达到一定程度后,随着排沙比的增大,输沙水量不再明显减小;③可以用平均流量为3 200 m3/s、平均含沙量为65 kg/m3的水沙搭配来代表黄河下游高效输沙洪水过程。

黄河“揭河底”机理研究及室内模拟试验

在深入调研及广泛收集整理现有研究成果的基础上,剖析了黄河"揭河底"现象发生的过程和主要特征;扩展了"揭河底"现象的概念;揭示了黄土高原特有的水文特征、下垫面条件及产流产沙过程、水沙组成等是形成"揭河底"河段典型河床层理淤积结构的前提条件;细颗粒泥沙絮凝效应是层理淤积结构中"胶泥层(块)"形成的机理。指出具有一定结构强度的"胶泥层"是"揭河底"发生的首要条件,特殊的来水来沙条件为其提供了揭底冲刷的动力。在此基础上,构建了动态的"揭河底"物理图形,即胶泥块形成、逐渐淘刷、失稳揭出、翻出水面4个动态过程;揭示了胶泥块上下表面脉动压力波传播速度不同引起的瞬时上举力是"揭河底"现象发生的真正机理。首次开展了真正意义上的室内"揭河底"模拟试验,探索了"揭河底"试验模拟技术,印证了"揭河底"物理图形的正确性,为后续判别指标的研究奠定了基础,同时也为近距离观察"揭河底"现象、观测同步水力泥沙参数提供了条件。

实施黄河泥沙处理与利用有机结合战略运行机制

研究表明,未来一个时期内黄河"水少、沙多,水沙关系不协调"的属性不可能发生根本改变,黄委在本次黄河流域综合规划中仍将"拦、排、调、放、挖"作为黄河综合治理的战略措施。随着治黄实践的逐步深入,除充分认识到调水调沙措施其中的分量之外,也更加意识到黄河水沙调控体系建设的紧迫性,意识到水库泥沙处理的重要性和艰巨性。实际上,20世纪80、90年代西北地区就做过中小型水库和拦泥库的泥沙处理现场试验,效果良好,但均因没有后续的资金作支撑而搁置。调研过程中我们还注意到,作为地方行为从库区抽出的泥沙直接排到其下游河道,没有考虑对黄河干流的影响和当初修建这些淤泥库的作用。故此,如何实现泥沙处理与利用的有机结合,形成连续的资金链条和良性循环的机制,以期黄河长治久安,是目前治黄工作必须直面的重大课题。

黄河“揭河底”判别指标理论研究及验证

在广泛的原型调研及模型试验研究基础上,作者认为,河床淤积物层理结构中胶泥层(块)的存在为"揭河底"发生提供了必要的前期条件,而高含沙洪水期水流作用于胶泥块引起上下表面脉动压力波传播速度不同形成瞬时上举力,是发生"揭河底"现象的直接原因。本文基于"揭河底"发生时的力学关系分析,创新性地利用瞬变流模型,建立了"揭河底"现象发生的临界判别指标;通过开展的"揭河底"室内模拟试验,确定了临界指标中的系数K值,并利用跟随性较强的模型试验资料及黄河小北干流放淤输沙渠资料及黄河龙门站资料对公式进行了验证,结果吻合较好。该成果为天然河道中"揭河底"现象的预测预报提供了理论支撑。

利用海洋动力减缓黄河口淤积延伸速率的研究

利用黄河口平面二维波流输沙数学模型、实测资料等,计算、分析了渤海流速、波流挟沙能力、黄河三角洲滨海区冲淤和粒径的变化。结果表明:①黄河三角洲浅水区的波流挟沙能力大于深水区的;②波流海洋动力能把浅水区较细的泥沙输送到渤海深海,而不能把此区较粗的泥沙输送到深海,深水区泥沙无论粗细,很难再被海洋动力带向渤海深海;③黄河单一流路入海方式易造成更多细泥沙淤积在深水区,不利于减缓黄河口淤泥延伸速率;④减缓黄河口淤积延伸速率的新思路是利用多流路把黄河泥沙相对均匀地输送到滨海区的浅水区,以充分利用海洋动力把较细的泥沙输送到渤海深海,同时结合三角洲社会、经济、生态等需求合理处理粗沙。

黄河下游生态需水与生态调度研究综述

系统梳理了20世纪中期以来国内外河流生态需水与生态调度的概念、方法、应用效果等,并针对黄河下游的现状对这些研究的适用性和应用前景做了述评。通过分析指出,黄河下游的生态需水与生态调度研究已取得了一定进展,既界定了总体量值范围,也考虑了不同水平年对应不同保证率下的流量过程。提出黄河下游生态需水与生态调度仍存在水文过程与生态系统作用关系尚未厘清、生态流量与水库调度尺度存在差异、黄河下游水库综合利用任务较难协调、未来水沙变化等因素具有不确定性等问题。

现阶段黄河入海流路输沙动态平衡研究

根据2001—2010年利津站水文资料和利津以下汛前实测大断面资料,从来水来沙条件、主槽断面面积变化、河底平均高程纵剖面和河长变化等方面分析了现阶段黄河入海清水沟流路年际变化特征。水沙条件分析表明:小浪底水库运用以来进入黄河河口的年水量基本维持在200亿m3左右,年平均沙量为1.77亿t,平均含沙量为9.3 kg/m3。这些相对稳定和有利的水沙系列为清水沟流路实现输沙动态平衡提供了良好的边界条件。2007—2010年的河道主槽断面面积、河底平均高程纵剖面和利津以下河长相对稳定,表明现阶段黄河入海流路在稳定的来水来沙、河道边界和海洋动力条件下基本实现了输沙动态平衡。

复杂侵蚀环境下分布式土壤流失水动力学模型——以黄河多沙粗沙区为研究实例

以黄河多沙粗沙区为研究对象,基于实体模型试验对黄土坡面-沟道系统侵蚀产沙机理的认识,根据侵蚀动力学、水文学、泥沙运动力学的基本理论,以地理信息系统为平台,研发了复杂侵蚀环境下的分布式土壤流失水动力学模型;揭示了植被作用下坡面-沟道系统侵蚀产沙耦合规律;认识到坡沟产沙之间具有内在的自调控关系;提出了当量糙率的概念;建立了基于G IS的分布式土壤流失水动力学模型;构建了基于ArcG IS平台的支持系统,实现了G IS与土壤流失模型、产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合。通过实例验证了模型对于中尺度流域土壤流失的模拟亦有较满意的精度。

黄河中下游泥沙重金属污染现状及原因分析

为明晰黄河中下游河道淤积泥沙重金属污染状况,沿河道采集15个深层淤积泥沙样本,对样本中的Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、Ni、Cr共7种重金属和As的含量进行了检测,选择单因子质量指数法和地累积指数法开展了评价。结果表明:黄河中下游河道整体上属于重金属无污染区,在禹门口附近的HY68断面存在明显的Cr污染和Ni污染,在花园口断面存在Hg污染。

郑焦铁路黄河大桥桥墩局部冲刷试验研究

为了保证郑焦铁路黄河大桥桥梁基础安全,同时尽量避免桥梁基础因设计偏于安全而造成工程投资的增加,按单宽流量、河势以及桥墩防护的多种组合,开展了桥墩基础局部冲刷试验研究,分析了桥墩局部冲刷的水流现象、冲刷坑形态和冲刷深度。结果表明:局部冲刷最深点在承台下的桩群之间,略偏向桥轴线上游部位;墩后形成带状淤积体,淤积体随单宽流量的增大而增大。水流方向与桥轴线正交时,桥墩周围的局部冲刷坑形态基本沿桥墩轴线对称分布;水流方向与桥轴线法线存在夹角时,冲坑范围扩大、冲坑深度明显增深,桥墩两侧马蹄形旋涡不再对称分布。墩前抛石护底后,局部冲刷坑深度明显变浅。

三盛公水利枢纽洪水期排沙分析

总结了已有的水库及河道输沙计算方面的研究成果,认为流量、入库含沙量和库区水面比降是影响三盛公水利枢纽出库输沙率的主要因素,其中比降可以用坝前水位变幅来反映。利用2000年以后的进、出库水沙资料,建立了三盛公水利枢纽洪水期出库输沙率的计算公式,并进行了验证计算,结果表明计算值与实测值比较接近,能够满足三盛公水利枢纽洪水期的排沙计算要求。

污染物吸附对泥沙运动特性的影响的研究现状

污染物与泥沙的相互作用十分复杂.一方面,泥沙对污染物的吸附、解吸等行为产生影响;另一方面,泥沙吸附污染物质后,不仅改变了其表面形貌,而且泥沙自身的力学运动特性也发生了改变.因此,污染物吸附对泥沙运动特性影响的问题越来越受到人们关注.综述了国内外在泥沙颗粒污染后的表面特征和污染物对泥沙行为的影响等方面的研究动态,最后提出环境泥沙研究需进一步深入研究的方向:1从微观尺度研究有机污染物在颗粒表面的吸附现象;2环境泥沙冲淤变形方面的研究;3新兴有机污染物对泥沙力学特性的影响.

黄河下游河道裁弯比对引河发展的影响研究

借助实测资料及模型试验研究成果,分析了国内外裁弯比研究现状以及黄河下游自然裁弯的裁弯比,通过模型试验研究了黄河下游裁弯比对引河发展的影响。结果表明:裁弯比是引河能否顺利冲开并达到分流要求的关键因素之一,裁弯比愈大,引河过流愈大,发展愈快,最终分流效果愈好;黄河下游宽河道的裁弯比可按3.0～7.0来控制。

黄河河床演变的典型现象及相关研究概述

简要总结了黄河小北干流＂揭河底＂及下游二级悬河等典型河床演变现象的相关研究成果。河床层理淤积及黄河特有的水沙条件是＂揭河底＂形成的前提,高含沙洪水期间水流作用于胶泥块以后引起上下表面脉动压力波传播速度不同而形成的瞬时上举力是发生＂揭河底＂现象的直接原因;黄河高含沙洪水期间河道横向输沙的极不平衡是逐步形成二级悬河典型横断面形态的根本原因。

黄河浮桥对河道水流影响的试验研究

通过实体模型试验,研究了浮桥在不同水流条件下对壅水高度、壅水范围、局部流速及水流挟沙力的影响,结果表明:①当浮桥与水流呈一定角度时,桥上游的水位在桥前相同距离断面上沿着桥轴方向从上游端向下游端逐渐提高;②浮桥处于工作状态时,浮舟与水流方向的夹角不宜大于10°;③运用能量型桥渡壅水公式计算的浮桥壅水高度较实际情况偏小,结果偏于不安全;④当浮桥转角开始增大时,桥前流速逐渐减小,并且单宽流量越小、天然流速越小,由浮桥转角造成的桥前流速衰减率越大;⑤水流挟沙力的减小规律与流速衰减规律类似,较小单宽流量下的水流挟沙能力减幅较大。