黄河下游河道输沙水量的计算方法及应用

本文在以往输沙水量研究成果的基础上，从输沙机理分析着手，根据河道输水输沙实际过程，剖析径流量中各部分水量在泥沙输移中的作用，引入净水量的概念，提出了输沙水量和单位输沙水量的定义及其计算方法，根据1950～2000年黄河下游河道实测水沙资料，计算了1950～2000年三门峡水库运用不同时期黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的变化过程，分析了输沙水量和单位输沙水量与径流量、输沙量、流量、含沙量、冲淤量、来沙系数等因素的关系，得到了黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的计算公式。     

小浪底水库运用后黄河下游河道洪水与泥沙输移特性

根据小浪底水库拦沙运用后的河道观测资料,分析了黄河下游河道泥沙冲淤及河床质组成的时空变化特性。伴随着河道的持续冲刷,导致河床粗化、细泥沙补给不足,水流挟沙能力明显降低。建立了河道冲刷效率与累积冲刷量的量化关系,河道冲刷效率随累积冲刷量的增加呈指数衰减。2018年黄河下游河道的输沙能力相对于2000年降低约57.1%。分析了洪水期河道冲淤量与水沙量、流量及累积水量间的函数响应关系。考虑到河床粗化对输沙能力降低的影响,对2018年7月洪水冲淤结果进行了验证。建立了在洪水不同含沙量级条件下,利津站含沙量恢复值与流量间的关系。     

黄河下游河道不同洪水粗细泥沙输移和冲淤调整

本文根据黄河下游近十二年不同洪水的实测资料，分析了各级洪峰在下游的冲淤特点，指出了不同来源区洪水含沙量的沿程变化规律。     

黄河下游最经济输沙水量及其估算

从河流输沙水量的概念出发,根据输沙平衡原理推导出在考虑河道冲淤、引水引沙情况下河流最经济输沙水量的计算式。由此式可知,输沙水量与含沙量成反比;并且通过对实测资料的分析,得到输沙水量与流量也成类似的反比关系。最经济输沙水量是输沙效率与河道淤积状况综合最优时的输沙水量,也就是平滩流量时对应的输沙水量。以小浪底水库运用前20年黄河下游河道基本不淤及年引沙量为1．0-2．0亿t为条件,选取月均平滩流量3500m^3/s、月均含沙量40-100kg/m^3,得到黄河下游在维持良好输沙功能前提下的最经济输沙水量为10-25m^3/t。     

黄河下游河道输沙沿程调整变化模拟

黄河下游河道输沙具有"多来多排多淤"的特点,一般采用考虑上站来水含沙量的输沙率经验公式描述。通过比较输沙率经验公式与不平衡输沙理论方程之间的区别与联系,从理论上对经验公式的指数变化规律进行了研究,并构建提出了一种变幂指数的泥沙输移模型。基于所建立的泥沙输移变幂指数模型,结合黄河下游河道沿程实测水沙资料,重点对花园口—高村(游荡型)、艾山—利津(弯曲型)段输沙沿程调整变化情况进行了模拟计算。结果表明,计算值与实测值基本一致,确定系数均大于0.97。     

黄河下游河道冲淤平衡时输沙水量变化规律研究

根据1950～2000年黄河下游河道汛期实测径流量和输沙量资料,计算得到了花园口-高村和艾山-利津河段处于冲淤平衡状态时的输沙量、输沙水量与单位输沙水量,并分析了三者之间的关系.研究表明:河段处于冲淤平衡状态时,输沙水量随着输沙量的增大而增大,单位输沙水量随着输沙量、输沙水量的增大而减小,输沙效率增大;随着河槽形态趋于窄深,一定输沙量所需输沙水量减小,单位输沙水量减小,输沙效率提高.     

黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性

本文利用大量水文资料,在前人研究的基础上,分析研究了黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性。首先根据水文测验尤其是泥沙级配实测资料,间接分析各家公式的合理性,从而选择出物理概念清晰、符合黄河下游实际的扬动流速计算公式。对于粒径较小的泥沙,沙玉清、窦国仁等现有扬动流速计算公式都适用于黄河;随着泥沙粒径增加,几家公式差异变大,张罗号和罗诗琦公式同实测资料更为符合。在此基础上分析了黄河下游河槽不同粒径泥沙的扬动特性,认为“粗颗粒”泥沙在黄河下游河槽中水流量下亦能扬动。然后,选取黄河下游花园口、高村和利津站为下游代表水文站,采用汛期非漫滩情况下的实测数据,分别绘制了三站流量与泥沙以悬移形式运动的百分比关系图。引入扬动临界流量的概念后,各站泥沙输移特性变化规律基本遵循统一表达形式。进一步定量分析了各水文站泥沙输移特性,给出了扬动临界流量、扬动概率系数、输沙指数同泥沙粒径等因子的关系式,从而建立了泥沙以悬移形式运动的百分比与水沙因子的计算公式。结合未来30年内年均沙量减小的预测结果进行计算,表明黄河下游汛期日平均流量只要大于971 m³s,悬移质泥沙组成中的粗颗粒能保持悬移运动状态,同时表明加大流量是直接提升水流输沙能力的有效手段。     

黄河下游河道河槽形态与输沙特性研究

根据多年实测大断面统计资料,分析了黄河下游各河段的水面宽、宽深比B/h、单宽流量与流量的关系。结果表明:高村以上游荡型河道随着流量的增加,宽深比B/h增加、单宽流量减小,为宽浅型河道;艾山以下情况与高村以上相反,为窄深型河道。在实测资料范围内,河段的输沙特性与河槽形态关系密切,宽浅型河道具有"多来多淤多排"的输沙特性,窄深型河道在洪水时具有"多来多排"的输沙特性。河槽形态的沿程变化,使得洪水输沙能力没有因比降沿程变小而降低,而是随河宽的沿程变小,洪水的输沙能力沿程增强。河道底沙的运动速度比洪水传播慢,这是造成黄河下游河道长距离冲刷的根本原因。     

黄河下游"多来多排"的输沙机理与不淤河槽设计

冲积河道的水力几何形态在不同流量时的变化,是床面形态由沙纹逐渐进入高输沙动平整床面,引起的动床阻力变化的结果。当床面形态处于不稳定状态时,河床阻力的变化使水流处于不稳定状态,形成假潮。床面处于高输沙动平整状态时,床面上存在着强烈的底沙运动,较床沙细得多的悬沙不会在河床上落淤,故形成了悬沙“多来多排”的输沙特性。因此,床面进入高输沙动平整的水流条件是控制河床不淤的临界条件。在黄河下游床沙组成的条件下,其流速1．8～2．0m／s可作为不淤设计参数,在比降一定的条件下,可设计出不同输沙流量时的河槽宽度。     

黄河中下游沿线新增输送泥沙通道构想

黄河泥沙是华北冲积平原的主要地层构造成分,是黄河淤地造陆的主要来源。黄河下游长期维持的单股河道输沙方式,存在防洪安全和泥沙造陆之间的矛盾。维持下游河道堤防现状条件下,新增输沙通道能从根本上改变这一现象。结合管道输沙实践,描述了中下游沿河两岸管道输沙系统布置方式,对实施中涉及的工程规模、挟沙量、流速、输沙成本等要素作了简略计算,远距离输沙通道设计年输送沙量4亿t,水流含沙量300 kg/m~3,流速2 m/s,输沙成本22.86元/m~3。     

黄河下游河道整治与平衡输沙

提高河道输沙能力的基本途径是减少河床的阻力损失,且有与流量相适应的河湾曲率半径、窄深河槽和平整连续的护湾工程,以及各河湾之间流势的衔接配合,这将有利于稳定主槽和平衡输沙.比降是影响输沙能力的重要因素,黄河高村以下河道特别是艾山以下河道比降大幅度减小,必须相应缩窄河宽,才能达到与上游河段输沙能力一致.修建潜水丁坝,可减轻艾山以下小比降河段在非汛期的淤积.黄河水流的挟沙能力不仅与水力因素和泥沙粒径有关,而且随含沙量的增大而增大,具有多值关系和隐函数特性.     

黄河下游河道排沙比、淤积率与输沙特性研究

以小浪底水库拦沙后期运用为前提条件,根据黄河下游历次洪水的场次水沙资料,提出了下游河段全段及分段的排沙比关系式,分析表明黄河下游上段河道冲淤幅度较下段大,所以河床演变迅速且不稳定;下段河道断面窄深,经上段对水沙调节后,下段冲淤幅度小,河床平稳,但是输沙入海的瓶颈河段.水库调节对下游的减淤效果不大,相反会使入海沙量减少,水库淤积加快及输沙用水增加,水库如何适度拦沙是需要进一步研究的问题.     

维持黄河下游河槽排洪输沙能力方案分析

利用黄河下游水动力学泥沙冲淤数学模型,采用3个20年设计水沙系列对河段的冲淤及平滩流量的变化进行了计算与分析,结果表明:①各水沙系列的前10年,下游各河段均处于沿程冲刷状态,而后10年各河段则出现了淤积;②只有系列2能维持整个下游河道的平滩流量在4000 m3/s以上;③各系列前10年塑造河槽阶段的水沙过程均比较合理,基本实现了平滩流量稳定增大的目的,后10年河道平滩流量则出现了不同程度的减小;④应尽量控制小浪底出库含沙量不超过200 kg/m3且细泥沙比重在75%以上。     

黄河水流输沙能力公式的若干修正

根据黄河含沙量高的特点,考虑了含沙量对水流粘性和泥沙沉速的影响及非均匀沙的代表沉速,对黄河上常用的输沙能力公式进行了修正,给出了适合于黄河的输沙能力公式。     

黄河下游最小输沙用水总量的初步估算

黄河下游河道的输沙能力是冲积河流随来水来沙自动调整的结果。黄河下游输沙用水总量是黄河下游河道这种自动调整水沙关系的宏观表现。作者通过对1949-1953年黄河下游主要水文站实例资料的分析，找到黄河下游最小输沙水量，据此估算了黄河下游在小浪底水库投入运行后20年内的最小输沙用水总量。     

黄河下游河道洪水期输沙规律研究

利用1960—2010年黄河下游304场次洪水实测水沙资料,以小浪底站为黄河下游河道进口控制站,以花园口、高村、艾山和利津4站为节点将黄河下游划分为4个河段,系统地研究了黄河下游洪水期河道水沙输移规律,分析了花园口、高村、艾山和利津4站输沙率与各自上站流量、含沙量和输沙率的关系。结果表明:黄河下游河道的下站输沙率与上站输沙率有很好的相关关系。在此基础上,进一步对小浪底场次洪水来沙系数进行分级,得到了分级来沙系数的下站输沙率与上站输沙率的相关关系。采用建立的下站输沙率与上站输沙率关系式计算得到的黄河下游各河段冲淤量和冲淤过程与实测资料符合很好,具有较高的精确度。利用建立的关系式可以方便地预测未来黄河下游河道洪水期不同河段冲淤量,快速判断场次洪水对黄河下游河道冲淤的影响。