泥沙随机数学模型分析及其初步应用

通过引入随机理论及其相关处理方法,详细分析随机概念下的泥沙冲淤模式,建立了基于随机理论的泥沙数学模型。此模型避开了恢复饱和系数意义不明、取值不确定问题,以及含沙量与挟沙力的复杂性问题。通过水库淤积、水槽冲刷及一般河道的冲淤计算应用,结果证明本模式定性合理,可与确定性的传统水沙动力学方法作对比。     

黄河河口生态需水研究进展与展望

黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%～58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m~3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。     

黄河河口演变与流路稳定关键技术研究

黄河河口清水沟流路清8汊河已进入流路自然演变的末期。为此,界定了出汊、改道、流路稳定及黄河河口稳定的内涵,系统分析了近期黄河河口水沙及流路、海岸的新变化,通过试验研究了尾闾河道出汊机制,综合提出出汊阈值、触发条件以及黄河河口流路稳定综合判别指标。在此基础上,预判了清水沟清8汊河的稳定性,提出近期流路安排应优先考虑北汊河。     

黄河尾闾河道纵剖面调整对入海水沙的响应

为更全面地认识黄河尾闾河道形态的调整规律,基于1977—2017年利津水文站实测水沙资料以及典型断面资料,探讨黄河尾闾河道河床纵剖面形态在不同时期的变化过程,建立河床纵剖面凹度、纵比降与水沙条件的相关关系。研究表明:现行流路尾闾河道纵剖面主槽平均高程整体表现出先上升后降低的特征;纵剖面凹度在清8改汊前后,均表现出先增大后减小的特征,整体为"下凹"型;河道纵比降在流路改道(汊)后达到最大,在流路运用结束之前逐渐减小;尾闾河道纵剖面调整过程伴随着沿程、溯源的冲淤过程,与流路发展阶段和入海水沙过程密切相关,其中纵剖面凹度与汛期来沙系数有较密切的负相关关系;河道纵比降在不同时期对水沙条件表现出不同的响应规律,即当溯源淤积起主导作用时河道纵比降与汛期来沙系数有较好的负相关关系,当水流的挟沙能力起主导作用时则有明显的正相关关系。     

黄河河口河段水位波动的特征研究

西河口12 m水位改道标准是当前黄河河口综合治理进程中一项至关重要的控制指标,在实际研究过程当中,用相关规划当中给定的参考值,并不能实时反映变化条件下的中常洪水的相应改道水位,与此同时,水位波动特性的存在也为改道标准的准确评估带来不确定因素。基于1954-2014年的利津站流量及西河口水位资料,统计提出了西河口水位的量级波幅和时均波幅,研究表明:量级波幅与汛期流量过程具有明显的负相关关系,整体呈现出由小到大的变化趋势。大于1 m的时均波幅通常伴随着历史特大流量过程以及黄河河口流路的改道。因此需利用不同驱动因素影响下的量级波幅、时均波幅来推求黄河河口河段的中常洪水改道控制水位。     

黄河三角洲孤东近岸海床冲刷平衡深度预判

近年来,在流域来水来沙减少和河口尾闾不断改道变迁的情势下,黄河三角洲除现行河口口门附近外,其他区域都表现出不同程度的侵蚀。孤东海岸是黄河三角洲侵蚀最强烈的区域,海床冲刷演变过程与冲刷动力机制被广泛关注,但其冲刷平衡深度及冲刷极限深度却一直没有定论。基于尖点突变理论,针对近岸泥沙运动特征,推导出海床冲刷平衡深度预判公式;通过预判公式计算得到孤东近海海床冲刷平衡深度为6.5～7.5 m,与海岸剖面演变过程分析得到的冲刷极限深度6.8～7.2 m一致,证明了泥沙突变模型在预测海床冲刷中的适用性。预判结果表明：孤东海岸堤前海床还将持续冲刷2 m左右,加强海堤防护工程日常维护十分必要。     

黄河中游水库群联合调控塑造高效输沙洪水探讨

基于三门峡水库、小浪底水库实测资料与数学模型计算成果,对黄河中游水库群水沙联合调度塑造高含沙水流进行研究,重点探讨了古贤水库建成运用后的影响,得出以下主要结论:(1)利用古贤水库提供可调水量冲刷三门峡水库并与小浪底水库错峰,可塑造小浪底水库最长历时的排沙过程,此方案下小浪底水库出库含沙量在50 kg/m~3以上的天数约为20 d,双库联合运用较单库运用含沙量大于50 kg/m~3的天数增加7 d;(2)利用古贤水库提供可调水量冲刷三门峡水库并与小浪底水库沙峰对接,可塑造小浪底水库最大出库含沙量,此方案下小浪底水库最大出库含沙量在400 kg/m~3以上,日均含沙量在200 kg/m~3以上的天数约为3 d,冲刷量增加1.8亿t。合理运用黄河中游水库群进行联合调水调沙,可有效塑造高效输沙洪水过程,并达到减少水库泥沙淤积的目的。     

黄河口演变与流路稳定综合治理研究

简要回顾了黄河口演变与治理研究现状,结合黄河口面临的入海水量锐减、单一流路长期行河和小浪底水库的调节运用等新情势,提出在流路演变、岸线变化、关键技术和方案措施方面的近期研究目标。重点突破四大关键科学技术问题——尾闾河道出汊机制、海岸形态对陆海动力响应、河口流路演变多时空尺度混合模拟和河口流路水沙调配。明确六方面研究内容——黄河口尾闾出汊的孕育过程及触发机制、黄河口流路演变过程的动力机制及流路稳定的指标体系、黄河三角洲海岸演变过程与动力机制、黄河口演变的多时空尺度混合模拟技术、清水沟流路水沙通量调配技术与示范、稳定百年的黄河口入海流路方案与治理措施等。项目成果可以为黄河口综合治理和黄河三角洲高效生态经济区建设提供技术支撑。     

水库下游河湾平面形态变化规律研究

水库运用势必改变河道的水沙过程。下游河道也会随之发生不同程度的演变。本文基于这个问题。研究了汉江丹江口水库、长江葛洲坝水利枢纽蓄水运用后下游河湾平面形态的变化规律。主要内容包括河湾发育概况、水库运用对河湾平面形态的影响以及在不同的来水来沙条件下典型河湾平面形态变化。并结合大量实测资料拟合出水库下游河湾平面形态参数的经验公式，公式经验证，可以用来预测相同类型水库运行后下游河湾平面形态的变化规律。     

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。