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《武汉大学》 2013年
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黄河下游河道萎缩机理与基本输水输沙通道规模研究

陈建国  
【摘要】:20世纪80~90年代,黄河下游经历了一场历史上少有的河床演变过程,河道萎缩,河床严重淤积,过水断面减少,河道泄洪排沙能力降低,威胁黄河的防洪安全。本论文针对黄河下游迫切需要解决的河道萎缩问题,采用实测资料分析和数学模型计算等研究手段,分析了黄河下游水沙变异特点和河道萎缩现象,探讨了黄河下游河道萎缩机制和调控临界指标,研究了不同水沙系列对塑造黄河下游输水输沙通道的作用和影响因素,提出了未来下游可能塑造与维持的基本输水输沙通道规模和综合措施,从而为黄河水沙调控体系建设和下游萎缩河道治理提供技术支撑。取得的主要研究成果包括: (1)黄河下游来水来沙量及其过程从20世纪50年代以来呈明显的减小趋势,特别是1986年以后,来水来沙量及其过程发生了显著变异。主要表现为:来水来沙量显著减少,水沙关系更不协调,来水量年内分布颠倒和大流量出现几率显著减低。 (2)黄河下游出现的河道萎缩是在特定的水沙系列条件下的河床演变现象。其基本特点是:河道严重淤积、过水断面强烈缩小、河道排洪能力降低,并伴有畸形河弯发育和驼峰现象凸显等特殊现象。黄河下游河道萎缩的成因是连续多年枯水和含沙量偏高造成的河床持续淤积,这是河道萎缩的基础;中小流量历时加长,加剧了主槽的淤积;频繁的高含沙洪水增加了嫩滩的淤积,促进了河道的萎缩。据1986~1999年资料,提出了黄河下游河道萎缩的综合条件和水沙判别关系。黄河下游河道平面河势及断面形态的不稳定性表明,只要来水来沙条件有利,萎缩河道是可以复苏的。 (3)黄河下游花园口—利津河段冲淤相对平衡时的花园口的来沙系数约为0.012kg.s/m6、年平均流量约为1850m3/s;小浪底-利津河段冲淤相对平衡时的洪水来沙系数约为0.012kg.s/m6。黄河下游典型断面平滩面积随当年最大洪峰流量的增加而增大,平滩宽深比随汛期来沙系数(S/Q)的增加而增大,当汛期来沙系数大于0.04kg.s/m6时,各典型断面形态趋向于稳定。洪水过程中各典型断面最大过流面积随洪峰流量的增加而增大。在不漫滩洪水过程中,如果发生洪峰流量4000m3/s、最大含沙量45kg/m3的洪水,花园口断面和利津断面需要的最大过流面积分别约为1987m2和1603m2。花园口断面不漫滩洪水的最小宽深比随洪水平均来沙系数的增加而减小,高村、艾山和利津断面的最小宽深比则随着洪水平均来沙系数的增加而增大,当花园口、高村、艾山和利津断面的洪水平均来沙系数分别大于约0.04kg.s/m6、0.035kg.s/m6、0.03kg.s/m6和0.025kg.s/m6后,各断面最小宽深比变化不明显。黄河下游河道平滩流量具有随年来水量(汛期来水量)和当年洪峰流量的增加而增大的规律。若未来通过小浪底水库调节进入下游的年平均径流量维持在1986~2010年的水平,未来下游河道可能维持的平滩流量约为4000m3/s左右。 (4)小浪底水库采用泥沙多年调节运用方式,为黄河下游塑造一个平滩流量为4000m3/s左右的基本输水输沙通道提供了可能。基本输水输沙通道的塑造是通过牺牲小浪底水库的拦沙库容得到的,维持也是以部分牺牲拦沙库容为代价的。比较理想的基本输水输沙通道塑造和维持过程应该是,前5-8年水库应采用拦沙运用,控制排沙比不大于0.3,塑造出下游河道平滩流量4000左右的基本输水输沙通道,然后水库运用方式调整为泥沙多年调节、相机排沙运用,排沙比可提高到0.7左右,以维持这个基本输水输沙通道,避免出现河槽继续扩大再萎缩的现象,这样不仅可以延长小浪底水库拦沙库容的使用年限,而且对于黄河下游河道基本输水输沙通道的稳定也是有利的。 (5)小浪底水库拦粗排细对于增加黄河下游河道过流能力有利,还可以使塑造的下游基本输水输沙通道更窄深;河床粗化后将使塑造基本输水输沙通道要求的来水来沙条件更高,塑造的基本输水输沙通道更宽浅。黄河下游现有河道整治工程在塑造基本输水输沙通道中作用不明显,生产堤需要与河道整治工程相配合才能形成有效的排洪输沙通道,疏浚工程应与护滩工程和河道整治工程统一考虑才能有利于基本输水输沙通道的稳定。 (6)塑造和维持黄河下游河道基本输水输沙通道,近期主要通过小浪底水库调节出库水沙过程和河道综合治理措施的配合来实现;中长期应通过在中游修建大型水利枢纽与小浪底水库联合运用,并通过跨流域调水来调节水沙过程,长期维持基本输水输沙通道。按目前黄河下游实际的来水来沙情况,黄河下游河道塑造和维持约4000m3/s左右平滩流量的基本输水输沙通道是可能的和适当的。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TV143

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