黄河内蒙河段支流入汇对干流影响的数值模拟研究

黄河内蒙河段支流入汇对干流影响的数值模拟研究 分类号: 密 级: : 单位代码: 华北水利水电学院硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 黄河内蒙河段支流入汇对干流影响的数值模拟研究 住 ’ 仆小砸年月独立完成与诚信声明/四舢删四四四 本人郑重声明:所提交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外,本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 圭旦。 学位论文作者签名:豫飞 一翮,嘭蚴良邓馥一 ..多. 签字日期: 签字日期:?口 ?口...?孑 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索, 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。涉密的学位论文在解 密后应遵守此规定 学位论文作者签名:豫/ 聊签劣责傲俏。 ..驴 签字日期: .孓.?宇 签字日期:矿 ?口, , 。 嘉 。扩 产 。?×。 ? 《 ..?,。。.一 . 。. 。, :。《 , 。 。 自 ??一?矗?????哪,‘盯??????? ? 摘要 黄河内蒙河段支流入汇对干流影响的数值模拟研究 摘要 支流入汇,是天然河流十分普遍的现象,是河流发展运动的重要影响因素。干 流输 送支流来水来沙能力的大小与干支流交汇区域河流的稳定性密切相关。本文 在已有的物 理模型试验基础上,结合实测资料分析,运用数学模型进一步研究了黄河内 蒙河段干支 流交汇段水沙运动的特征,入汇角度对干流输送支流来水来沙能力的影响程度,进而提 出了对黄河内蒙支流入汇河段的整治建议。主要内容包括: .结合实测资料分析了黄河内蒙河段干流和入汇支流的水沙特征和河床演变特 征。由于上游大型水库投入运用,上游流域降雨量减少,用水量增加,内蒙河段来水来 沙量逐年减小,并且年内分配趋于均匀,大洪水机遇减小,造成内蒙河段淤积严重、河 道萎缩、输送水沙能力下降。支流属于季节性河流,枯水期河床有大量松散堆积物且河 床上游比降较大,洪水一旦形成,支流水沙往往具有峰高流急、大水大沙、陡涨陡落的 特点。 .为提高模型计算的准确程度和效率,以.文件和.文件为接口进 行了二次开发,优化了 生成的三角网格。对比优化前后的网格,无论从 单一三角形网格片的质量比较还是从整体剖分区域网格质量比较,优化后的网格质量都 大大高于优化前,模型计算准确程度和效率都得到大幅提高。 .对泥沙和河床变形计算模块进行了较为深入的探讨,并结合张瑞瑾公 式对比分析了 采用的恩格隆汉森公式以及整个泥沙计算在研究河段的适用 性。 恩格隆汉森公式认为水流中的泥沙受当地河床构成影响较大,因此,泥沙运动计算主要 考虑了床沙构成和河床形态的影响,而对水流条件以及水体中挟带的来自上游的泥沙的 影响考虑较少。另一方面,泥沙模型在泥沙计算中考虑了螺旋流的影响,并且 引入了垂向的对流扩散方程,这在一定程度上弥补了恩格隆汉森公式对水流条件考虑较 少的不足。经过实际的验证,泥沙模型能够在一定程度上应用于内蒙河段的泥 沙计算。 .为降低内蒙河段支流入汇对黄河干流的不利影响,提出了调整支流入汇角度的 整治方案,并分别对现状入汇。、。入汇和。入汇角度进行了模拟对比分析, 调整入汇角度后支流洪峰对干流的不利影响降低。综合考虑经济因素和整治效果,认为 选取。入汇方案较为合适。华北水利水电学院硕士学位论文 关键词: 内蒙河段;支流入汇;河道整治;;水沙模型 .., . . :. , . . , , , . , , . , . . . . . .。 . . 一?, ., . , 华北水利水电学院硕士学位论文 ... , . 。 ,。 。.. ,。 . : ; ; ; ; 目录 目 录 摘要一 绪论一 .研究的目的及意义??. ..问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的提出??.. ..研究意义一 .研究现状. ..支流入汇问题的研究现状??.. ..黄河内蒙河段研究现状一 .本文的研究工作. 黄河内蒙支流入汇河段特性分析.黄河内蒙河段干流特性分析?. ..黄河内蒙河道概况??一 ..内蒙河段的水沙变化分析??一 ..内蒙河段河床演变分析 .黄河内蒙河段入汇支流特性分析..黄河内蒙河段入汇支流概况? ..入汇支流的水沙条件分析..十大孔兑洪水泥沙对内蒙河段干流的影响? .研究河段选取及特性分析..研究河段选取? ..三湖河口一昭君坟河段特性分析..毛不拉孔兑特性 支流入汇模型搭建及若干问题处理一 .对模型计算网格的优化??.. ..计算网格形态的选择? ..网格剖分技术的现状和发展趋势..三角网格剖分质量的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ..以.和.文 件为接口的模型二次开发. .水动力模型的搭建..水动力模型的控制方程 ..控制方程的空间离散? 华北水利水电学院硕::学位论文 ..时间差分 ..河床应力 ..水动力模型边界?..河床变形模型及泥沙运动模型的搭建 ..泥沙连续方程? ..河床变形方程? ..泥沙计算 .模型验证 ..水动力模块的率定和验证..泥沙运动和河床变形计算验证 .模型在长距离输沙河流的适用性探讨?.. 支流入汇对黄河内蒙河段的影响?一 .水沙过程和工况选取? .自然入汇工况分析..水流分析 ..泥沙和河床变形分析? .入汇角。工况分析一 ..水流分析 ..泥沙和河床变形分析? .入汇角。工况分析一 ..水流分析 ..泥沙和河床变形分析? .各工况对比分析 ..水流对比分析? ..泥沙运动和河床变形对比分析 ..对比分析结论? 结论与展望?一 .结论??. .展望??. 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目?一 致谢?. 参考文献一绪论 绪论 .研究的目的及意义 ..问题的提出 河流为人类的繁衍生息提供了良好的条件。世界各民族的文明大都发源于河流形成 的平原地带。河流的两个重要元素??水流、泥沙??给人类带来了充足的水源和肥沃 的土壤。这为人类社会和经济的发展提供了重要条件。但是处于自然状态下的河流并不 总是按照人们的意志维持在稳定的状态。相群【在分析了瑞士再保险公司发行的《西格 玛》杂志刊载的世界自然灾害年度调查汇总的结果后,提出在人类面临的自然灾害中洪 水、风水灾害占了%以上,且亚洲发生洪水灾害的次数和受灾人数在世界上占有相当 大的比例。我国的自然灾害主要就是洪涝和干旱。我国是世界上水资源严重贫乏的国家 之一,但又是河流众多,洪涝灾害最为严重的国家之一。洪水给中华民族带来的沉重灾 难,史不绝书。 自公元前年至年的年中,我国共发生洪水灾害次,几乎每两 年发生一次,小范围的局部水灾几乎年年不断。黄河更是一条桀骜不驯、世界闻名的多 沙、多灾的河流,自公元年至年的年间,下游决口泛滥的年份有年, 决溢次数达 多次,经历五次重大改道和迁徙,洪水所到之处,水毁沙埋,人畜荡 然无存。长江中下游自公元前年至年的年间,发生大洪灾有次之多, 平均大概年一次洪灾。其他江河如淮河、海河、辽河、松花江、珠江等,也频频发 生洪水灾害。 人类为了更好的生产和发展,从很早的时候便开始与河流进行不断的斗争。我国历 代有识之士和政治家,都将治河视作安民兴邦、繁荣经济的良策。为了获取 最大的社会 效益和经济效益,人类在干预河流自然状态时,总是设法维持河流稳定,河道平顺,过 流顺畅,以使减少洪水和其它自然灾害的威胁。 公元前多年前,大禹从鲧治水的失败中汲取教训,改变了“堵”的办法,对 洪水进行疏导,已经认识到洪水交汇在一起、得不到疏导的危害,有了“治水须顺水 性,水性就下,导之入海”的治水思想。说明在遥远的大禹时期人们已经开始思 考洪水的“分”“和”的问题。大禹治水的认识和思想跟现代的科学认识是一致的。 只是一味加高堤防堵住洪水的去路只会使更多的洪水汇聚在一起形成更大的威 胁。有支流入汇的河段发生洪水后,干支流水流交汇在一起形成的威胁将会更大。 人们认识到维持河道的过流能力,避免河道的淤堵对于治河的重要性,于是华北水利水电学院硕士学位论文 人们开始对河流进行有 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的干预,形成了各种治河 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。无论河流处于自然状态 还是处于人工干预状态,由于可侵蚀的河床河岸水流边界条件和不恒定的水流泥沙条 件,不可能处于绝对的稳定状态。河道是水流与河床长期相互作用的产物, 水流作用于 河床,使河床发生变形;河床的变形也反过来作用于水流,影响水流的结构和形态。两 者构成一对矛盾的统一体,即相互依存、相互影响、又相互制约,使河流永远处于不断 变化和发展过程中。水流与河床是通过泥沙运动作媒介来实现的。有时水流携带泥沙较 少,会引起河床冲刷使河底高程降低,水中泥沙含量增加;而另一些时候水中泥沙含量 较多,会引起水流中的泥沙淤积在河床上而使河底高程增高,水流的泥沙含量减少。泥 沙有时是水沙两相流中的组成部分,有时是河床的组成部分。局部的水沙条件和河床条 件的变化将会引起泥沙输移的变化进而引起更大范围的调整。 河流中泥沙的存在给人们认识河流治理河流带来了很大的难度,有时甚至是灾难。 尤其像黄河这样的多沙河流,泥沙问题更是所有问题的核心,往往也是灾害的重要促发 因素。自古以来,黄河的泥沙问题就一直困扰着人们对黄河河道的治理。据历史记载, 汉朝贾让公元前年就用“游荡”两字形象的描述黄河变迁的状况并总结出治河三 策,提出用引水放淤进行灌溉分沙的治河思想,把除害与兴利结合起来。至今“游荡” 河道还用来描述黄河下游的河道特性。明朝潘季训~年提出了“束水攻沙” 理论。清朝冯祚泰对于黄河泥沙问题曾指出,黄河“浊流之最可恶者莫如沙,而最可爱 者亦漠如沙”。 耿明全在描述水沙灾害概念时指出泥沙给河流带来的问题具有累积性,即泥沙对 河道的影响随着时间缓慢增加。例如泥沙导致的河道萎缩问题就是泥沙在河道中日积月 累的淤积形成的。这种问题一旦形成凸显出来,治理就有了很大的难度。在黄河下游, 泥沙及其带来的问题已经引起了人们广泛的关注。近年来黄河内蒙河段的问题也开始凸 显出来。 与黄河下游不同的是黄河内蒙河段有众多支流入汇。如前所述,在大禹时期人们已 经认识到“水性就下”,需要采取“顺水之性,因势利导”的治水措旋。如果一味“堵” 只会增加洪水的威胁。内蒙河段的南岸有众多支流入汇,一旦这些支流发生洪水流向黄 河干流的洪水没有得到疏导,反而汇聚在一起,这无疑大大增加了干流的不 稳定因素, 给防洪安全带来极大的威胁。 黄河内蒙河段在世纪年代后由于流域降水量减少,天然径流量偏枯,当地经 济社会发展用水量增大,上游水库的调节作用等因素,河道淤积严重,河道萎缩,排洪 能力下降。在这种不利情况下,一旦众多的支流形成洪水,流向干流交汇在一起将会超 过干流的排洪能力。 黄河内蒙河段的泥沙问题也因为众多的支流入汇而显得异常复杂。十大孔兑是内蒙绪论 河段的主要支流。它们都是从南向北,流经库布其沙漠带,横穿下游洪积平原汇入黄河。 这些洪沟上游坡度陡,河流冲蚀强烈;下游坡度突然变缓,河段泥沙淤积,河身宽浅。 十大孔兑基本是季节性河流,汛期才有洪水。由于它们经过沙漠地带,一旦暴雨中心在 此区域,形成的洪水往往是大水大沙。由于洪水挟带大量泥沙入黄,常在入汇口比降突 然变缓处堆积形成沙坝,严重的还会淤堵黄河,直接影响干流的输水输沙。这一方面引 起干流水位急剧上升,回水上延,给堤防工程带来了很大的威胁;另一方面也因堵死引 水口,给城市供水带来了很大困难。由于内蒙河道淤积萎缩的发展,中小流量相应水位 明显抬高,河槽宽浅散乱,摆动加剧,排洪能力下降。在这样的干流条件下,十大孔兑 一旦形成峰高流急,陡涨陡落的高含沙洪水入汇就会形成“干弱支强”的河段水沙条件。 干支流水沙条件的强烈反差使支流的作用得不到干流有力的削弱,支流对于干流的影响 将会强烈而持久。在支流汛期,内蒙河段形成的这种“干弱支强”的水沙条件与支流枯 水期的情况相比发生了急剧的变化,这就打破了河床与水沙条件相适应的平衡关系,势 必增加内蒙河段不稳定的因素。 近期内蒙河道问题逐渐突出,多次出现小流量时地方发生险情,引起各方的重视, 都迫切需要以内蒙河道演变规律的科学认识为指导。年月在鄂尔多斯高原产生两 次强降雨过程,暴雨中心位于黄河一级支流西柳沟的中上游。这里恰好也是库布奇沙漠 公 的中心地带。暴雨洪水夹带大量泥沙冲入黄河,在黄河主河床中淤积形成东西长 里,南北宽.公里,厚米多的沙坝。据当地水利部门介绍泥沙总量达到亿吨。大 量的泥沙淤积在河床中,将位于河床中的包钢三个进水口全部堵死,致使包钢部分停产, 经济损失巨大。 黄河内蒙河段的水流、泥沙以及河道问题,因为支流入汇的影响,相互作用、互为 因果,表现得异常突出和复杂。需要研究内蒙河段支流入汇对干流的影响,了解这种影 响的程度和范围,探索河段干支流自身发展的关系,尽可能降低支流入汇带来的不利影 响,维持内蒙河段的健康生命。 ..研究意义 干支流交汇是自然界河流的普遍现象。干支流交汇对河流的河床、水流以及泥沙都 有重要影响。研究支流入汇现象有普遍意义。 支流入汇的水流在交汇口处对干流水流形成回水顶托作用常带来水位、流速的显著 变化,同时水流发生紊动混掺。这些影响变化又会随着干流和支流的来流情况和河道地 形情况变化。不稳定的水流状态往往是河流治理的重点,支流入汇处显然就是河道治理 的重点部位。 在河流的干支流交汇附近,水流条件的显著变化会引起泥沙运动的变化。在干支流华北水利水电学院坝士学位论文 交汇处干流的河相关系改变,干流的水沙平衡状态也被改变,水流的混掺和碰撞使得流 速降低,挟沙能力降低,会有大量泥沙淤积。干支流交汇附近形成的河滩现象在众多 河流中都有发生。这些河口滩往往是河道治理、航道设计以及环境保护的重点研究对象, 引起了广泛关注。王协康等【】使用水槽试验研究支流交汇区的推移质问题。还有众多学 者如侯志强等【】、刘同宦等【都认识到支流交汇问题的研究意义并进行了深入的研究。 黄河上游观测工作比较薄弱、基本资料比较欠缺,导致对内蒙河道及十大孔兑的研 究开展比较晚,缺乏完整、系统的认识。因此,需要研究内蒙河段支流入汇对干流的影 响,了解这种影响产生的机制和应对这种影响的方法,探索黄河内蒙河段干支流交汇相 互影响的良性循环模式,为开展内蒙河道整治和防洪工作提供科学认识作为指导。 .研究现状 ..支流入汇问题的研究现状 众多学者研究支流入汇问题主要通过模型试验和实测数据分析进行。最早 于年已经展开了矩形明渠水流入汇问题的研究,采用不同入汇角度实验方案,研 究了交汇角为。和。时渠道水深的变化。和在研究的基 础上又开展了入汇角度为。、。和。的试验研究,并提出了计算断面水头损失 的方法。关于不同交汇角度的研究还有和在年做的研究工作,探讨了 入汇区回流纵横向流量比和动量比的关系,并试图从物理机理上寻找分离区形成的原 因。四年后又较系统的研究了入汇区泥沙和床面的运动,找到了三个相互独立的 影响河床形态的要素,并指出这三个要素受控于入汇角度和汇流比。 国内学者的研究更加重视实测资料的整理与分析。吴学良【等于年分析了岷 江、大渡河、青衣江的径流和泥沙数据,对交汇区域的水位、流量、流向、水面线和河 床变形等水力泥沙要素的变化规律进行了研究。梁林江【叫于年对黄河、渭河、洛 河的水沙组合进行了归类并在归类的基础上分析了洪水的来源和出现几率,研究了不同 水沙组合对渭河下游河道的影响。陈月华【在前人研究的基础上,分析了天然干支流河 道交汇的形式,交汇的平面形态,水流特性以及交汇区的泥沙运动规律和河 床变形规律 等。詹磊【进行了直角交汇区水槽试验,对直角交汇区域水流和泥沙运动特性进行了系 统阐述,并试图探索了水头损失的力学机理。 本文所要探讨的支流入汇问题的水沙特征较为独特。干流流量较小,输送来水来沙 能力有下降趋势;支流属于季节性河流,并且一旦形成洪水,往往具有峰高流急、大水 大沙、陡涨陡落的特。目前,对这种干支流水沙条件和河床条件下,洪水演进以及河床 演变规律的研究还相对较少。绪论 ..黄河内蒙河段研究现状 针对黄河内蒙河段水沙条件的变化众多学者做出了较为深入的研究。潘贤娣【】依据 大量实测资料对黄河上游水沙变化过程作了十分详细深入的研究,并对黄河水沙变化的 历史和现状进行总结,李东【整理了黄河流域.年天然径流资料,并进行了径 流量的计算,为黄河上游的研究提供了详实的基础资料。徐建华【】分析了近年来黄 河中上游径流量与输沙量资料,研究了不同时段径流量、输沙量的变化,探讨了两者的 关系得出变化过程相似的结论。程秀文【研究了年~年的实测水沙变化过程, 总结出黄河上游具有水多沙少,水沙异源,水沙年际变化大,水沙年内变化不均匀的特 点。饶素秋【对年代以来黄河上中游水沙变化特点进行了分析,提出了白年代以 来黄河上中游水沙呈逐年递减的趋势,其中尤以八、九十年代最为突出。蒋晓辉【】基于 小波分析方法对黄河中上游天然径流进行了分析,得出黄河上游天然径流量的变化有其 气候背景,径流和降水有显著的相关性。 虽然以上这些研究所使用的方法、资料年限有差异,但研究结论的分歧比较小,一 致的结论是黄河中上游径流量有明显的减小趋势,径流量变化不仅受气候变化因素的影 响还受人类活动的影响。 针对内蒙河段的河床演变问题也有众多学者做出了大量的工作。一般认为,内蒙河 段为冲积性河道,其河床演变主要取决于上游来水来沙条件。由于上游水库修建以后内 蒙河段河床冲淤变化受影响很大,众多学者在进行河道冲淤演变分析时都考虑了水库的 影响。杨赉斐【依据资料对影响宁蒙河段不同水库运用时期的河道的冲淤变化的因素, 包括水库和洪水、分组粒径泥沙进行了较为深入的研究,并对河道的冲淤变化进行了预 测,但与后来的实际情况有较大的出入。赵文林【运用沙量平衡法计算了水库运用不同 阶段下河沿至头道拐河段的冲淤量变化,其计算结果与水利部黄河水沙变化研究基金会 计算结果差异较小,这一结果已得到水沙变化基金会认可。侯素珍【在计算时考虑了风 沙对黄河泥沙的贡献和十大孔兑入黄沙量对黄河泥沙的贡献。王彦成【等研究了三盛公 水利枢纽运用以来三盛公下游至头道拐河段冲淤变形及平面形态的变化,结果表明,刘 家峡水库投入运用后,内蒙河段发生轻度冲刷,河床无显著摆动;龙羊峡水库投入运用 初期,河段水沙条件变化较大河床淤积严重平面摆动剧烈。 总结以上关于内蒙河道冲淤变化的研究成果,对于内蒙支流入汇河段的研究相对较 少,尤其支流洪水峰高流急、大水大沙、陡涨陡落的特性对干流的洪水演迸和河床变形 的影响研究较少。华北水利水电学院硕士学位论文 .本文的研究工作 在前人研究的基础上,本文探讨了黄河内蒙河段独特的支流入汇问题。支流 一旦发 生洪水,入汇河段就会形成“干弱支强”的独特水沙条件,导致支流高含沙洪峰对干流 的影响得不到干流有力的削弱,影响将会强烈而持久。干流汛期这种“干弱支强”的水 沙条件相对枯水期发生了急剧的变化,这就打破了干流相对平衡的状态,给河段带来了 极不稳定的因素。论文的研究工作总要从以下三个主要内容展开: 认识内蒙河段河床演变的特点,认识内蒙河段支流入汇的特点及其对干流的水流和 河床变形的影响,是本文的一个主要研究内容。内蒙河段研究工作开展较晚,观测资料 也相对较少,对许多问题还有争议,没有得到统一的认识。这就需要在有限的条件下, 结合已有的研究成果,分析总结对内蒙支流入汇水沙运动河床变形的特点。 建立黄河内蒙河段干支流交汇问题的二维水沙数学模型是本文的一个主要研究内 容。内蒙河段的支流来水来沙有峰高流急陡涨陡落的特点,这给建立合适的数学模型带 来了难度。目前国内已经广泛应用系列软件,但是应用于模拟黄河高含沙支流入 汇还缺乏足够的经验。模型本身不是开放的模型,为了建立适合内蒙河段干 支流 交汇问题的二维水沙模型必须对的水动力模块、泥沙运动模块和河床变形模块有 深入的探索研究,并尽可能在封闭的软件系统中找到可以介入的端口,从而根据实际问 题的需要对模型进行干预。 找到某种治理措施使支流入汇带来的负面影响降到最低,是本文研究的一个主要内 容。本文从调整入汇支流的入汇角度出发,进行了自然入汇角度,。入汇角度和 。入汇角度三种工况的模拟研究,对比各种入汇角度对干流水沙运动和河床变形的影 响,选取较为合适的支流入汇角度为解决内蒙河段支流入汇问题提供参考。 黄河内蒙支流入汇河段特性分析 黄河内蒙支流入段特性分析 河流的演进变化是十分丰富多彩的。不同的河流各具特色,彼此差别很大,要对形 形色色的河流有一个深入的了解,就必须找到所研究河流的特性。河流的特性反映在很 多方面。抓住了其中的主要方面就可以把握河流运动演变的特性。 河床演变是具有可动边界的水沙两相流运动必然会发生的现象。河床决定水流,水 流反过来通过泥沙冲淤使河床发生变化。由因生果,倒果为因,循环往复,变化无穷。 河流的数学模型是通过找到描述这种水沙两相流动运动的偏微分方程组,在特定的定解 条件下,得出方程组的特解。显然影响河床演变的主要因素应该包括在定解条件中。这 些定解条件主要可概括为进口条件、出口条件及河床周界条件。 进口条件主要是:河段上游的来水量及其变化过程;河段上游的来沙量、来沙组成 及其过程。这两个条件可以看成河流作为输水输沙的通道所必须要完成的任务。为此, 河流必须要调整自身的形态进行自我塑造,使之具有在平均状态下输送来水来沙的能 力,当来水来沙波动时,河流则做出自我调整适应这种变化。 出口条件是出口处的侵蚀基点条件。通常出口条件以控制水位条件给出,可以限制 河流在此控制条件上游的水面线和床面线,在特定的条件下,侵蚀基点的情况不同,河 流纵剖面的形态、位置及其变化过程会出现明显的差异。 河床周界条件泛指河流所在地区的地理、地质条件,包括河谷比降、河谷宽度以及 河谷组成等。即使河段的进出口具有完全相同的来水来沙条件及侵蚀基点条 件,不同的 河床周界条件仍然会带来不同的河床演变特点。 从这样的认识出发,本章将结合黄河内蒙河段干流和支流的特性,讨论影响河床演 变的主要因素。 .黄河内蒙河段干流特性分析 ..黄河内蒙河道概况 黄河内蒙古河段地处黄河流域“几”字形的最北端,介于东经’~。’和北纬 ’~’之间,从石嘴山市入境至巴彦淖尔盟磴口县河道流向大致是自西南流向东 北,磴口县至包头市是自西向东,包头市到清水河县喇嘛湾由西北流向东南方向,以下 至出境基本由北向南,黄河内蒙河段总体呈“”形大弯曲。该河段全长,石嘴 山一三盛公河段上段属峡谷型河道,中间河段宽度变化较大、宽窄相间、汊河很多;三 盛公一三湖河口属典型游荡型河段,河长约该段河道顺直,断面宽浅,水流散乱, 河道内沙洲发育众多,河宽大都在到之间,平均约为,主槽宽华北水利水电学院坝士字位论文 ~,平均为,河道比降为.%。。内蒙河段两侧有较大支流条,左岸 条,其余条在右岸,右岸支流均未修控制工程,其中的十大孔兑是内蒙河段的主要 产沙源。 上游未修建水库的天然情况下内蒙河道的平滩流量约为/~/。历史 上部分河势变化很大,与黄河下游情况比较相似,如赵业安【】形象的表述,具有“十年 河南、十年河北”的特性。对于不同流量的河势如顾文书【】描述有“大水走中、小水走 弯、大水淤滩、小水掏岸”的特性。在天然情况下尽管河势摆动大,但滩地此冲彼淤, 两岸滩地总面积在长时期内变化不大。 近年来三盛公枢纽以上河段的河床已经形成沙质河床,相对比较稳定,河道冲淤基 本平衡;而巴彦高勒一头道拐河段的淤积问题比较严重,世纪年代以来上游来水 偏枯及社会经济增长工农业用水量也在不断地增长,改变了黄河上游的自然来水过程, 上游四个水文站石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐的四个断面几乎没有出现过洪峰 大于/的洪水过程,致使河道主槽逐年萎缩,河槽不断淤积抬高,过流能力、输 沙能力减弱,增加了小水大灾的机遇。 黄河进入内蒙古平原后,由于比降变缓,水流速度减慢,加上十大孔兑汛期暴雨形 成的泥沙流在入黄口堆积影响,主河槽摆动频繁,造成河流多岔,心滩出没不 定。 巴彦高勒~河口镇头道拐河段,河道坡降更缓,平均坡降.%;弯道很多,河 道摆动幅度可达到,仅大弯道就有处之多,其中最大弯曲度达到.%弯道 的实际长度与河道直线长度之比。另外,在这一流段又有十大孔兑的来水来沙,常因 支流泥沙入汇黄河,在汇流口形成泥沙逐年堆积,并向河心推进阻水,导致主槽改道, 河势不稳,曲率加大。 黄河上游水沙基本特性是:水少沙多、水沙异源、年际变化大,年内分配不均匀、 水沙过程不适应。由于汛期龙刘水库调蓄拦水,进入内蒙河段的水沙过程常出现中小水 带大沙、支流入汇形成干流淤积的现象。 ..内蒙河段的水沙变化分析 在影响河床演变的主要的三个因素:进口条件、出口条件及河床周界条件中,上游 进口的来水来沙条件是最主要的。来水来沙集中反映了河流作为输水输沙通道而存在的 必要条件。并且出口条件可河床周界条件往往感受到进口水沙条件的变化影响,有时甚 至是进口水沙条件派生出来的。近期内蒙河段的日益凸显的诸多问题,归根结底就是上 游来水来沙的变化和支流入汇口上游的来水来沙条件。 ...水沙年际变化情况 黄河上游水量%来自兰州以上,%的泥沙来白兰州以下,内蒙河段的水沙变化黄河内蒙支流入汇河段特性分析 主要取决于兰州的水量变化。年月刘家峡和年龙羊峡两座大型水利枢纽分 别投入运用后,对兰州以上水量分配的影响较大。本次研究仅以龙刘水库投入运用为划 分时段,对内蒙河段各站水沙变化进行统计分析:把年和年视为内蒙河段水 沙变化的拐点。分析研究水沙资料的时段划分为:年~年年,年~ 年年,年~年年。 内蒙古河段有石嘴山、巴彦高勒、三湖河口以及昭君坟个基本站的水沙统计资料。 各个站不同时段的年均水量和沙量及汛期水沙分配情况见表?~表.。 表石嘴山站不同时段水沙量及汛期分配情况 ,表?巴彦高勒站不同时段水沙量及汛期分配情况 哆华北水利水电学院硕士学位论文 表.三湖河口站不同时段水沙量及汛期分配情况时段 时段 ?月 占第一时段 汛期/年 占第一时段 锌卷 川大 % % 汛期 % 年 年均 表头道拐站不同时段水沙量及汛期分配情况从各个站不同时段的水沙量变化情况可以看出: 从第一时段起,三个时段来水来沙量逐渐变少,来沙量减小的幅度大于来水 量减少的幅度。为方便比较,以各个站的~年的来水量和输沙量为%,则 石嘴山~年来水量减为.%,年输沙量减为.%,~年来水量减 为.%,年输沙量减为.%;巴彦高勒站~年、~年来水量分别 减为.%,.%,年输沙量分别减为.%,.%;三湖河口站~年、 年来水量分别减为.%,.%,年输沙量分别减为.%,.%;头道 拐站~年、~年来水量分别减为.%,.%,年输沙量分别减为 黄河内蒙支流入汇河段特性分析 .%,.%;由以上数据分析结果看出,第三时段年均水量和输沙量减少幅度均比第 二时段减少得大,这主要是因为年以后龙羊峡水库和刘家峡水库联合运用,水库 调节水沙的能力增强,导致了水沙量的迅速减少。 汛期水沙量的变化规律和年均水沙量变化规律一致,只是汛期水量减少的幅 度大于年均水量减少幅度,这和龙、刘水库的运用有关,水库一个重要的作用是汛期拦 蓄洪水,这就使得汛期的水量被拦蓄起来,致使水库下游的来水量大幅的减少;汛期各 站来水量占年均来水量比例也逐渐减少,天然情况时汛期年均来水量占全年的%,而 大型水库运用以后减至/旷%。来沙量也减少%左右。 年均输沙量的变化,天然情况下各站输沙量沿程是逐渐减少,但是变化不大, 这主要是因为天然情况没有水库的调节。根据钱宁【在《河床演变学》中的泥沙输移理 论,泥沙在运动的过程中能量逐渐减少,部分逐渐沉降在河底,可以认为该时段下河沿 至头道拐河段是微淤。巴彦高勒和三湖河口站的输沙量比头道拐站的要小,说明巴彦高 勒至头道拐段河床处于冲刷状态。第三时段,头道拐输沙量均小于其上游的各个站,此 阶段内蒙河段处于淤积阶段。 ...水沙年内变化情况 龙、刘水库修建后的运用主要是汛期蓄水非汛期增大下泄量,这就改变了天然情况 下的水量年内分配见表?。兰州站在整个 ~系列年年均实测水量为.亿 ,汛期~月实测水量为.亿,占全年水量的.%。在龙刘水库运用 前的~年,年均水量为亿,其中汛期水量为.亿,汛期占年水 量的%。到了龙刘水库联合运用后,年均水量为.亿,汛期实测水量为. 亿,汛期水量占年水量.%。从图?可以看出,在刘家峡水库投入运用后,兰州 站汛期水量开始减少,到龙刘水库联合运用后汛期水量开始大幅度地减少。 从图中可以 看出后两个时段非汛期的下泄水量也有一定的增加,这说明水库年内调节起 到了削弱汛 期下流量和增大非汛期下泄流量的作用。华北水利水电学院硕士学位论文 表兰州站不同时段径流年内分配统计单位:亿?。’。?。?。?。。。。。。’。。,。 年 ~年 ~年 年 时段月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . 年 . . . . . . ~月 年实测值广、八 ? ?:嚣慧纂 ?年实测值 \ ? /?心 《 ???、? ‖、一一、?心 一?每誉蓦一嚣嚣 彩 一?’ 弼 弼冀 月 髑 月 习月 弱 秀 髑 图?兰州站各时段平均径流年内分配.? 巴彦高勒站水量年内分配见表,整个~年系列年均实测水量为. 亿比兰州站减少.亿,汛期~月水量为.亿,占全年水量的%。 ~年年均实测水量.,汛期水量.亿,占全年水量的.%。 ~年年均实测水量.亿,汛期水量.亿,占年水量.%。从图. 可以看出,巴彦高勒站各个时段年内径流量的分配变化和兰州站有相似的规 律。 黄河内蒙支流入汇河段特性分析 表巴彦高勒站不同时段径流年内分配统计 单位:亿 ?年实测值 一?一:筹纂粱 \ ?年实测值??一 ,?厂弋‘ ?一\ 厂\心 、/ 一?一,\\?? 声飞 。 一 吖、 二??一 簿 月 月 月 月 月 月玛 月 月月弱 图? 巴彦高勒站各时段平均径流年内分配 ....不同级别流量出现天数的变化 三个研究时段的同级别流量年均出现的次数也发生很大的变化。兰州站和头道拐站 各级流量出现的天数统计结果见表.和表?。 从两表可以看出,龙、刘两水库运用后,大流量出现的天数不断减少,年以后 几乎没有出现大于/的流量,而两站流量小于/的天数却持续增加,其 中头道拐站在两库联合运用以后小于/的流量出现的天数甚至达到了天,大 于/的流量出现的天数都在减少。对比两站,头道拐站大于/的流量出 现的天数比兰州站要少,这主要是因为水流长距离推进、区间引水以及龙、刘水库调节 华北水利水电学院硕士学位论文 作用使得流量减少,相应的小于/的流量出现的天数头道拐站比兰州站要多。 表.兰州站不同时段各级流量年均出现天数统计单位:天表.头道拐站不同时段各级流量年均出现天数统计单位:天 ..内蒙河段河床演变分析 基本处于输沙平衡状态的河流,当外部条件改变使河流遭受到输沙平衡破坏的冲击 时,河流的自动调整作用就体现在河床变形的反映。内蒙河段来水来沙的变化引起的该 河段河床的一些列调整。 建库前的天然状况下,内蒙河道有长期缓慢抬升的趋势,年平均淤积厚度在 .~.左右。从年起上游水库投入运用,特别是龙刘水库投入运用后,水库 调节径流改变了河段的水沙条件,汛期水量和洪峰流量减小,使得上游的河段长期形成 的平衡打破,河道输沙能力降低,该河段主槽淤积严重,过流能力下降,增大了形成小 流量高水位的不利局面的机遇。如年月,三湖河口的最大流量只有/, 最高水位为.,比年洪峰流量为/时的水位高.,在三湖河口 断面下游处造成黄河大堤决口。内蒙古河段共进行次河道断面测量,即 年、年、年、年和年,根据这五次河道断面实测资料,对内蒙古河 段的冲淤演变进行分析。 ...不同河段的河床冲淤变化 表是根据断面法计算内蒙古各河段年均冲淤量的结果。 黄河内蒙支流入汇河段特性分析 表内蒙古河段不同时段断面法年均冲淤量 单位亿 分析表中数据可以得出,刘家峡水库运用前,内蒙各河段主要是以冲刷为主,昭君 坟~蒲滩拐段滩地略有淤积;龙、刘大型水库运用以后全河段以淤积为主,并且不同时 期河段滩槽冲淤分布有所不同,并且有淤积增大的趋势。从计算结果看,~年 间%淤积量集中在主槽,%的淤积发生在滩地。年以后,河段主槽淤积严重, 淤积量的%以上集中在河槽,滩地淤积量则明显减少,大约占%。 综合以上分析,大型水库运用后对内蒙河段天然情况下的冲淤变化造成了较大的影 响。原因在于大型水库对天然洪水过程的调节使得水库下游出现大洪水的机会大大减 少,出现中小水的机会增加,从而导致了洪水漫滩的机会较少,致使河流主槽淤积加重。 ...不同时期同流量水位变化 根据河段的历年水位、流量实测资料,做出同流量下的水位变化列表,用以反映历 年河床的变化以及发展趋势。如果同流量下水位有抬升的趋势表明河段在时段内有淤积 的趋势,反之则有冲刷的趋势。侯素珍【等整理了巴彦高勒、三湖河口、昭君坟的 年~年的流量水位资料,绘制出了同流量水位的发展趋势图。表.给出了内蒙 河段不同时期同流量水位的变化。年以前内蒙古河段发生冲刷,年月刘家 峡水库蓄水投入运用,加之 年来水来沙不利,内蒙河道发生淤积,同流量水位上 升。而年大型水库龙羊峡的投入运用,内蒙河道发生明显淤积。 表.内蒙河段不同时期同流量/水位升降值单位: ?/ ...不同时期造床流量的变化 造床流量通常作为研究河床变化的特征流量。而实际上影响河床形态及其演变特性 华北水利水电学院硕士学位论文 的流量是变化不定的。这种流量对塑造河床的形态所起的作用最为显著。这个单一的造 床流量应该是其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。确定造床 流量,目前理论上还没有特别成熟的方法。它不等于最大洪水流量,因为尽管最大洪水 流量的造床作用剧烈,但时间过短,所起的造床作用并不是很大;它也不等于枯水流量, 因为尽管枯水流量作用时间很长,但流量过小,所起的造床作用也不可能很大。因此造 床流量应该是一个较大但又并非最大的流量的洪水流量。虽然造床流量的定义和表达式 有很多种,但共同点是:一要反映径流、泥沙的影响;二要反映长期综合作用。目前较 通用的有两类确定方式:一是平滩流量法,一是输沙率法。 用平滩水位确定造床流量,即平滩流量是实际中经常采用的方法。这种方法认 为只有当水位平滩时,造床作用才最大,因为当水位再升高漫滩时,水流开始分散,造 床作用开始降低;水位低于河漫滩时,流速较小,造床作用也不强。侯素珍【等运用平 滩水位法对内蒙古河段水文站实测资料进行了分析,通过流量关系及断面形态分析得出 了该河段历年平滩流量的变化。分析结果表明,年以前,由于上游龙羊峡水库的蓄 水调节运用、以及气候条件变化和人为因素的影响,进入内蒙河段的水量持续减少,排 洪能力持续降低,平滩流量减少,河槽淤积萎缩严重。世纪年代以前,巴彦高勒 测站平滩流量在~/之间变化,三湖河口平滩流量在~/之间变 化;年代以后平滩流量逐渐减少,到年时巴彦高勒~昭君坟河段平滩流量在 ~/之间变化,平均平滩流量约为/;昭君坟~头道拐河段的平滩流量 变化范围为~ /之间,与巴彦高勒~昭君坟河段接近,头道拐附近平滩流量稍 大,变化范围为~/之间,全河段平均平滩流量为/。 输沙率法最大频率法的表达式分别为: ~ ? 上式中为造床流量,为输沙率,为对应输沙率的流量出现频率。通常平滩流量 法和输沙率法两类造床流量的计算结果并不相等,据程秀文等人的研究为: ? 尸.鲜 绋和防的差异是在推求这两个指标所使用的制约因素不同引起的,受地貌因素平 滩高程即滩面高程影响,则受水文、泥沙条件限制。同时绋和妍的差异也形成一 流量区问,这一区问的流量对河床形态及稳定性的影响较大。用区间描述造床流量正符 合对应天然径流泥沙随机变化的特性。 造床流量是河流地貌因素和水流泥沙因素的综合反映,是河相关系的特征流量。河 床稳定性与造床流量的稳定性关系十分密切。河道流量及其过程是一个极其复杂的随机 过程,从统计规律看,这一水文现象近似符合高斯正态分布规律。基于这种认识可以引 黄洞内蒙支流入汇河段特性分析 入影响河床稳定性的统计频率指标,: 尸尸尸?/?/绋一/ ? 或 尸’去州 //。 从以上表达式可以看出:年平均流量和流量年内分配的不均匀指标口直接影响着 实际径流中造床流量出现的时间频度。内蒙河段的实际河床演变及造床流量 的变化, 正体现了前述两个因素的重要影响。从水文统计资料可以明显看出:刘家峡、龙羊峡水 库相继投入使用后,年内径流过程不均匀度指标盯逐时段连续下降,年际间调节也使 发生改变。从而不同程度地影响了内蒙各河段的造床流量及河床稳定性。 对于峡谷河段,横向边界较为稳定,和变化不大,水库调节引起流量过程平 稳,减小是有利于河床稳定的。所以这些河段虽然不同年份有冲有淤,但总的来说河 床变化不大。对于冲积平原河段,横向边界极不稳定。一般大流量水流趋中,纵向切割 作用强,有利于维持河道的平衡比降。中小水流惯性作用较弱,受边界制约,趋于贴弯 流动,纵比降减缓而横向环流作用加强,河道形态的稳定性降低。水库调节引起流量过 程平稳使大流量对河床的纵向切割作用产生的机遇减小,中小水的机遇加大河流横向变 形的可能性也加大。 处于输沙平衡状态下的河流在外部条件发生变化时,河流的输沙平衡遭到破坏,所 产生的表现是河床的冲淤变形。冲淤变形的目的是使河流恢复输沙平衡,停止河床冲淤, 也就是吸收外部条件变化所产生的影响。河床发生再造床,在新的外部条件下,建立新 的平衡,这就是河流自动调整作用的平衡趋向性。内蒙河段上游来水量偏小,水量年内 分配趋于均匀化,这种改变作用于内蒙河段,其响应表现为河流平滩流量减小,河道淤 积萎缩,河流弯道发育,平面活动性增强。由于中小水流受边界制约趋于贴弯流动,纵 比降减缓,横向输沙不平衡,引起凹岸冲刷、凸岸淤积,产生横向变形。但是这种变形 并不能使横向输沙趋于平衡,相反,凹岸的冲刷会继续下去,有时甚至愈演愈烈。但是 这种平衡性仍然存在,因为横向输沙的不平衡性最终是通过裁弯取直这一突变来实现 的。从河流治理的角度考虑,并不希望河流自然地发生裁弯取直这种突变行为,而是希 望控制在一种相对稳定的形态或者有计划的进行人工裁弯取直。 天然河流来水来沙的改变引起河床形态的自动调整,除了满足输沙平衡的要求,还 力求在给定的约束条件下使水流所耗功率达到最小,即达到当地的:最小,联 解水流连续方程与运动方程也可以把前述关系表示成: ‘ ,一 , ? 受上述条件制约,冲积河流的调整必然要通过增加河床的横向活动性,以满足流量华北水利水电学院硕士学位论文 改变所引起的河道水流能量沿程分布调整的要求。例如,增大河道横向摆动幅度和摆动 速率,增大河道弯曲率等。对于中小流量水流,泥沙多淤积在主槽,这会导致平滩流量 急剧减小。同时环流引起的横向活动性增强,也能影响纵向输沙能力,使最大输沙率 对应的流量铆相应降低。通过对昭君坟和巴彦高勒站水文及断面实测资料的分析和统 计计算,可以看到该河段和妍的变化正反映了径流分配改变对造床流量的影响。 本文分别采用平滩法、输沙率法单频率法和综合频率法计算了昭君坟断面从?年 间的造床流量。经过统计分析整理成不同时段的造床流量,见表.。昭君坟断面不 同时段的造床流量的变化,可参见表中的统计分析数字,这反映了两种形式的造床流量 随径流过程调匀而引起的变化趋势。.年巴彦高勒站的造床流量也由原先 多/衰减为 /左右。 表?昭君坟造床流量及特征值 ? 河床形态调整对径流改变的响应是十分敏感和显著的。从表?可以看出:第一 时段年以前和第三时段.年的径流年内分配指标口的比值如.,两个时段 径流分配的离差系数的比值。.。而相应两个时段的造床流量的比值则大得多, 如两时段的比值孙.,两时段的比值粕.。显然由于径流过程非均匀程 度的减弱,即和的减小引起了河道水流能量沿程分布的调整,造床流量相应减小。 其指标和的减小与口和的减小的相关性,正反映了河床反馈响应的敏感性。 从造床机理上看,刘、龙水库相继投入运用后,河道径流过程的非均匀度逐年 递减,引起造床流量相应连续下降。从河床形态调整结果看:径流调匀,使小水淤积增 加,造成平滩流量逐时段减小,导致河槽横向摆动,河床活动性增强;从影响河床稳定 性的统计规律看:径流过程调匀,减弱了河段输沙能力,从而大大影响河流造床流量; 以不同侧面表征造床流量的两个指标和,不但量值大大减小,且两者的差异也进 一步减小。这样影响河床形态及稳定性的流量区间缩小,保持河床形态稳定的要求更加 严格,河床稳定性自然也相应降低。 ...不同时期河相关系的变化 能够相对自由发展的冲积河流的河床在水沙两相流的长期作用下,有可能形成与所 在河段具体条件相适应的水力几何形态。在这种均衡型态下,河流的内部和外部的因素,荑阔内蒙支流入汇河段特性分析 包括水深、河宽、比降、来流量、来沙量、泥沙粒径等,常存在某种函数关系。河流感 受到外部条件的变化而产生的自我调节行为的一个方向就是重新满足新的外部条件下 的河相关系。 近代河相关系所追求的目标是尽可能将各种形态关系排列在一起使之系统化,并力 图用一定的理论体系加以概括。对于河流内部和外部的因素,我们已知的较寸靠的约 束方程有以下三个: 水流连续公式 ? 水流阻力公式 :,一// ? 在河流处于输沙平衡极限状态时,有水流挟沙力公式可以作为另一个约束方程 陪, ?三” 如果河流处于启动平衡极限状态,有起动流速公式可以作为另一个约束方程 :.需要指出的是,天然河流普遍存在的是输沙平衡而非起动平衡。 对于四个未知数、、、,约束方程式仅有三个,因而方程组是不封闭的,必 须补充一个方程式及由此导出的约束条件才能求解。不言而喻,补充的约束方程不能增 加新的变量,同时应该独立于水流运行的方程式和描述泥沙运动的方程式之外。对于该 补充方程,诸多学者提出了不同的途径‘引。其中,年赫姆霍尔茨提出 了固壁清水无旋均匀流动能耗率最小的理论原则,在年代初期,维利坎诺夫把该理 论引申用到动床挟沙水流,年代后杨志达【】【】、张海燕‘明围绕这一问题做了大量卓 有成效的工作。时至今日,对于能耗最小假说通常有三种设想,第一种是单位时间、单 位长度水体的能耗最小,即 ‖ ? 第二种是单位时间单位水体的能耗最小,即 第三种是单位时间单位床面水体的能耗最小,即 华北水利水电学院硕士学位论文 ? 删 . 二 以上三种设想任选其一作为补充的约束方程,即可寻求能耗最小的河相因素值。前 面讨论造床流量时就是采用了第二种设想,即最小。需要指出的是,运用能耗最小 理论,极值并不总是存在的,所以能耗假说从理论到具体运用还需进一步的研究。当考 虑到能耗的沿程变化时,学者们运用了热力学中熵的概念,并证明要达到全河段的总能 耗最小,各断面的能耗应沿程不变。 从河床变化过程的长期性考虑,分析单位河长的总能耗有 ‖彬,碉 式中形为河流总径流量,为水的容重,为河槽平滩面积,为断面平均流速。式 ,. 说明单位长度河流的总能耗可以分为两个部分。 表示与过流面积有关的塑造河 . 床形态所消耗的能量,倒啦表示如河段流速有关的水流运动所消耗的能量。由此可 见河流的总能耗与河槽的过流面积和流量过程有密切关系。当流量过程改变,河流的过 流断面就要发生调整,对于冲积河流则更多的表现为河床的平面活