黄河内蒙三头河段高效输沙流量研究

摘要

有利于河道的高效输沙流量，是现今水资源短缺情形下，治理河道或引水渠道减淤排沙时亟待需要得到的答案。然而由于河道输沙是多类因子共同作用下的复杂过程结果，认识河道输沙规律是一大难题，也阻碍了河道高效输沙流量的研究。本文基于秦毅、李子文提出的以造床流量为参数的输沙量计算模型，分析确定了三湖河口至头道拐河段（三头河段）不同造床流量情况下，使河段不淤积、输沙量大且输单位沙用水量最少的水沙条件及洪水持续时间，即有利于河道的高效输沙的水沙搭配条件。另外，还从河道输沙的随机性角度入手，用Copula函数理论对与输沙有关的变量因子进行概率分析，建立联合Copula函数，并以其为基础，用条件概率分析有利于河道的输沙量、单位输沙水量和其来水来沙条件。以上两方法分别分析得到的结果一致，经检验，与同条件下已发生的实际输沙情况和河床演变情况相符合。研究获得的主要结论有： (1)基于以造床流量为参数的输沙模型分析，每种造床流量情况都存在最高效输沙流量且唯一，并且在此流量下河道最易发生冲刷。以高效输沙流量为来流条件，上站来沙量的大小决定了河道冲淤情况，上站含沙量越大河道越易发生淤积,反之，越易发生冲刷。 基于此输沙模型分析，.可计算未来三头河道各种造床流量情况下的有利于河道的高效输沙的水沙搭配条件，检验表明以此搭配条件计算分析出的输沙结果和河床演变结果与实际吻合良好，模型具有较好的预测能力。 (2)基于Copulas函数理论，建立了输沙量与单位输沙水量的二维Copula函数，和输沙量与流量、上站含沙量间的三维Copulas函数，以最大概率发生的输沙量和单位输沙水量为条件，求得的条件概率最大下的流量、上站含沙量即为有利河道且高效输沙的水沙搭配件。经与同条件下实际已发生输沙情况比较，发现对三头河段，发生概率最大的单位输沙水量为高效输沙水量。 (3)基于输沙模型分析高效输沙条件与基于Copulas函数用最大概率理论分析得到结论一致，且与已发生的实际输沙情况相符合，说明结论合理、可信。前述两种方法均可推求有利于河道的高效输沙流量，但基于Copulas函数分析要以实测数据为依据，不能对未发生的不一致（造床流量不同）条件下的情况进行预测，即不能分析不同造床流量河床的高效输沙流量。而用秦毅、李子文的输沙模型则可以解决预测问题。 （4）分析得出有利于河道高效输沙的水沙搭配条件是：用历时15日次洪输沙，现今造床流量Qc=1500m3/s下，高效输沙流量900～1000 m3/s，上站含沙量5～6 kg/m3，河段输出沙量约600万t，单位输沙水量170～200m3/t；随着河床调整未来造床流量会增加，当造床流量增加到2500 m3/s时，高效输沙流量1500 m3/s左右，上站含沙量8 kg/m3左右，河段输出沙量约1500万t，单位输沙水量约128m3/t；Qc=3500 m3/s时，用流量2000～2200m3/s，上站含沙量7～10 kg/m3，河段输出沙量为2600～2800万t，此时单位输沙水量为90～100m3/t。随着河床调整未来造床流量增大时，需要的高效输沙流量越大，同时输沙更高效。上游水库参照此来调节，可维持三头河段的持续健康。

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