黄河上游河流环境变化与河道响应机理及其调控策略——宁蒙河段为对象

摘要

近20多年来,受气候和人类活动影响,宁蒙河段的河流环境发生很大改变,从而也引发了人们对水利工程开发建设的争论,其中争论焦点之一就是采用何种利用方式,使其既能有效利用水资源,又能改善宁蒙河段下游河道的淤积现状乃至完善整个黄河的防洪体系。由于缺乏对水沙输移特点及河床演变规律的系统认识,因此目前已有研究还不足以回答上述问题。另外,宁蒙河段河流属于中少沙,粗沙河流,应具有不同于黄河下游和低含沙河流的泥沙输移特性。因此探讨宁蒙河段的水沙互动响应,不仅对宁蒙河段淤积治理措施及防灾减灾研究有意义,对丰富泥沙运动力学和河床演变学也是一种贡献；对冲积河流的水位预报方法研究起理论支撑作用。在基本规律的研究基础上,论证、探讨合理的治理策略,更具有现实意义。为此,本论文一改以往主要基于长时段,如年、汛期、非汛期的水、沙平衡,以输沙率、河道冲淤为起点的研究方式,变为依据河流动力学理论,从研究泥沙组成及运动性质出发,探讨河床塑造核心期,即洪水期包括凌汛期洪水过程的水、沙、河床形态的互动响应关系与机理,研究河道环境与河道萎缩间的因果层次关系,进而分析论证治理策略。针对利用输沙平衡理论量化冲淤存在的不足,寻求能够随时跟踪表达横断面形态冲淤变化的量化方法。本论文研究获得如下成果。(1)从泥沙组成特性和运动特性出发,依据河流动力学理论和统计学的假设检验,界定了河道的泥沙组成、运动特性与运动形式。(2)提出了洪水过程中河道冲淤变形的物理图形。由实测资料分析结果证明这个图形真实存在。这更有助于直观、清楚地认识多沙、粗沙河流变化特性。(3)剖析了夏季不同类型洪水在河流纵向和横向上的冲淤特点及成因,以及凌汛期洪水的输沙特性及成因。(4)分析得出宁蒙河道河流环境变化与河道响应状况,并依此,结合洪水期水沙运动特性,指出河道萎缩成因的层次。(5)将理论分析与实测资料分析结合,从基本理论、与黄河下游泥沙条件对比的差异、中常洪水对河道断面形态的影响、人造洪水过程形状对河道冲淤的影响和河道冲刷用水量这5个方面的分析表明,人造洪水冲刷河槽的方式值得商榷。(6)根据宁蒙河道泥沙运动和凌汛期洪水输沙特性,提出粗细分治,即粗颗粒泥沙与细颗粒泥沙分开治理的思想；推荐利用低温期水流与新型自排沙廊道结合排沙的河、渠、水库防淤治淤措施,并从机理上阐明这一排沙组合的合理性。同时以推荐的小浪底水库减淤应用为例,指出了它的应用前景。本论文研究的主要创新之处表现在如下几点。(1)黄河“驼峰”现象是一种尚不被认识的现象。本论文依据动量守恒原理和河流演变趋于均衡性原理及单位时间河流功率最小假说,分析提出黄河“驼峰”现象的产生机理之一,即人造洪水过程形状引起的泥沙堆积(2)提出横断面冲淤面积量化计算方法。该方法完全量化了前后时刻横断面面积因冲淤(包括悬移质和推移质)引起的变化,可以随时跟踪整个洪水过程中的断面变化情况。一改过去“只有在大断面测量之后”才知道冲淤情况的局面。与常用的输沙率平衡法相比,不受漏测近河底输沙量的影响,也不受上下游输沙过程难以完全对应所带来的不确定性影响。(3)将河床冲刷率公式推广应用于河流冲刷需水量计算。与基于输沙平衡方程的用水量计算方法相比,它可以有效考虑水流,河槽边界及泥沙粒径的影响。基于输沙平衡方程的用水量计算方法,既无法将三者区分开来,又受到“漏测”的困扰。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 河流输沙特性的研究

1.2.2 河流断面形态演变研究

1.2.3 河槽断面形态变化对输沙的影响研究

1.2.4 宁蒙河段水沙输移演变研究现状

1.3 研究内容与技术手段

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术手段

2 黄河上游宁蒙河段流域地理概况

2.1 自然地理概况

2.2 河流环境状况

2.2.1 河道自身特征

2.2.2 河道周边环境及泥沙来源

2.2.3 河段上游水利工程概况

2.3 天然状态时的宁蒙河道冲淤一般特点

3 宁蒙河道泥沙级配组成及运动特点

3.1 宁蒙河段泥沙级配组成

3.2 宁蒙河段各泥沙组成的运动特点

3.2.1 主体粒径是最容易起动的粒径级

3.2.2 大于0.2mm粒径的泥沙基本为推移质运动

3.3 宁蒙河段推移质输沙率

4 宁蒙河道夏季洪水冲淤特征及机理

4.1 宁蒙河道夏季洪水造床特点分析

4.1.1 泥沙运动特点

4.1.2 河槽冲淤物理图形与机理

4.2 洪水冲淤面积跟踪分析

4.2.1 洪水冲淤面积跟踪计算方法

4.2.2 方法验证

4.3 汛期洪水特点实测资料分析

4.3.1 宁蒙河段洪水沿程冲淤发生概率分析

4.3.2 河段洪水排沙比变化与分析

4.3.3 冲淤面积A_2的变化与分析

4.3.4 洪水期河底高程的变化

4.3.5 分组粒径的沿程冲淤情况

4.4 夏季洪水冲淤特点总结

5 宁蒙河道凌汛期洪水冲淤特点分析

5.1 凌汛输沙特性

5.1.1 输移泥沙粒径粗

5.1.2 输沙能力大

5.2 塑造凌洪输沙特性的机理

5.2.1 低水温效应

5.2.2 流量沿程递增效应

6 河流环境演变及河道响应

6.1 气候、水文变化

6.1.1 气温升高

6.1.2 降水减少

6.1.3 径流量减少

6.2 区间来沙变化

6.3 人类活动影响

6.3.1 水利工程建设

6.3.2 宁蒙河段引水、引沙量变化

6.3.3 水库拉沙清淤的影响

6.3.4 水库防凌运用的影响

6.4 河流的响应

6.4.1 输沙的变化

6.4.2 来沙系数的变化

6.4.3 有效输沙流量的改变

6.4.4 河道断面形态的改变

6.4.5 河势的改变

6.5 近年来宁蒙河道的淤积问题

6.6 宁蒙河道淤积成因的层次

7 宁蒙河道减淤调控策略探讨

7.1 当前高含沙河流的治理措施与调控理论

7.2 宁蒙河道减淤治理观点

7.3 人造洪水治理的可行性

7.3.1 基本理论的讨论

7.3.2 黄河中下游与宁蒙河道的泥沙条件差异影响

7.3.3 中常洪水对断面形态的影响

7.3.4 人造洪水过程形状对河道冲淤的影响

7.3.5 冲刷河道用水量分析

7.3.6 结论

7.4 综合治理的可行性

7.5 治理宁蒙河道淤积问题的计策

7.5.1 粗泥沙治理思路

7.5.2 新式自排沙廊道设施简介

7.5.3 在宁蒙河道的应用方式

7.5.4 引伸意义

8 结论与建议

8.1 关于河槽冲淤物理图形

8.2 关于河槽冲淤及水沙变异响应

8.3 关于河槽减淤治理策略

8.4 建议

8.5 本论文之创新点

参考文献

致谢

附录