论文摘要
黄河是中华民族的母亲河,也是世界上最难治理的河流之一。黄河下游难以治理的根本症结在于水少沙多,河床淤积抬升,而治理措施的选择在于对水沙运动特性和河道冲淤规律的把握。为此,本文依据1960～2010年黄河下游实测水沙资料,将每年划分为汛期洪水期、汛期非洪水期以及非汛期3个时期,将黄河下游河道划分为小花、花高、高艾、艾利等4个河段,对黄河下游河道不同时期、不同河段的输沙特性和冲淤规律进行了精细化研究,揭示了不同河段输沙率与上段来水来沙的内在关联,建立了河道冲淤与水沙因子的关系,预测了未来黄河下游河道冲淤演变趋势,并与数学模型计算结果进行了比对。利用本文建立的分时期、分河段的输沙率和冲淤量与水沙因子之间的关系,可为黄河上中游水利工程建设和运用、流域水土保持治理对黄河下游河道冲淤影响提供快速合理的预测技术,对于黄河下游河道治理具有重要的实际应用价值。本文研究取得的主要创新点如下。(1)在时空两个维度上进行了细化,能更好地揭示黄河下游河道水沙输移和冲淤规律。关于黄河下游河道水沙输移和冲淤规律研究成果很多,但是在过程上多数只关注汛期洪水期、或汛期、或全年,较少关注非汛期;在沿程上,多数将整个下游作为一个河段或分为河南和山东两个河段;而将水沙过程分为汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期,同时将河段分为游荡段、过渡段、弯曲段的研究成果更少。事实上,洪水和枯水的水沙输移规律明显不同,游荡型和弯曲型河道冲淤规律也差异明显,如果将水沙过程和河段笼统考虑,势必会隐藏不同时期和不同河段的水沙输移特性和河道冲淤规律的差异性。为此,本文将每年划分为汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期等3个时段,以反映不同水沙过程的水沙输移规律的差异;将黄河下游河道划分为小花、花高、高艾、艾利等4个河段,以更好地揭示不同河段(河型)在输水输沙和冲淤规律的差异。(2)揭示了不同时期黄河下游沿程输沙规律,建立了不同河段输沙率与来水来沙关系。利用1960～2010年小浪底、花园口、高村、艾山及利津等5个水文站实测水沙资料和304场洪水资料,研究了汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期等3个时期的5个水文站的下站输沙率与上站流量、含沙量以及输沙率的关系,结果表明:3个时期的下站输沙率与上站输沙率的关系均明显优于与流量、含沙量的关系。进一步对小浪底站水沙过程按来沙系数进行分级,结果发现下站输沙率与上站输沙率关系变得更好,多数相关系数达到0.95以上。根据这样的相关关系,在已知小浪底站水沙条件时,可快速逐站递推花园口、高村、艾山以及利津4站各时期的输沙率,从而得到各河段的冲淤量。(3)揭示了黄河下游河道冲淤规律,建立了冲淤量与水沙因子关系。研究了汛期洪水期、汛期非洪水期以及非汛期黄河下游河道冲淤量与小浪底平均流量、平均含沙量、平均来沙系数的关系,拟合了冲淤量与各水沙因子的关系式,分别给出了这3个时期下游河道冲淤平衡的小浪底站水沙临界阈值:即汛期洪水期的场次洪水平均含沙量45.13kg/m3;汛期非洪水期水沙临界阈值为来沙量1.77亿t、或平均含沙量24.25kg/m3、或平均来沙系数0.024kg·s/m6;非汛期水沙临界阈值为来沙量1.82亿t、或平均含沙量12.6kg/m3、或平均来沙系数0.014kg·s/m6。(4)采用输沙率关系式复演了下游河道冲淤过程,与实测资料符合很好。根据本文建立的3个不同时期、4个河段的输沙率关系、冲淤量与水沙因子关系,复演计算了黄河下游河道1960～2010年冲淤过程,给出了历年汛期、非汛期以及全年冲淤及在4个河段的冲淤分布。结果表明:无论是累积冲淤量、冲淤过程,还是冲淤沿程分布,均与实测资料符合很好,计算值与实测值的相关系数基本都在0.83以上,本文建立的计算黄河下游冲淤的方法具有很高精度。(5)预测了不同水沙情势下未来50年黄河下游河道冲淤过程。利用目前在研究黄河下游河道未来冲淤趋势中普遍采用的3个水沙系列:即年均来沙量为3亿t、6亿t和8亿t,分别采用本文建立的精细化水沙关系式和基于韩其为院士非均匀不平衡输沙理论建立的水沙数学模型,计算了 3个水沙情景方案未来50年下游河道累积冲淤过程。结果表明:两种方法计算得到的3个情景方案的冲淤过程高度一致(相关系数依次为0.92、0.98、0.99),冲淤量也非常接近,不仅起到了互相印证的作用,而且增加了计算结果的可靠性。预测成果对于黄河下游河道未来治理具有重要的应用价值。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 郑钊
导师: 郭庆超
关键词: 黄河下游,输沙率,来沙系数,拟合公式,河道冲淤
来源: 中国水利水电科学研究院
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地球物理学,水利水电工程
单位: 中国水利水电科学研究院
基金: 国家重点研发计划项目(2018YFC0407404,2018YFC0407301)
分类号: TV147
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