黄河下游河道形态自动调整机理研究

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黄河以含沙量高,来沙细而著称于世,由于变幅较大的水沙条件,加上河道整治工程的影响,产生了复杂的河道形态,特别是下游的游荡性河段。游荡性河道具有特殊的地貌特征,国际上常将其归为辫状河流,国内外学者给予了大量的关注。本文根据河流平衡理论及其相应的变分分析方法,利用水流连续方程、阻力方程和泥沙输移方程,确定黄河下游河道在不同水沙和边界条件下的平衡断面形态。并针对黄河下游游荡性河道,从河流所处的能态角度出发,详细分析了游荡性河道形态自动调整机理,及其在时空尺度上的复杂性。  经过对1950以来进入黄河下游的洪水所造成的河道淤积时空分布详细分析发现,大漫滩洪水在来沙系数S/Q≤0.034时,存在明显的“淤滩刷槽”现象。小漫滩洪水在S/Q≤0.016时,也存在有相同的规律。边界条件对漫滩洪水的冲淤横向分布也有很大的影响。1960年前黄河下游滩地没有修建大量的控导工程和生产堤,漫滩洪水可以顺利的进入滩地发生落淤,此时滩地与主槽的淤积抬升速率基本相同。但1960年后,尤其是1965~1974年间,河道控道工程和生产堤的陆续修建,以及滩区居民的增多,滩区道路和村台等阻水建筑物的增加,使得进入滩地的泥沙量显著减少,漫滩洪水的淤积多集中在河道控导工程或生产堤以内的嫩滩上。致使漫滩洪水的泥沙很难淤积在大堤附近的滩地,嫩滩与滩地的淤积抬升速率相差较大。  根据冲积性河流平衡理论及其相应的变分分析方法,对黄河下游输沙平衡所需坡降Jmin进行详细的分析计算,并与实际河道坡降Jc进行对比,结果表明,黄河下游游荡性河道在不同时期远离平衡态的程度与河道冲淤调整趋势基本一致。在三门峡水库和小浪底水库的拦沙运用期,以及来水偏丰、来沙偏少时期,下游河道均发生冲刷,此时河道的纵比降Jc远大于输送泥沙所需要的能坡Jmin,即Jc>Jmin。这表明冲积性河流平衡理论在黄河下游河床演变中具有很好的适用性。同时也表明河流所处能态不同,河道冲淤变化也会不同。  将黄河下游游荡性河段的水流功率与国际上192条河流进行对比,发现黄河下游河道的能态总体上非常低、水流功率ω也非常小,仅分布在2.9~12.3W/m2的范围内。主要原因是河道比降偏小,而河宽和宽深比均很大。较小的水流功率,却要输送大量的来沙,致使河槽不断游荡摆动,淤积抬升。利用黄河下游河段的平面河势实际观测资料,分析1960年至2016年河道平面形态的变化,发现黄河下游游荡性河段由60年代心滩边滩遍布且面积大、水面亦宽广的典型游荡性河道外型,逐渐向弯曲型河道的外型转化,在平面形态上主要表现为河道弯曲系数逐渐增大、河湾半径相应减小、心滩边滩大幅消失、主流趋于归顺统一。  最后,从河流所处能态的角度,分析了河流不平衡程度与河道平面形态参数之间的关系,揭示了黄河下游河道形态调整机理。发现黄河下游游荡性河段在大多数时段远离平衡态,即游荡性河道的实际比降Jc远小于河道输沙平衡所需比降Jmin。Jc相对于Jmin越小时,河道心滩边滩面积则越大,辫状强度也越大,弯曲系数就越小,河道越游荡摆动。
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