（水力学及河流动力学专业论文）黄河下游宽河段洪水运行规律研究.pdf

主要符号表 主要符号表 a ，k 、b 系数 b 河宽 c 。 断面 d * 泥沙中值粒径 h水深 h 水深变幅 j比降 r l 糙率 q流量 q a洪水平均流量 q 。 洪峰流量 q 。t 上游站洪峰流量 q 。，下游站洪峰流量 q 。平滩流量 r 水力半径 t时间 t 。洪水传播时间 t d相应平滩流量的传播时间 v 断面平均流速 z水位 z m 最高水位 z 水位变幅 甜洪峰传播速度 独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 同1 _ = 作的同志对本文所论述的j = 作的任何贡献均巳在论文中作了明确的 说明并巳致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：磋睦年纠年肛月吁日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地。未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件。允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：雠 导师签名： p 孵二月弘f i 摘要 黄河下游宽河段洪水运行规律研究 作者：张晓华作者签名： 导师：王新宏副教授导师签名： 李勇高级工程师 摘要 徽孚 z 计乃 誊。勇 基于不同历史时期黄河下游水沙条件和河道边界条件变化特点，系统研究了断面 调整机理及河道萎缩及对洪水演进特性的影响。研究表明，河道在持续冲刷前期深泓 点及水位下降与河床粗化同步发展，河床向v 型发展；冲刷后期深泓点下降、河床粗 化减弱河道展宽增大，水位继续下降，河床向u 型发展；在以淤积为主时期的调整， 是通过断面不同部位的淤积来实现的，但都是由u 型较大河槽向v 型窄深小槽发展。 河道调整特点为持续冲刷时期主槽、中水河槽的河宽、面积都明显增大，持续淤积时 期则减小。洪水期主槽宽度对水位涨率有较大影响，主槽流量从3 0 0 0 m 8 s 增大到8 0 0 0 3 s 时，下游各水文站断面水位的抬升幅度与主槽宽度的( - 0 6 5 ) 次方和河道纵比 降的( 一0 3 3 ) 次方具有较好的相关关系。当洪峰流量接近平滩流量时洪水传播速度 最快，洪峰变形最小，当洪峰流量约是平滩流量的2 2 5 倍时，洪水传播速度最慢， 洪水变形最大。报告给出了由上游水文站洪峰流量计算下游站洪峰流量的计算公式， 公式包含有河道条件和洪峰峰型因子，较全面地反映了影响洪水变形的因素。同时通 过对典型洪水的对比分析，研究了滩地边界条件对洪水运行的影响，认识到由于主槽 与滩地水体不连续以及滩地地形的改变，滩地蓄洪能力增大，造成洪水传播时间增长 和洪峰峰型的异常变化。 本项研究以实测资料为基础。阐明了冲积性河流水沙条件与河道边界条件的相互 影响和相互塑造，深化了对黄河下游宽河段河床演变及排洪规律的认识，对下游防洪 具有较高的指导作用。 关镬i 词：洪水运行水沙变化断面调整宽河段 a b s t r a e t s t u d yo nt h el a wo ff l o o dr o u t i n g 工nt h ew i d er e a c h i nt h el o w e ry e l l o wr i v e r c a n d i d a t e ：z h a n g x i a o h u a c a n d i d a t es i g n a t u r e ：刃d 矽：a 一 s u p e r v is o r ：d o c t o rw a n gx i n h o n g & m a s t e rl i y o n g s u p e r v l s 。r s l g n a t u r e = w 勺m k j i a b s t r a c t b a s e do nt h es u r f a c er u n o f fa n ds e d i m e n tl o a da n dc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c o fr i v e rb o u n d a r yi nd i f f e r e n tp e r i o di nt h el o w e ry e l l o wr i v e r ，t h er e g u l a t i n g m e c h a n is mo fc r o s ss e c t i o na n dr i v e r b e dw i t h e r e da n di t si n f l u e n c et ot h ef l o o d p r o p a g a t i o nw e r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a 儿y i t i ss h o w n t h a tt h ed e e pp o i n t o fr i v e rb e dl o w i n ga n db e dm a t e r i a lc o a r s e n i n go c c u r r e ds i m u l t a n e o u s l ya t t h eb e g i n n i n go fs u s t a i n e ds c o u r i n gp e r i o d a n dr i v e r b e dc h a n g e dt o w a r dvt y p e b e df o r m ，t h e nr i v e rw i d t hi n c r e a s e da n d t h ei n t e n s i t yo fd e e pp o i n tl o w i n g a n db e dm a t e r i a lc o a r s e n i n gd e c r e a s e da n dw a t e rl e v e ll o w e dc o n t i n u o u s l y s o t h eb e df o r mc h a n g e dt o w a r dt out y p e t h eb e dr e g u l a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u 【g h s e d i m e n ts i l t i n gi nd i f f e r e n tp a r t si nc r o s ss e c t i o nd u r i n gs i l t i n gp e r i o d a n dt h ed e f o r m a t i o no fb e df o r mc h a n g e df r o mb r o a dut y p ec h a n n e lt on a r r o w a n dd e e pvt y p ec h a n n e l t h ec h a r a c t e r l s t i co fb e dr e g u l a t i n gi st h a tt h ew i d t h a n da r e ao fm a i nc h a n n e la n dm e d i u mf l o w i n gc h a n n e li n c r e a s e dg r e a t l yd u r i n g t h es u s t a i n e ds i l t i n gp e r i o da n dd e c r e a s e dd u r i n gs c o u r i n gp e r i o d t h ew i d t h o fm a i nc h a n n e lw o u l di n f l u e n c et h ew a t e rl e v e lr i s i n gr a t eg r e a t l yi nf l o o d e v e n t s w h e nt h ed i s c h a r g e si nm a i nc h a n n e li n c r e a s e dt o8 0 0 0 一sf r o m3 0 0 0 m 3 s t h e w a t e r r i s i n ga m p l i t u d ea th y d r o m e t e rs t a t i o n s i n t h e l o w e r y e l l o w r i v e r w a sc o r r e l a t i v ew e l lw i t ht h ee x p o n e n t ( 一0 6 5 ) o fm a i nc h a n n e lw i d t ha n dt h e 西安理工大学工程硕士学位论文 e x p o n e n n ( 一0 。3 3 ) o fr i v e rl o n g i t u d i n a ls l o p e t h ev e l o c i t yo f f l o o d p r o p a g a t i o nw a sg r e a ta n df l o o dd e f o r m a t i o nw a ss l i g h t l yw h e n f l o o dp e a k i n c r e a s et ob a n kf u l ld is c h a r g e a st h ed is c h a r g ei n c r e a s e dt o2 - 25t i m e s o fb a n kn 1 1d is c h a r g et h ev e i o c i t yr e d u c e dt ot h e l o w e s t v a l u e a n dt h e g r e a t e s tf l o o dd e f o r m a t i o no c c u r r e d t h ef o r m u l ao fc a l c u l a t i n gf l o o dp e a k a td o w n sc r e a ms t a t i o n sa c c o r d i n gt ou p s t r e a mf l o o dp e a ka th y d r o m e t e rs t a r i o n w a sp r o p o s e di nt h i sr e s e a r c h 【nt h ef o r m u l ar i v e rb o u n d a r ya n df l o o dt y p e f a c t o r se t c w e r em a i nf a c t o r sa n dt h ef o r m u i ac a nr e f l e c tt h e1 m p a c t i n g f a c l o t so ff l o o dd e f o r m a t i o n i na d d i t i o na c c o l d i n gt ot h ec o m p a r is o no f t y p i c a lf l o o d st h ei m p a c to ff l o o d p l a i nm o r p h o l o g yt ot h ef l o o dp r o p a g a t i o n w a ss t u d l e d ，n oc o n t i n u o u sw a t e rb o d yi nm a i nc h a n n e la n df l o o d p l a i na n d t h e c h a n g eo ff i o o d p l a i nm o r p h 0 1 0 9 ya n dt h e 【n c r e a s e df l o o dd e t e n t i o nc a p a c i t y c a u s e dt h et i m eo ff l o o dp r o p a g a t i o ni n c r e a s n ga n dt h ef l o o dt y p e sc h a n g i n g l na b n o r m a l i y b a s e do nt h em e a s u r e df i e i d d a t at h ei n t e r a e t i o nb e t w e e nw a t e ra n d s e d i m e nla n d r i v e rb o u n d a r y inf l u v i a l r i v e r sw a si l l u m i n a t e di nt h is r e s e a r c h t h eu n d e r s t a n d i n go nt h e l a wo fr i v e rv a r i a t i o na n df l o o d i n gi n w id ea n ds h a l l o wr e a c hi nt h el o w e ry e l t o wr i v e rw a si m p r o v e d t h i sr e s e a r c h c a nd i r e c tt h ef l o o dd e f e n s ei nt h el o w e ry e i i o wr i v e ri ns o m ee x t e n t k e y w o r d s ：f l o o dr o u t i n g ；c h a n g i n go fs u r f a c er u n o f fa n ds e d i m e n tl o a d ； r e g u l a t i o i lo fc h a r a e t e r i s t i eo fr i v e rb o u n d a r y ：w i d er e a c h 1 概述 1 概述 冲积性河道的河床演变与水沙条件密切相关，是河流体系中相互影响、 相互制约、相互塑造的两个方面，水沙条件的变化引起河道冲淤演变和断 面形态的调整；同时，当河床演变发展到一定程度，导致河床边界条件发 生显著变化后，又会对水流泥沙的输移特性产生较大影响。特别是黄河下 游铁谢高村河段( 宽河段) 是典型的游荡型河段，水沙变化幅度大，河 道宽达1 0 多k ，具有广阔的滩地，河势变化迅速，主流摆动不定。河道冲 淤调整强烈，河道冲淤演变及断面调整对水沙变化的响应、以及河床边界 调整对洪水水沙输移特性的反馈影响也更加敏感而迅速。1 9 8 6 年以后水沙 条件变化较大，该河段河道严重淤积，河槽明显萎缩，特别是过洪输沙能 力较强的主槽过水面积明显减小，导致了河床边界条件的显著变化，进而 对在其中运行的挟沙水流产生影响，造成河道排洪输沙特性的一系列变化。 1 9 8 6 年以后下游河道严重淤积、水位不断升高、滩区出现“小水大灾”等 现象都从不同侧面反映了河道排洪输沙特性对河床边界条件变化的响应。 1 1洪水运行规律的研究现状 洪水预报是防洪减灾的重要非工程措施之一，其精度的提高主要依赖 于科技进步。河段洪水预报依据的是洪水波在河段中的运动规律，即洪水 波的传播、坦化、变形规律“1 。常用的河段洪水预报方法有相应水位法和 洪水演算法。 相应水位法由相应洪峰水位( 流量) 关系和传播时间曲线两部分组成， 最常见的形式是以下游同时水位为参变量的相应洪峰水位关系和传播时间 曲线，也可以采用涨差法作相应水位( 流量) 预报，其实质相当于采用图 解形式的运动波方程的差分解来作相应水位( 流量) 预报。相应水位( 流 量) 法一般只能作洪峰水位( 流量) 预报“1 。 1 西安理工大学工程硕士学位论文 按照描写洪水波的数学方程式不同，洪水演算法可分为水文学方法、 水力学方法和系统学方法：按照演算对象不同，可分为流量演算法和水位 演算法“3 。水文学方法以求解河段水量平衡方程和槽蓄方程为基础，一般 只能作流量演算，如要预报水位则需通过水位流量关系曲线转换，常见的 方法有马斯京根法、特征河长法和滞时演算法等。水文学方法一般不能考 虑回水顶托对洪水波运动的影响，但计算中所需的资料比较容易取得，计 算也比较简单；水力学方法以求解完全s t v e n a n t ( 圣维南) 方程组或简 化s t v e n a n t 方程组为基础“”，可同时求得断面的流量和水位过程，求 解完全s t v e n a n t 方程组目前只有数值解法，求解简化s t v e n a n t 方程组 在某些情况下可采用解析解。水力学方法虽然所需的资料中有些不易取得， 计算也较繁复，但能考虑回水顶托、闸坝及其它人类活动对洪水波运动的 影确：系统学方法视河段为一个系统，河段上断面入流为其输入，河段下 断面出流为其输出，认为上断面洪水过程经过河段这一系统的作用，就变 为下断面的出流过程，模拟这个系统的具体方法不同，就产生了不同的系 统学洪水演算方法，如时间序列分析法、线性系统分析法、人工神经网络 分析法等 ”臼1 ，系统学方法由于不必涉及系统的具体物理意义，故又称为 “黑箱子”方法，在现代计算机技术迅速发展的支持下，系统学方法得到 广泛应用“”1 “1 。 在黄河下游河道洪水演进预报中应用较多的主要为相应水位( 流量) 法和河道流量演算法“”，河道流量演算法主要包括马斯京根法和马斯京根 连续流量演算法“”“”，同时基于水力学方法的二维数学模型也发展较快。 因为黄河下游洪水漫滩时滩地滞蓄量较大，导致上下游站水量不平衡，所 以基于水量平衡的马斯京根法和马斯京根连续流量演算法并不适用于黄河 下游多滩地河段的漫滩洪水推演计算。为解决滩地对洪水的滞蓄影响，在 马颏京根法基础上建立了滩地蓄率曲线法“”、滩地汇流系数法 2 0 1 滩槽分 演滞后叠加法“”、先演后扣法等“”，大都将滩地当作“水库”，模拟滩地 对洪水的滞蓄和调蓄作用，虽然比基本的马斯京根法有较大改进，但仅适 1 概述 用于峰量较大的大漫滩洪水，对于峰量较小的大漫滩洪水( 如“9 6 8 ”洪 水) 并不可行 1 6 1 。 相应水位( 流量) 法对于黄河下游这一类边界条件复杂、洪水传播随 机性较大的河流，还是比较适用的，但在应用中当发生漫滩洪水时相关关 系并不理想，预报误差较大。问题在于没有掌握边界条件与洪水运行的相 互关系，即对黄河下游河道( 特别是宽河道) 洪水运行规律了解不甚清楚。 现有的成果仅仅对某场洪水的演变过程进行描述n 3 1 2 4 1 缺乏系统的分析研 究，更无法得到定量的认识。 1 2 黄河下游水沙概况 黄河下游水沙条件复杂，具有水沙异源，水沙量年际间变化大、年内 分配不均等特点。黄河下游洪水峰高沙大、涨落迅速，在下游河道特殊的 边界条件下，形成黄河善淤、善徙、善决的特点，造成极大危害。近十几 年来，人类活动对黄河流域的水沙条件产生了极大影响，黄河下游的水沙 条件，包括水沙量、水流过程、洪水特点都发生一系列变化。 黄河下游水沙主要来自花园口以上地区，该地区长系列年均降雨量仅 4 3 5 6 m m ，水量很小。而黄河中游地区多为黄土高原地带，土壤侵蚀强烈， 遇暴雨水土流失严重，产沙量很大，因此来水来沙具有水少沙多，含沙量 高的基本特点。 黄河下游三黑小站长系列年均水量4 6 4 9 亿m 3 ，沙量1 4 7 2 亿t ，含沙量 3 1 7 k g c m 3 ，年输沙量之大和含沙量之高都是世界河流少见的。黄河下游水 沙量的年际变化在丰枯交替过程中存在周期变化的丰水、枯水系列，如 1 9 2 2 1 9 3 2 年连续1 1 年的枯水系列，以及1 9 4 3 1 9 4 9 年连续7 年的丰 水系列。年沙量基本随水量变化，但由于水沙异源，来水来沙并不完全 同步。黄河水沙量年际变幅非常大，1 9 6 0 年前三黑小站年( 水文年) 最 大水、沙量分别为7 4 0 0 亿m 3 ( 1 9 3 7 年) 、3 7 6 亿t ( 1 9 3 3 年) ，最小水、 西安理工大擘工程硕士学位论文 沙量为2 3 1 0 亿n 1 3 和4 9 5 亿t ( 1 9 2 8 年) ，变幅分别为3 2 倍和7 6 倍，若 采用1 9 1 9 1 9 9 7 年长系列资料，最大年水量7 5 3 6 亿m 3 ( 1 9 6 4 年) ，最小 年水沙量仅有1 7 9 9 亿m 3 ( 1 9 9 1 年) 和1 8 9 亿t ( 1 9 6 1 年) ，变幅将达到 4 2 倍和1 9 9 倍。 黄河下游水沙量年内分配极不均匀，主要集中在汛期7 1 0 月，分别 占全年水沙量的5 9 6 和8 4 9 。而汛期沙量又主要集中在一场或几场暴雨 洪水期间，尤其是高含沙量洪水发生的年份，如1 9 7 7 年8 月洪水5 天沙量 占全年的3 6 。 黄河下游洪水按来源分为三类：( 1 ) 上大型是- - - - l q 峡以上来水为主。 由河龙区间和龙三区间暴雨洪水形成，该型洪水洪峰商，洪量大，含沙量 也大。i 9 3 3 年为典型，花园口洪峰流量2 0 4 0 0 m 3 s ，三门峡洪峰流量 1 8 5 0 0 m 3 s ，占花园口洪峰流量的9 0 7 ，日均最大含沙量达5 1 8 k g m 3 。1 9 7 7 年8 月洪水三门峡最大含沙量高达9 1 1 k g m j 。( 2 ) 下大型是以三门峡花 园口区间伊洛沁河及干流区间降雨来水为主这类洪水的特点是洪峰高， 洪量小，预见期短，含沙量较低。1 9 5 8 年和1 9 8 2 年都属下大型洪水，1 9 5 8 年花园口洪峰流量2 2 3 0 0 m 3 s ，三花间来水i 5 9 0 0 m 3 s ，占花园口洪峰流量 的7 1 3 。( 3 ) 上下较大型，- f q 峡上下共同来水，洪水历时长，洪峰较低。 如1 9 5 7 年，花园口洪峰流量1 3 0 0 0 m 3 s 三门峡以上来水占4 3 8 。 1 3 宽河段河道特点 黄河在盂滓县白鹤由山区进入华北平原，于山东垦利县注入渤海，河长 8 7 8 b ( 图卜1 ) 。由于黄河下游“水少沙多”，河床年均抬高0 0 5 0 i o m ， 现河床已商出堤外地面3 - 5 m ，部分地段达! o m 以上，并且仍在继续淤积， 下游己成为“地上悬河”。黄河下游河道形态上宽下窄、上陡下缓，按其特 性可分为三种不同类型：白鹤至高村河段长2 9 9 k a n ，河宽水散，冲淤幅度大， 主流摆动频繁，为典型的游荡性河段，河槽一般宽3 - 5 k m ，两岸堤距平均 1 概速 8 4 k m ，最宽处可达2 0 k m ：高村至陶城铺河段长1 6 5 k m ，为过渡性河段，近 二十年来修建了大量的河道整治工程，主流较为稳定，河槽宽0 7 - 3 7 k m ， 两岸堤距平均4 5 k m ；陶城铺以下为受控制的弯曲性河段，河槽宽 0 4 - 1 5 h n ，两岸堤距平均为2 2 h n 。 花园口埘口河段基本属于游荡型河道，河道宽浅散乱，水沙变化和河 道演变都相对强烈，洪水运行复杂多变，是下游防洪的重点河段，本项目 称该河段为宽河段。 图卜1 黄河下游河道图 黄河下游河道横断面多呈复式断面( 图1 2 ) ，一般由主槽、嫩滩( 级滩地) 和二滩( 二级滩地) 三个部份组成，在东坝头以上还有老滩( 三 级滩地) ，为1 8 5 5 年铜瓦乡决口后溯源冲刷形成，2 0 世纪8 0 年代以前一般 洪水不上水。 从排洪输沙的角度来看，主槽部分阻力小、流速大，是河道排洪输沙 的主体，在大中洪水时主槽的过流能力占全断面的7 0 9 0 。嫩滩是黄河 主流变化、主槽摆动过程中形成的较低滩地，没有明显的滩地横比降，嫩 滩范围内因植被稀少，滩地阻力小，也具有一定的过流能力，断面发生展 宽冲刷时嫩滩塌失，嫩滩即成为主槽的一部分，有效地扩大了主槽的过洪 面积。因此主槽和嫩滩合称为河槽或中水河槽，中常洪水主要在河槽中运行。 嫩滩在高村以上游荡性河段十分发育，艾山以下弯曲性河段不明显。二级 西安理工大学工程硕士学位论丈 滩地相对比较稳定，滩区种有大豆、玉米等典型农作物，受滩地植被阻水 作用的影响，二级滩地过流能力较嫩滩要小得多。同时，东坝头以下到孙 口河段滩唇离仰、堤根低洼，具有斜向大堤的横比降，“二级悬河”问题十 分突出： 图卜2 黄河下游亮河道横断茵示意图 1 9 6 0 1 9 6 4 年三门峡水库蓄水拦沙运用形成清水系列，1 9 8 1 1 9 8 5 年是 流域产沙少、产水多形成的丰水少沙系列，这两个系列是1 9 5 0 年以来黄河 下游少见的较长时闯连续少沙系列下游河道发生冲刷，冲刷以主槽为主， 嫩潍也有明显的坍塌，平滩下过水面积、主槽宽度和过流量明显增大。而 1 9 6 4 - 1 9 7 3 年三门峡水库滞洪排沙运用形成小水大沙的不利水沙条件，1 9 8 6 年以后流域降雨偏少及其它因素影响，下游水量减少剧烈，这两个时期下 游河道均发生了大量淤积，淤积主要集中在中水河槽的嫩滩和主槽中，平 滩- f 过水面积、主槽宽度和过流量显著减小。 1 ，4 研究目的及主要内容 i 9 8 6 年以来水沙条件发生极大变化，河道边界条件相应调整改变，洪 1 概速 水运行出现许多新特点，与以往的洪水传播规律有所差异。小浪底水库运 用至今，黄河下游河道条件未得到较大的改善，河道萎缩趋势并未停止， 因此发生洪水时前述新特点仍旧存在。为保障黄河下游防洪安全，对洪水 运行规律的掌握是必需条件。因此本项研究的主要目是通过对宽河段各时 期洪水资料的深入分析，建立表征洪水运行的各特征的变化模式，从而得 到对宽河段洪水运行规律的系统认识。 研究内容包括： ( 1 ) 黄河下游水沙条件及其变化特点 着重分析下游洪水特点，以及1 9 8 6 年后进入下游水沙条件的变化特点。 ( 2 ) 黄河下游宽河段边界条件的调整特点 包括反映边界条件的河道平面和横断面、滩地等在不同水沙条件下的调 整特点。 ( 3 ) 宽河段洪水水位变化规律研究 将洪水水位分为起涨水位和涨率两部分分别研究，同时分析滩地水位的 变化特点。 ( 4 ) 宽河段洪水传播时间研究 通过分析不同河道条件下洪水传播速度的变化特点，系统研究宽河段洪 水传播时间的变化规律。 ( 5 ) 宽河段洪水变形规律研究 着重研究洪峰流量沿程削减的定性、定量规律。 2 黄河下游水沙特性变化 2 黄河下游水沙特性变化 2 1 不同时期黄河下游水沙特性 1 9 6 0 年以来，黄河下游来水来沙条件受到人类活动的严重影响，其变 化特点不仅取决于气候因素，而且在很大程度上是随着三门峡、刘家峡、 龙羊峡等水库运用方式，以及沿黄引用水量和流域水土保持综合治理程度 不同面变化的。 天然情况( 1 9 5 0 1 9 5 9 年) ：1 9 5 0 1 9 5 9 年年均水量4 8 0 0 亿m 3 ，与长系 列均值相近，年均沙量达1 8 0 2 亿t ，偏多2 2 4 ，属平水丰沙系列。大水 大沙年份较多，1 9 5 4 、1 9 5 8 年水量分别为5 9 4 0 、6 9 6 5 亿m 3 ，沙量分别为 2 6 ，9 2 、3 i 。3 1 亿t 。水量的6 1 6 和沙量的8 6 集中在汛期。 兰门蛱水库蓄水拦沙期( 1 9 6 0 1 9 6 4 年) ：三门峡水库1 9 6 0 年9 月1 9 6 2 年3 月蓄水拦沙运用，期间水库除洪水期通过异重流排出少量细颗粒泥沙 外。其它时间均下泄清水。此后至1 9 6 4 年1 0 月，水库改为滞洪排沙运用， 但由于水库泄流能力小，滞洪滞沙作用大，出库泥沙仍较少。1 9 6 0 1 9 6 4 年黄河下游年均来水5 6 4 2 亿1 1 1 3 ( 表2 i ) ，较长系列均值偏多2 1 4 ，是 各时段中水量最丰的时期。年均来沙5 8 8 亿t ，较长系列均值偏少6 0 1 ， 含沙量仅1 0 4 k g m 3 。 三门峡水库滞洪排沙期( 1 9 6 5 1 9 7 3 年) ：1 9 6 5 1 9 7 3 年三门峡水库 改为滞洪排沙运用，下游年均来水4 2 5 4 亿m 3 表2 - 1 ) ，水量偏枯8 5 。 1 9 6 5 - - 1 9 6 7 年三年水量较大，其余年份水量较枯。年均沙量1 6 3 l 亿t ， 偏多1 0 8 。 三门峡水库蓄清排浑控制运用期( t 9 7 4 - - 1 9 8 5 年) ：1 9 7 3 年1 1 月三门 蛱水库采取非汛期蓄水拦沙、汛期降低水位泄洪排沙的蓄清排浑控制运用 方式，形成下游汛期匿个月来浑水，非汛期八个月来清水的年内清浑水交 替的过程。由于水库泄流能力不足，汛期遇5 0 0 0m 3 s 以上洪水水库仍然滞 r 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 - 1黄河下游各时期年均来水来沙量 水量( 亿m 3 )沙量( 亿t ) 时期 非汛期汛期全年汛期占年非汛期汛期全年汛期占年 1 9 6 0 6 42 4 4 o3 2 0 25 6 4 25 6 71 5 94 2 95 8 87 3 0 1 9 6 5 ，7 31 9 9 52 2 5 9 4 2 5 4 5 3 13 4 8 1 2 8 2 1 6 3 17 8 6 1 9 7 4 8 01 6 6 92 2 7 9 3 9 4 85 7 70 3 41 2 0 31 2 3 79 7 3 1 9 8 1 8 5 1 8 3 8 2 9 7 94 8 1 7 6 1 80 3 59 3 59 7 09 6 4 1 9 1 9 8 51 8 7 82 7 7 1 4 6 4 95 9 62 2 21 2 5 0 1 4 7 28 4 9 洪削峰，影响排沙。非汛期淤积在库内的泥沙有时在汛初小洪水时下排， 形成小水带大沙的不利局面。1 9 8 0 年前后水沙条件差别较大，可分为两个 水沙系列：1 9 7 4 1 9 8 0 年，下游年均水量3 9 4 8 亿m 3 ，年均沙量1 2 3 7 亿t ( 表2 1 ) ，分别比长系列均值偏少1 5 。从这时期开始，全年来沙的 9 7 集中在汛期排入下游。该时期2 0 0 0m 3 s 以下小流量历时较长，占到汛 期的5 5 9 ( 表2 2 ) 。1 9 8 1 1 9 8 5 年，为较典型的平水少沙系列( 表2 - 1 ) ， 下游年均来水4 8 1 7 亿m 3 ，较长系列偏多3 6 ，年均沙量仅9 7 0 亿t ，比 长系列均值减少3 4 1 ，平均含沙量只有2 0 1 k g m 3 ，是除1 9 6 0 1 9 6 4 年三 门峡水库拦沙期外，下游来沙最少、含沙量最低的时期。该时期少沙来源 区河1 2 镇以上和伊洛、沁河来水偏丰，而中游地区降雨偏少，特别是暴雨 强度较弱，来沙量大大减少，另一水沙来源区渭、汾、北洛河也是丰水少 沙，因此共同形成下游的有利水沙条件。下游中大流量历时很长( 表2 2 ) ， 花园口4 0 0 0m 3 s 以上流量历时年均达3 3 8 天，占汛期的2 7 5 。 9 2 黄河下游水沙特性变化 表2 - 2花园臼站不同时期汛期各流量级特征 流量级( m 3 s )各流量级占汛期比例( ) 1 i 项目时期 6 0 0 0 6 0 0 0 i 1 9 5 0 5 94 5 25 7 31 5 1 5 ；43 6 7 4 6 61 2 - 3 4 4 历时 1 9 7 4 8 06 8 83 9 01 2 52 。75 5 93 1 71 0 22 2 ( 天) 1 9 8 1 8 53 9 05 0 22 8 8 5 03 1 。7 4 0 82 3 44 。1 1 9 5 0 5 95 5 41 3 9 16 t 53 8 ；o1 8 94 7 32 0 91 2 。9 l 水量 l ( 亿m 3 ) 1 9 7 4 8 07 1 39 2 54 9 21 7 23 1 04 0 12 1 47 5 1 9 8 1 8 54 5 。71 2 4 01 1 7 o3 1 。91 4 33 8 93 6 81 0 0 1 9 5 0 5 91 4 34 9 83 5 42 - 8 71 1 13 8 92 7 62 2 4 沙量 1 9 7 4 - 8 01 9 34 2 82 3 71 1 71 9 84 3 92 4 31 2 0 f 亿t ) 1 9 8 1 8 5o 8 02 9 63 0 51 0 21 0 23 7 93 8 9 1 3 0 | 1 9 5 0 5 92 5 83 5 8 5 7 57 5 ，6 含沙量 1 9 7 4 8 02 7 14 6 24 8 16 8 1 ( 1 【咖3 ) 1 9 8 1 8 51 7 52 3 92 6 o3 2 o 2 21 9 8 6 年1 9 9 7 年水沙变化特点 1 9 8 6 年以来，受黄河流域气候条件变化，以及人类活动增强的影响， 黄河下游来水来沙条件，以及水沙在下游河道的沿程输移特性发生了较大 改变，主要表现为以下几方面。 2 。2 。l 连续出现枯水少沙系列 8 0 年代后期以来，黄河流域降雨偏少，同时沿程引水量增加，造成下 游连续f 多年的枯水系列。1 9 8 6 1 9 9 7 年下游年均来水2 8 8 1 亿m 3 ( 表2 3 ) ， 比长系列均值偏少3 8 。该系列水量普遍减少，1 2 年水量都少于长系列均 值1 9 1 9 年以来水量最枯的前1 0 年( 运用年j 中，1 9 8 6 年以后就有7 年， 1 n 西安理工大学工程硕士学位论文 其中1 9 9 7 年水量仅1 6 6 4 亿m 3 ，是最少的一年。 1 9 8 6 1 9 9 7 年下游年均来沙8 0 亿t ，比长系列均值偏少4 6 ，其中 1 9 8 7 、1 9 8 6 、1 9 9 7 年沙量分别列1 9 1 9 年以来沙量最少的第二、四、五位。 但来沙减少并不稳定，暴雨强度大的年份沙量仍较大，1 9 8 8 、1 9 9 2 、1 9 9 4 、 1 9 9 6 年沙量都超过1 0 亿t 。 表2 - 31 9 8 6 1 9 9 7 年黄河下游水沙量及年内分配 量值占全t! 比例 项目 7 8 月9 1 0 月7 1 0 月1 1 6 月全年7 8 月9 1 0 月7 1 0 月1 1 6 月 水量( 亿m 3 ) 7 8 2 5 4 31 3 2 51 5 5 62 8 8 12 7 21 8 84 6 0 5 4 0 沙量( 亿t ) 6 3 31 2 17 5 40 4 68 0 07 9 21 5 19 4 35 7 含沙量 8 0 92 2 45 6 92 92 7 8 ( k g m 3 ) 2 2 2 汛期水沙量减少，尤其9 1 0 月份秋汛期减幅更大 1 9 8 6 年以后下游水量减少主要集中在汛期，年均汛期水量只有长系列均 值的4 7 8 而非汛期减少不多，为长系列均值的8 3 9 ，致使下游水量年内 分配发生了较大变化( 表2 3 ) ，长系列平均汛期水量约占全年的6 0 ，而1 9 8 6 年后只占到4 6 ，相反非汛期水量占年水量的比例增大到5 4 o 受三门峡水 库控制运用的影响，全年泥沙的9 4 3 集中在汛期进入下游。因而在全年含沙 量降低的情况下，汛期含沙量增加，达到年均5 6 9 k g m 3 ，非汛期含沙量降到 只有2 9 k g m 3 。 汛期水沙量的大量减少，更主要地集中在9 1 0 月，7 8 月减幅相对 较小。下游伏汛期7 8 月是主要的来水来沙期，长系列水沙量分别占全年 的3 0 和6 1 左右，1 9 8 6 年后7 8 月水沙量减少，但占全年的比例变化 不大，水量下降为2 7 2 ，沙量却增大到7 9 2 。含沙量由长系列的6 2 1 k g m 3 增大到8 0 9k g m 3 。 1 1 2 黄河下游水沙特性变化 2 ，2 39 月下旬l o 月水沙特征接近非汛期 9 l o 月为黄河下游的秋汛期，也是来水来沙的重要时期，长系列均值 水沙量占到全年的2 9 和2 5 ，而1 9 8 6 年以后仅分别占全年总量的1 9 和 1 5 ( 表2 3 ) 。尤其9 月下旬1 0 月水沙量减幅更大，除1 9 8 9 年上游龙羊 峡水库因库区滑塌没有大量蓄水，下游水量偏多外，其余年份9 月下旬水 量较长系列减少一半以上，1 0 月减少2 3 以上。沙量减少更多，1 9 8 6 年后 9 月下旬、l o 月年均只有长系列均值的1 3 和1 5 ，1 0 月份沙量最少的年份 ( 1 9 9 7 年) 只有1 0 0 万t ，水沙量占全年的比例明显下降。这一时段的水沙 特征已与非汛期非常接近。 2 2 。4 汛期高效输沙流量减少、枯水历时增长 黄河下游水沙量减少，水沙过程也发生了较大变化。1 9 8 6 年以前花园 口汛期3 0 0 0 m 3 s 以上大流量年均出现3 7 7 天，水量1 2 4 3 亿3 ，沙量6 。2 0 亿t ，在汛期3 1 的时间里用5 4 的水量输送了6 1 的泥沙。1 9 8 6 年以后( 表 2 4 ) 汛期3 0 0 0 m 3 s 以上大流量级年均只有7 5 天，水量2 5 亿m 3 ，沙量l8 5 亿t ，在汛期6 的时间里用1 8 的水量输送了3 1 的泥沙。 表2 - 4黄河下游花园口站汛期各流量级特征 量值占汛期的比例l ) 项目时期 3 0 0 0汛期 3 0 0 0 1 9 8 6 9 75 8 45 7 17 51 2 34 7 4 67 历时( 天) 1 9 5 0 - 8 51 6 56 8 83 7 71 2 31 35 63 1 1 9 8 6 9 72 8 58 2 42 5 1 3 5 。92 16 11 8 水量( 亿m 3 ， 1 9 5 0 - 8 59 41 1 4 91 2 4 32 9 3 834 35 4 1 9 8 6 9 7 0 4 8 3 5 7 1 9 96 。0 485 93 3 沙量( 亿t ) 1 9 5 0 8 5o 2 23 6 76 21 0 0 933 66 1 西安理工大学工程硕士学位论文 2 2 5 汛期水量在中小流量级的集中程度增大，出现优势流量级 定义集中大部分水量的流量级为“优势流量级”。绘制各流量级的水量 分布( 图2 一1 ) ，1 9 8 6 年以前汛期水量在各流量级的分布比较均匀，虽然由 于有大洪水的发生使得各时期有水量较突出的流量级，但在6 0 0 0 m 3 s 以下 各流量级水量相差并不大，水量没有明显集中于某一流量级。而1 9 8 6 年后 水量基本集中在3 0 0 0 m 3 s 以下，其它流量级水量很少。 图2 1花园口各流量级水量分布 2 3 不同时期黄河下游洪水特点 1 9 5 0 1 9 5 9 年：下游大洪水较多，1 9 5 8 年8 月是建国以来第一大洪水， 花园口洪峰流量达2 2 3 0 0 m 3 s ，1 9 5 3 、1 9 5 4 、1 9 5 7 年最大洪峰流量都在 1 0 0 0 0 m 3 s 以上，其余各年也都超过6 0 0 0 m 3 s 。在5 0 年代基本天然河道状 况下，洪水向下游传播比较通畅自然，洪水传播历时较有规律，即使在大 洪水期间洪水变形也不是很大。 1 9 6 0 1 9 6 4 年：水库蓄水运用极大地改变了来水过程，主要是大幅度 削减洪峰流量，最大削减潼关洪峰达7 0 ，1 9 6 0 1 9 6 4 年出库最大流量仅 o 5 o 5 o 5 d r _ q v * 2 黄河下游水沙特性变化 7 7 6 0 m 。s ( 1 9 6 4 年9 月) 。同时出库流量过程均匀，中水流量历时加长。如 1 9 6 4 年8 月潼关洪峰流量1 2 4 0 0 m 3 s ，三门峡削峰6 0 ，出库流量只有 4 6 1 0 m 3 s 。经水库调节后洪峰过程明显坦化，潼关5 0 0 0 m y s 以上流量有2 0 多天，到三门峡出库均调节为5 0 0 0 m 3 s 以下而4 0 0 0 5 0 0 0 m 3 s 的流量历 时则增加了3 0 天。由于河道冲刷，河道过洪能力得到大幅度提高，洪水基 本在河槽中传播因此洪水传播速度快、变形极小。 1 9 6 5 1 9 7 3 年：三门蛱水库改建运用期，遇较大洪水削峰滞洪作用仍 较大，1 9 7 1 年7 月潼关洪峰流量1 0 2 0 0 m 1 s ，水库削峰比达4 7 ，出库流量 仅5 3 8 0 m 5 s 。同时改变了水沙搭配关系，汛期大洪水时水库滞洪削峰，出 库洪峰流量过程调匀，排沙量很小，水沙搭配为大水带小沙；洪水期过后， 水库降低水位大量排沙，形成小水带大沙。1 9 6 4 1 9 6 5 年非汛期最为典型( 图 2 - 2 ) ，潼关来沙量仅4 7 7 亿t ，三门峡出库达7 4 8 亿t ，且均在2 0 0 0 m ：s 图2 2 - = v i 峡水库1 9 6 4 1 9 6 5 年进出库水沙过