【摘要】：黃河是中華民族的母親河,也是世界上最難治理的河流之一。黃河下游難以治理的根本癥結(jié)在于水少沙多,河床淤積抬升,而治理措施的選擇在于對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)特性和河道沖淤規(guī)律的把握。為此,本文依據(jù)1960～2010年黃河下游實(shí)測(cè)水沙資料,將每年劃分為汛期洪水期、汛期非洪水期以及非汛期3個(gè)時(shí)期,將黃河下游河道劃分為小花、花高、高艾、艾利等4個(gè)河段,對(duì)黃河下游河道不同時(shí)期、不同河段的輸沙特性和沖淤規(guī)律進(jìn)行了精細(xì)化研究,揭示了不同河段輸沙率與上段來(lái)水來(lái)沙的內(nèi)在關(guān)聯(lián),建立了河道沖淤與水沙因子的關(guān)系,預(yù)測(cè)了未來(lái)黃河下游河道沖淤演變趨勢(shì),并與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。利用本文建立的分時(shí)期、分河段的輸沙率和沖淤量與水沙因子之間的關(guān)系,可為黃河上中游水利工程建設(shè)和運(yùn)用、流域水土保持治理對(duì)黃河下游河道沖淤影響提供快速合理的預(yù)測(cè)技術(shù),對(duì)于黃河下游河道治理具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文研究取得的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。(1)在時(shí)空兩個(gè)維度上進(jìn)行了細(xì)化,能更好地揭示黃河下游河道水沙輸移和沖淤規(guī)律。關(guān)于黃河下游河道水沙輸移和沖淤規(guī)律研究成果很多,但是在過(guò)程上多數(shù)只關(guān)注汛期洪水期、或汛期、或全年,較少關(guān)注非汛期;在沿程上,多數(shù)將整個(gè)下游作為一個(gè)河段或分為河南和山東兩個(gè)河段;而將水沙過(guò)程分為汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期,同時(shí)將河段分為游蕩段、過(guò)渡段、彎曲段的研究成果更少。事實(shí)上,洪水和枯水的水沙輸移規(guī)律明顯不同,游蕩型和彎曲型河道沖淤規(guī)律也差異明顯,如果將水沙過(guò)程和河段籠統(tǒng)考慮,勢(shì)必會(huì)隱藏不同時(shí)期和不同河段的水沙輸移特性和河道沖淤規(guī)律的差異性。為此,本文將每年劃分為汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期等3個(gè)時(shí)段,以反映不同水沙過(guò)程的水沙輸移規(guī)律的差異;將黃河下游河道劃分為小花、花高、高艾、艾利等4個(gè)河段,以更好地揭示不同河段(河型)在輸水輸沙和沖淤規(guī)律的差異。(2)揭示了不同時(shí)期黃河下游沿程輸沙規(guī)律,建立了不同河段輸沙率與來(lái)水來(lái)沙關(guān)系。利用1960～2010年小浪底、花園口、高村、艾山及利津等5個(gè)水文站實(shí)測(cè)水沙資料和304場(chǎng)洪水資料,研究了汛期洪水期、汛期非洪水期、非汛期等3個(gè)時(shí)期的5個(gè)水文站的下站輸沙率與上站流量、含沙量以及輸沙率的關(guān)系,結(jié)果表明:3個(gè)時(shí)期的下站輸沙率與上站輸沙率的關(guān)系均明顯優(yōu)于與流量、含沙量的關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)小浪底站水沙過(guò)程按來(lái)沙系數(shù)進(jìn)行分級(jí),結(jié)果發(fā)現(xiàn)下站輸沙率與上站輸沙率關(guān)系變得更好,多數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95以上。根據(jù)這樣的相關(guān)關(guān)系,在已知小浪底站水沙條件時(shí),可快速逐站遞推花園口、高村、艾山以及利津4站各時(shí)期的輸沙率,從而得到各河段的沖淤量。(3)揭示了黃河下游河道沖淤規(guī)律,建立了沖淤量與水沙因子關(guān)系。研究了汛期洪水期、汛期非洪水期以及非汛期黃河下游河道沖淤量與小浪底平均流量、平均含沙量、平均來(lái)沙系數(shù)的關(guān)系,擬合了沖淤量與各水沙因子的關(guān)系式,分別給出了這3個(gè)時(shí)期下游河道沖淤平衡的小浪底站水沙臨界閾值:即汛期洪水期的場(chǎng)次洪水平均含沙量45.13kg/m3;汛期非洪水期水沙臨界閾值為來(lái)沙量1.77億t、或平均含沙量24.25kg/m3、或平均來(lái)沙系數(shù)0.024kg·s/m6;非汛期水沙臨界閾值為來(lái)沙量1.82億t、或平均含沙量12.6kg/m3、或平均來(lái)沙系數(shù)0.014kg·s/m6。(4)采用輸沙率關(guān)系式復(fù)演了下游河道沖淤過(guò)程,與實(shí)測(cè)資料符合很好。根據(jù)本文建立的3個(gè)不同時(shí)期、4個(gè)河段的輸沙率關(guān)系、沖淤量與水沙因子關(guān)系,復(fù)演計(jì)算了黃河下游河道1960～2010年沖淤過(guò)程,給出了歷年汛期、非汛期以及全年沖淤及在4個(gè)河段的沖淤分布。結(jié)果表明:無(wú)論是累積沖淤量、沖淤過(guò)程,還是沖淤沿程分布,均與實(shí)測(cè)資料符合很好,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)基本都在0.83以上,本文建立的計(jì)算黃河下游沖淤的方法具有很高精度。(5)預(yù)測(cè)了不同水沙情勢(shì)下未來(lái)50年黃河下游河道沖淤過(guò)程。利用目前在研究黃河下游河道未來(lái)沖淤趨勢(shì)中普遍采用的3個(gè)水沙系列:即年均來(lái)沙量為3億t、6億t和8億t,分別采用本文建立的精細(xì)化水沙關(guān)系式和基于韓其為院士非均勻不平衡輸沙理論建立的水沙數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了 3個(gè)水沙情景方案未來(lái)50年下游河道累積沖淤過(guò)程。結(jié)果表明:兩種方法計(jì)算得到的3個(gè)情景方案的沖淤過(guò)程高度一致(相關(guān)系數(shù)依次為0.92、0.98、0.99),沖淤量也非常接近,不僅起到了互相印證的作用,而且增加了計(jì)算結(jié)果的可靠性。預(yù)測(cè)成果對(duì)于黃河下游河道未來(lái)治理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV147
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本文編號(hào)：2674533