河床稳定性评价方法及其在黄河游荡段的应用

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游荡型河流是冲积河流中常见的河型之一,不仅具有独特的地貌特征,还具有复杂的水沙输移与河床演变特点。随着自然条件不断改变和人类活动的影响,黄河中下游的来水来沙条件发生巨大变化,游荡段河床稳定性也随之改变。因此,提出合理的河床稳定评价方法,研究游荡型河段在长时间和短时间尺度下河床稳定性的变化,不仅有利于充分认识和掌握黄河游荡型河流的河床演变规律,还能为河道整治工程和防灾减灾提供技术支持。研究表明:(1)提出了长时间尺度(几十年)和短时间尺度(一场洪水或者一个汛期)下黄河游荡型河流的河床稳定性评价方法。对于长时间尺度的河床稳定性评价,以实测断面地形资料为基础,提出了断面及河段尺度滩岸累计崩退宽度、深泓摆动宽度及强度两个河床横向稳定性评价参数,针对河床纵向稳定性提出了断面及河段尺度河床累计冲淤厚度、平滩水深这两个参数的计算方法。比较了现有的河床横向及纵向稳定系数和综合稳定系数计算方法,并选取合适的公式应用于黄河中下游游荡段。对于短时段的河床稳定性评价,采用实测资料分析与水沙数学模型相结合的方法,提出了高含沙洪水过程中河床形态的调整指数和河床冲淤量两个评价参数。(2)定量研究了黄河下游游荡段1986—2015年滩岸崩退过程、深泓摆动特点、河床累计冲淤厚度、平滩水深、河床横向及纵向稳定系数的变化过程等。发现小浪底水库运行后黄河下游游荡段82%的断面存在滩岸崩退现象,多年平均的深泓摆动宽度由小浪底水库运行前的234 m/年减小到123 m/年,河床横向稳定系数和综合稳定系数有所提高。同时分析了黄河下游游荡段河床稳定性评价指标的影响因素,结果表明虽然河床边界条件等因素有一定影响,但来水来沙条件是最主要影响因素,前期多年平均水流冲刷强度是关键的水沙因子。建立了各河床稳定性评价参数与前期多年平均水流冲刷强度的经验关系,用来反演和预测下游游荡段河床稳定性的变化。(3)从深泓摆动和河床累计淤积厚度变化过程两方面定量研究了黄河中游小北干流河段持续淤积期(1986—2001年)的河床稳定性变化,发现小北干流河段年均深泓摆动宽度在210—707 m之间,整个河段的平均淤积厚度和累计深泓淤积厚度都达到了1 m以上。定量分析了上游来水来沙条件和下游侵蚀基准面(潼关高程变化)对黄河中游小北干流河段河床稳定性的影响。在此基础上建立了小北干流河段深泓摆动强度、累计平均淤积厚度与前期多年平均含沙量或水流冲刷强度和潼关高程变化值之间的综合经验关系,用经验公式得到的计算值与实测值吻合较好。(4)定量揭示了漫滩型和非漫滩型高含沙洪水对黄河下游游荡段河床形态调整的影响机制,发现漫滩高含沙洪水对河床断面形态的调整作用更强。同时提出了河段尺度高含沙洪水前后河床形态调整指数作为短时间尺度下游荡段河床稳定性的评价指标,定量研究了游荡段河床形态调整指数的影响因素。结果表明,平均输沙率是影响调整指数的关键因素,但洪水前河床形态和河床淤积量也会在一定程度上影响调整指数。建立了高含沙洪水后游荡段平滩河槽特征参数与平均输沙率及洪水前平滩河槽特征参数的经验公式,利用经验关系式得到的计算值与实测数据吻合较好,该方法可用于预测高含沙洪水后游荡段的河床形态调整。此外,还采用一维水沙耦合数学模型计算了黄河下游游荡段高含沙洪水演进与河床冲淤过程,计算得到的分时段冲淤量可以反映下游游荡段在高含沙洪水过程中河床稳定性的变化。
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