黄河宁蒙段河道泥沙输移变化机理研究

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黄河宁蒙段河道在近几十年出现新的变化,尤其是受上游大中型水库调蓄及沿黄工农业用水不断增加等因素影响,削减了洪峰流量,改变了洪水过程,使中小水历时增加,输沙能力降低。加上支流清水河、“十大孔兑”的来沙量居高不下,造成宁蒙河段淤积严重,河床抬高,河槽萎缩,部分河段已发展为“地上悬河”。宁蒙河道水沙变异迅速,洪凌灾害频发,不仅威胁内蒙古河段“悬河”安全,而且对黄河下游“悬河”也产生重要影响。本论文通过分析黄河宁蒙段洪水期的水沙特征、水沙关系、汛期泥沙输移的时间动态变化、悬移质粒度变化特征、河道泥沙输移特征及其影响因素,试图探讨黄河上游宁蒙段河道泥沙输移变化机理。主要结论有以下几点:  通过对流量年际变化的突变点检验,将宁蒙河段水沙变化过程分为二个阶段:1969年前;1969-1986年。论文运用黄河宁蒙段六个水文站点1952-1986年汛期日平均流量及日平均含沙量数据,分析了宁蒙河段流量-含沙量关系。结果显示:黄河宁蒙段汛期含沙量随着流量的变化呈现出三项式曲线关系,即流量存在两个临界值。在流量达到第一个临界值前,宁蒙河段汛期的流量含沙量关系符合幂函数形式的水沙关系模型曲线。其水沙关系模型的指数b主要取决于河流能量的大小,河流能量大,指数b值也大。系数a的对数值log(a)与河道的横断面形态及河床的物质组成有关。  利用1954-2002年共49年头道拐水文站水沙数据,论文详细分析了不同时间尺度(场次洪水、月及季度、年尺度)流量-含沙量关系变化特征。发现黄河内蒙古段河道汛期流量过程与含沙量过程不同步,常出现小水挟大沙,大水含小沙的洪水事件,使得场次洪水的C-Q关系呈现顺指针滞后环、逆时针滞后环、“8”字型滞后环等滞后环现象。春季洪水与汛期洪水有明显的不同。春季洪水水沙关系同步,水沙关系曲线为线性,场次洪水的C-Q关系呈现逆时针滞后环、“8”字型滞后环等滞后环现象。而夏季洪水,含沙量随着流量变化呈三次曲线变化,场次洪水的C-Q关系呈现顺指针滞后环,逆时针滞后环、“8”字型滞后环等滞后环现象。月尺度上,C-Q关系呈现“8”字型滞后环现象。在年际变化上,流量、含沙量呈现阶段性变化的特点,水沙关系曲线同汛期相似,都呈三次曲线关系。  黄河宁蒙段场次洪水有多种C-Q滞后环现象,其原因主要有:支流影响、洪峰和沙峰的传播速度、场次洪水发生的时间、多种因素共同作用等四个方面。  1985年前,黄河宁蒙段悬移质中值粒径年际变化剧烈,没有明显的规律性。自1985年以后,悬移质中值粒径随着时间的变化,逐年稳步降低。到2001年,降到最低值。此后,悬移质中值粒径又逐年大幅度提高,在2008年达到最大。分析发现1985年以后河岸的侵蚀和河道的淤积导致了黄河宁蒙段河道悬移质泥沙粒径的减小,而自2001年后泥沙中值粒径呈现的增加趋势主要与河道淤积强度减小甚至转而冲刷有关。  论文结合现有的输沙率及挟沙力公式,根据宁蒙段水文站流量、含沙量及悬移质粒度数据,推导出宁蒙段各水文站不同时期的输沙率及挟沙力公式。其中河道输沙率公式中的系数与指数呈反比关系(相关系数达到0.98),并且系数和指数的大小与河道冲淤密切相关。黄河宁蒙段河道的输沙率,挟沙能力主要受河道的断面形态、河道来水来沙条件以及悬移质粒径变化的影响。
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