泥沙研究

黄河下游游荡性河道河势演变机理及整治方案研究
发布人:系统管理员 发布时间:2012-10-22 审核人:

获奖类型:大禹水利科学技术一等奖

项目名称:黄河下游游荡性河道河势演变机理及整治方案研究

任务来源:亚行贷款项目、国家自然基金项目等

课题编号:黄规计[2006]29号、5033920

课题起止时间:2002年04月09日-2006年02月28日

完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院等

主要完成人:江恩惠 曹常胜 符建铭 曹永涛 张林忠 李建培 杨希刚

高 航 黎桂喜 申冠卿 刘 燕 余 欣 周景芍 张遂芹

夏修杰

1、立项背景

国内外大江大河都开展过河道整治研究,并且积累了丰富的经验。黄河下游在“八五”、“九五”攻关期间,均开展过河道整治方案研究,重点总结了游荡性河道整治经验教训,探讨了游荡性河段的河型成因、河道整治对河道冲淤的影响等,并对部分整治参数进行了调整。然而这些成果大多是经验性的总结。

进入1990年代以后,黄河下游在长期中小水作用下,河势发生了较大的调整变化,工程措施相对不完善的河段河道整治工程对河势的控制作用明显减弱,原来控制较好的河段河势也发生上提下挫现象,直接影响控导效果,特别是小浪底水库控制运用后,改变了黄河下游的来水来沙状况,两极分化的流量过程、中小洪水过程的延长,引起了人们对黄河下游河道整治工程的适应性问题的极大关注,引发了许多专家学者和治黄工作者对今后游荡性河道整治工程参数调整的大讨论。因此,若要提出一套符合黄河游荡性河道河床演变特征、河势演变规律的游荡性河道进一步整治方案,就要求我们必须从规律、机理的层面去探讨、揭示河势变化的内在规律及机理。同时,黄河下游经过几十年的整治已经修建了大量的河道整治工程,再行整治,就必须弄清现行工程的不足之处及其问题之所在,从而处理好继承与发展的关系。

2、详细科学技术内容

本项目针对小浪底水库运用后进入下游的水沙特点及河道整治理论研究薄弱的现状,逐一开展专项攻关。首先系统分析了黄河下游游荡性河道水沙变化与河床演变规律,以及河道工程的适应性;对游荡性河道整治原则、方案、规划治导线与工程建设状况等进行了全面总结;并利用数学模型对黄河下游河道冲淤发展趋势进行了预测;运用紊动猝发、次生环流等理论和三维数模模拟,研究了“河性行曲”、“小水上提、大水下挫”和“河弯蠕动”等河势演变现象的机理,建立了适应于黄河实际情况的游荡性河道河弯流路方程,为整治方案研究与工程布局奠定了理论基础。

在此基础上,对国内外典型河流整治方案和工程效用及其承辅关系进行了剖析,系统研究了“畸型河弯”的形成与发展机制,开展了长期中小流量下工程迎送流关系及工程送溜距离研究,将“节点”概念进一步扩展与微弯型整治方案相结合,提出了“分段整治、突出‘节点工程’、实现游荡性河道整治的有机统一”的整治新思路,并在论证节点工程布局的基础上,通过大量模型试验研究确定了9组“节点工程”。

研究成果直接应用于2006年开始的新一轮黄河游荡性河道整治,在控制河势、消除“横斜河”方面取得了较好效果,同时促进了泥沙学科发展。

3、技术创新点

(1)首次从细观的紊动涡和次生环流的角度揭示了“河性行曲”的机理,提出了边壁泥沙颗粒起动的临界条件,为整治方案奠定了理论基础。

(2)利用CCHE3D模型,首次揭示了“大水趋直、小水坐弯”的水力学内在机理。

(3)基于最小方差理论,建立了游荡性河道整治流路方程,首次将相位滞后理论应用于河道整治工程布置研究,对多年工程布局经验作出了理论解释。

(4)建立了工程送溜距离和流量、工程半径、靠溜长度、入流角度等整治参数的理论指标体系。

(5)首次将河流动力学与土力学结合,系统研究了畸形河弯形成机制。

(6)对国内外典型河流的整治方案及效用进行了系统评价,并在深入系统研究黄河几十年实测资料和研究成果的基础上,集成创新,提出了“分段整治、突出‘节点工程’、实现游荡性河道整治的有机统一”的整治新思路。系统论证及确定了9组节点工程,并通过大尺度、长系列、多组次实体模型试验,为黄河下游整治方案的确定奠定了坚实的基础。

4、成果应用情况及社会经济效益

本成果依据水力学、河流动力学、河流泥沙工程学、河床演变学、土力学等基本原理,采用资料总结分析、理论研究、数模计算、实体模型试验相结合的方法,揭示了“河性行曲”和“大水趋直、小水坐弯”等河势演变规律及其机理;运用统计学原理,建立了整治工程设计指标体系;提出了“分段整治、突出‘节点工程’、实现游荡性河道整治的有机统一”的整治新思路;借助大型河工模型试验,对设计整治方案进行了多次检验和调整,提出了小浪底水库运用后游荡性河道进一步整治的具体方案与工程具体布置,以及近期实施意见。

本项目主要针对小浪底水库运用以后黄河下游游荡性河道整治的关键技术难题,开展技术攻关、理论探索,并通过长河段、多组次的大型河工模型试验,优化并确定了游荡性河段整治方案及实施计划,不仅节省了工程投资,对提高河道排洪能力,保障黄淮海平原及广大滩区人民生命财产安全具有重大经济、社会及环境效益。

研究成果除直接应用于新一轮黄河游荡性河道整治外,在宁蒙河段、渭河、沁河河床演变与河道整治研究、规划及实践中得到推广应用,理论成果在多所高校“水力学及河流动力学”博士、硕士教学中得以应用,并分别被纳入即将出版的《水工设计手册》及《泥沙手册》。