黄河下游及河口尾闾段河床形态调整过程分析及计算

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在自然因素和人类活动的共同作用下,黄河下游河道及黄河口尾闾河道始终处于河床形态不断调整的状态,其中游荡段河势变化剧烈,河床演变最为严重。研究黄河下游河道及黄河口尾闾河道河床演变特点,建立游荡段床面下切及横向展宽的经验公式,并建立模拟游荡段河床演变的纵向及横向变形模型,不仅有利于掌握该河道河床演变规律,同时也能为该河道未来整治及规划等提供相关参数。本文采用实测资料与遥感影像资料相结合的方法,分析了黄河下游河道及黄河口尾闾河道断面及平面形态调整特点;着重研究了小浪底水库运用后游荡段床面下切与横向展宽的定量关系,并依据水沙控制方程推导了游荡段下切及展宽的内在联系;依据土力学及河流动力学原理提出了河岸崩退模型,并结合一维恒定水沙模型建立了河床纵向及横向变形模型,来模拟2002年及2005年汛期游荡段河床演变过程。主要结论如下:(1)小浪底水库运用后,下游河床冲刷剧烈,滩岸持续崩退,其中游荡段尤为严重。游荡段河道形态调整主要以床面下切为主,部分河段崩岸明显,河段平滩水深、平滩宽度最大增幅分别为178%、46%;过渡段及弯曲段河道形态调整主要以冲深为主,但几乎不存在滩岸崩退现象。依据土工试验发现游荡段大部分土体由粘性土组成,其土体容重、粘聚力及内摩擦角与土体含水率密切相关。一般来说,含水率增大,土体容重增大,粘聚力和内摩擦角减小,抗剪强度减小。(2)水库运用及人工改道等人类活动改变了黄河口尾闾河道的水沙条件,导致其河床形态发生显著调整。黄河口尾闾河道河床调整过程总体分为四个阶段,分别为:1976-1980年淤滩成槽阶段,1980-1984年单股入海阶段,1984-1999年主槽萎缩阶段,1999-2016年河床冲刷阶段。研究发现:清水沟改道初期,河床平面形态游荡散乱,河长年均增长速率达3.6km/a。1980年后,河道逐渐形成单一顺直的河型,入海口逐渐南偏,河口延伸速率减小。1984-1999年,河床深泓摆动剧烈,主槽萎缩严重,平滩面积减小了61%。小浪底水库运用后,河床剧烈冲刷,平滩水深增加了41%;深泓摆动距离及强度分别减小至37m及0.09。此外,1999年后平滩形态参数与水沙条件及上下游水位差的相关系数均大于0.85,说明该经验关系可较好地反映尾闾河道河床形态调整对进出口边界条件的响应过程。(3)水库运用初期,坝下游河床通常会发生冲深下切及滩岸崩退现象,但是现有研究较少分析河床下切与横向展宽之间的定量关系。本文建立了不同河段累计床面下切值与累计滩岸崩退宽度之间的经验关系,其相关系数均大于0.85;根据水沙控制方程推导了河床下切与展宽之间的定量关系,发现累计床面下切值与河宽变化率及初始水深有关,各河段的相关系数均大于0.8;预测了未来游荡段河床形态的调整过程,发现当各河段持续下切至某一值时,两种方法计算下的河床展宽值较为接近,一定条件下可用来估算河床下切和横向展宽的实际情况。(4)传统水沙模型往往只能计算河床纵向冲淤,不能模拟河岸形态的变化,而纵向及横向变形模型可以较好的模拟河岸的崩塌后退。为了更好地模拟游荡段河床下切及横向展宽过程,本文建立了基于河岸崩退模型的一维恒定纵向及横向变形模型。在模拟2002年及2005年汛期游荡段河床演变过程后发现,考虑崩岸模型计算的断面形态比传统水沙模型计算的形态更符合实际地形,尤其是河岸形态。此外,考虑崩岸模型计算得到的游荡段平滩河宽与实测值的偏差仅为2.99%及3.13%,远小于传统模型计算值与实测值的偏差,而两种模型计算下的平滩水深均变化不大。这证明一维纵向及横向变形模型可用于模拟黄河下游游荡段河床纵向及横向变形过程,并且其计算结果比传统水沙模型计算结果更为精确。
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