张红武,方红卫,钟德钰,王新军,李振山,黄河清,张俊华,安催花,刘青泉,李颖曼

• 1:清华大学黄河研究中心
• 2:宁夏大柳树水利枢纽工程前期工作办公室
• 3:北京大学环境科学与工程学院水沙科学教育部重点实验室
• 4:中国科学院地理科学与资源研究所

摘要(Abstract)：

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2 000～2 500 m~3/s,临界含沙量5.4～10.5 kg/m~3,调控时间为15～20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2 500 m~3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3 000 m~3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2 600 m~3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。

关键词(KeyWords)： 黄河;宁蒙河段;水沙调控;治理对策;多沙支流;侵蚀产沙;河道输沙

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 国家重点研发计划项目“黄河下游河道与滩区治理研究”(2016YFC0402500);; 宁夏与内蒙古自治区水利厅联合资助攻关项目(20110510)

作者(Author): 张红武,方红卫,钟德钰,王新军,李振山,黄河清,张俊华,安催花,刘青泉,李颖曼

DOI: 10.13928/j.cnki.wrahe.2020.02.001

参考文献(References)：

• [1] 张红武,张俊华,吴腾.基于河流动力学的黄河“粗泥沙”的界定[J].人民黄河,2008,30(3):24- 27.
• [2] 杨根生,拓万全,戴丰年,等.风沙对黄河内蒙古河段河道泥沙淤积的影响[J].中国沙漠,2003,23(2):152- 159.
• [3] 毕慈芬.黄土高原基岩产沙区治理对策探讨[J].泥沙研究,2001(4):1- 6.
• [4] 杨根生,刘阳宣,史培军.黄河沿岸风成沙入黄沙量估算[J].科学通报,1988,33(13):1017- 1021.
• [5] 刘晓燕,侯素珍,常温花.黄河内蒙河段主槽萎缩原因和对策[J].水利学报,2009,40(9):1048- 1054.
• [6] 支俊峰,李世明,邱宝冲.黄河流域粗泥沙来源及分布研究[J].水土保持学报,1992,6(2):7- 12.
• [7] 韩鹏,倪晋仁.黄河中游粗泥沙来源探析[J].泥沙研究,1997 (3):48- 56.
• [8] 唐政洪,蔡强国,李忠武,等.内蒙古砒砂岩地区风蚀、水蚀及重力侵蚀交互作用研究[J].水土保持学报,2001,15(2):25- 29.
• [9] 巫锡勇,朱宝龙.重力侵蚀作用下昔格达地层滑坡特征分析[J].工程地质学报,2008,16(4):450- 458.
• [10] 许炯心.黄河内蒙古段支流“十大孔兑”侵蚀产沙的时空变化及其成因[J].中国沙漠,2014(6):1641- 1649.
• [11] 王随继.黄河中游冻融侵蚀的表现方式及其产沙能力评估[J].水土保持通报,2004,24(6):1- 5
• [12] 师长兴.近五百多年来黄河宁蒙河段泥沙沉积量的变化分析[J].泥沙研究,2010(5):19- 25.
• [13] 陈浩,陆中臣,李忠艳,等.流域产沙中的地理要素临界[J].中国科学,2003,33(17):1005- 1012.
• [14] 陈劭锋,刘全友,陆中臣,等.黄土高原多沙粗沙区侵蚀产沙的多维临界[J].生态学报,2007,27(8):3277- 3286.
• [15] 钱宁,张仁,赵业安,等.从黄河下游的河床演变规律来看河道治理中的调水调沙问题[J].地理学报,1978,3(1):13- 26.
• [16] 赵业安,周文浩,费祥俊.黄河下游河道演变基本规律[M].郑州:黄河水利出版社,1998.
• [17] 韩其为.小浪底水库淤积与下游河道冲刷的关系[J].人民黄河,2009(4):1- 3.
• [18] 张红武,赵业安,钟德钰,等.黄河宁夏河段河道冲淤变化规律研究[R].北京:清华大学,2000.
• [19] 廖义伟.黄河水库群水沙资源化联合调度管理的若干思考[J].中国水科院学报,2004,2(1):1- 7.
• [20] 李国英.基于水库群联合调度和人工扰动的黄河调水调沙[J].水利学报,2006,37(12):1439- 1446.
• [21] 申冠卿,张原锋,侯素珍,等.黄河上游干流水库调节水沙对宁蒙河道的影响[J].泥沙研究,2007(1):67- 85.
• [22] 钱宁,张仁,周志德.河床演变学[M].北京:科学出版社,1987.
• [23] 赵业安,侯素珍,李勇.80年代黄河上游宁蒙河道的冲淤简况[J].人民黄河,1992 (4):20- 23.
• [24] 邵学军,王光谦.黄河上游水能开发对下游水量及河道演变影响初析[J].水利发电学报,2002(1):128- 138.
• [25] 胡兴林,畅俊杰,赵昌瑞,等.利用人造洪水冲刷黄河内蒙古淤积河道的可能性分析[J].中国沙漠,2007,27(6):1085- 1089.
• [26] 王光谦,李铁键.黄河数字流域模型[J].中国科技论文在线,2007,2(7):492- 499.
• [27] FU G,YU J,ZHANG Y,et al.Temporal variation of wind speed in China for 1961–2007[J].Theoretical and Applied Climatology,2011,104(4):313- 324.
• [28] LIU Q,YANG Z,CUI B,et al.The temporal trends of reference evapotranspiration and its sensitivity to key meteorological variables in the Yellow River Basin,China[J].Hydrological Processes,2010,24(15):2171- 2181.
• [29] SHERMAN D J,LI B,ELLIS J T,et al.Recalibrating aeolian sand transport models[J].Earth Surface Processes & Landforms,2013,38(2):169–178.
• [30] BELLY P Y.Sand movement by wind[D].Berkeley:Monograph University of California,1962.
• [31] 张红武,张欧阳,徐向舟,等.黄土高原沟道侵蚀及坝系相对稳定原理与工程规划研究[M].郑州:黄河水利出版社,2010.
• [32] 张红武,徐向舟,张欧阳,等.黄土高原沟道坝系模型设计方法[J].人民黄河,2005,27(12):1- 2.
• [33] 张红武,江恩惠,白咏梅,等.黄河高含沙洪水模型的相似律[M].郑州:河南科学技术出版社,1994.
• [34] 张红武,赵晨苏,刘广全,等.暴雨作用下黄土侵蚀变化模型试验报告[R].北京:清华大学黄河研究中心,2015.
• [35] 惠遇甲,胡春宏.水流中颗粒跃移的运动学特征[J].水利学报,1991,22(12):59- 64.
• [36] 张红武,张清.黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河,1992,14 (11):7- 9.
• [37] 李肖男,钟德钰,黄海,等.基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟[J].中国科学:技术科学,2015,45(10):1060- 1072.
• [38] 马良,张红武,钟德钰.基于制衡机制的治导线设计[J].水利学报,2016,47(10):1315- 1321.
• [39] 马良,张红武,马睿,等.多沙河流治导线流路方程研究[J].水利学报,2017,48(3):279- 290.
• [40] 张红武.弯道水力学[M].北京:水利电力出版社,1993.
• [41] 张红武.黄河治理及区域发展需及早构建全流域水沙调控体系[J].黄河黄土黄种人·水与中国,2013(2):1- 5.