简要信息

【获奖类型】应用特等奖
【任务来源】科技部、水利部、黄河水利委员会
【课题编号】泥-010301、泥-020202
【课题起止时间】2004年7月～2006年12月
【完成单位】泥沙所
【主要完成人】胡春宏、陈建国、郭庆超、严  军、董占地、刘大滨、陈绪坚、张治昊、孙高虎、邓安军、祁  伟、陆  琴

    立项背景

    黄河是世界上最难治理的河流之一。黄河的突出问题是水少、沙多，水沙过程不协调。黄河下游河道长期处于强烈的淤积抬升状态，河床平均每年抬高0.05～0.10m，现行河床一般高出堤外两岸地面4～6m，最大高出10m以上，形成所谓的“地上悬河”，称之为“一级悬河”。随着大量水利枢纽工程的修建和人类活动的加剧，从20世纪60年代以来，黄河下游河道大洪水漫滩的机遇愈来愈少，而中小洪水和枯水期间泥沙淤积主要发生在主河槽和嫩滩上，远离主河槽的滩地因水沙交换作用不强，淤积厚度较小，堤根附近淤积更少，致使河道平滩水位明显高于主槽两侧滩地，甚至主河槽平均高程高于两侧滩地，形成了“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”。

    1986年以后，由于龙羊峡和刘家峡水库的建成与运用，加之沿黄工农业用水的大量增加及降雨量减少等因素的影响，黄河下游来水来沙条件发生了显著的变化，径流量减少、流量过程调平、汛期和非汛期水量比例改变、洪水频次和洪峰流量降低，致使下游河道主河槽严重淤积萎缩，平滩流量显著减小，由20世纪80年代中期以前平滩流量约6000～8000m3/s减小为目前的3000m3/s左右，一些河段甚至不足2000m3/s，小洪水条件下即可造成大范围漫滩。由于主河槽的严重淤积和“二级悬河”局面的不断加剧，进一步增加了河道防洪的负担和河道治理的难度。洪水漫滩后，堤防偎水，部分河段存在较大的顺堤行洪，部分河段则有发生滚河的可能，使堤防发生冲决和溃决的可能性增加。主河槽过流能力的减小，使小洪水漫滩几率增大，滩地淹没加重了滩区群众的财产损失，形成所谓小流量－高水位－大灾害的局面。在黄河下游河道治理中，不仅要保证遇大洪水时的防洪安全，同时还要考虑遇小洪水（2000～3000m3/s）时的防洪安全，这是进入20世纪90年代以来黄河下游河道治理中遇到的新情况。这种形势还有不断加剧的趋势，成为21世纪初期黄河下游防洪治理面临的关键问题之一。

    从未来发展趋势看，随着流域人口的增加和区域经济社会的快速发展，经济社会发展用水量还要增加，河道生态用水将被大量挤占，尽管水土保持、水库拦蓄等措施使得进入下游的泥沙也减少了许多，但减沙的速度相对比较缓慢，未来黄河的水沙关系将会朝着越来越不协调的方向发展，水沙关系不协调带来的主河槽萎缩、排洪能力降低、生态环境恶化、水质污染和二级悬河等问题将更加严峻，维持黄河健康，解决黄河水沙关系不协调和黄河下游基本的泄洪输沙通道（中水河槽）的问题，已经成为当前黄河治理重点和紧迫的任务。在这样的背景下，科技部将“黄河下游不同水沙过程与河床形态调整的响应关系”列为“十五”国家科技攻关专题，黄河水利委员会将“塑造黄河下游中水河槽措施研究”列为黄河下游治理方略研究课题开展研究工作。

    研究内容

    主要研究内容包括：（1）黄河下游水沙过程变异与洪水过程的作用；（2）黄河下游断面形态与洪水过程的响应关系；（3）黄河下游河道治理方略与水沙调控；（4）小浪底水库水沙调控对塑造与维持黄河下游中水河槽的作用；（5）黄河下游河道高效输沙水量及其应用。

    在黄河下游水沙过程变异与洪水过程的作用研究方面，系统分析了黄河下游和黄河口不同时期水沙过程变异的特点；给出了黄河下游不同洪水分类的4种方法，并对不同洪水过程对断面形态的塑造作用进行了分析；研究了小浪底水库运用及调水调沙试验对下游河道的作用；在综合分析的基础上，提出了黄河下游河道有利的洪水过程特征参数。

    在黄河下游断面形态与洪水过程的响应关系研究方面，系统分析了黄河下游典型断面形态与不漫滩洪水过程和漫滩洪水过程的响应关系；给出了平滩水位下断面形态与洪水过程的响应关系；分析了黄河下游河道水沙响应关系和黄河口拦门沙演变与来水来沙的响应关系；指出近50年来，黄河下游河道造床流量和平滩流量总体上呈逐渐减小的变化趋势，且花园口年来水量（汛期来水量）是影响黄河下游河道平滩流量的主要因素；研究了黄河下游河道冲淤平衡的临界来水来沙条件和拦门沙动态平衡的水沙临界条件；提出了在目前黄河下游来水量偏枯的条件下，可以通过小浪底水库调整进入下游河道的来水过程，适当增大河道造床流量，从而达到增加下游河道的过洪能力、增大主河槽平滩流量的目的。

    在黄河下游河道治理方略与水沙调控措施研究方面，对历代黄河下游治理方略进行了回顾和评价；系统分析了“宽河固堤”与“束水攻沙”治河方略在黄河下游治理中的作用和局限性；探讨了工程控制条件下“宽河固堤”和“束水攻沙”治黄方略的有机统一；提出了新形势下黄河下游河道改造的思路和具体措施；通过实测资料分析和水沙数学模型计算，系统论证了在目前黄河下游来水来沙条件下，下游塑造平滩流量4000m3/s左右中水河槽的可能性；分析了黄河水沙调控体系的构成与调控技术措施。

    在小浪底水库水沙调控对塑造与维持黄河下游中水河槽的作用研究方面，系统分析了不同水沙系列条件下塑造与维持黄河下游中水河槽的不同方案的作用与效果；指出了黄河下游中水河槽的塑造和维持是保持下游河道在一段较长时间内具有相对稳定平滩流量过程中密不可分的两个阶段，塑造是通过牺牲小浪底水库的拦沙库容得到的，中水河槽的维持也是以部分牺牲拦沙库容为代价的；研究了包括恒定流与不恒定流调水调沙运用、小浪底水库拦粗排细运用、河床粗化和下游河道整治工程等影响因素对塑造中水河槽的作用；提出了在小浪底水库前5~8年采取拦沙运用，然后采取泥沙多年调节、相机排沙运用，选取适当的出库排沙比，并配合“调水调沙”和“拦粗排细”的条件下，不同水沙系列塑造与维持的黄河下游中水河槽相应的平滩流量；在综合分析的基础上，提出了按目前实际的来水来沙情况，黄河下游能够塑造与维持的中水河槽的规模。

    在黄河下游河道输沙水量研究方面，通过对黄河下游河道输沙水量的研究，提出了输沙水量和单位输沙水量的概念及计算方法；分析了输沙量法、含沙量法和冲淤比修正法计算单位输沙水量的差异；计算和分析了黄河下游河道输沙水量与单位输沙水量的变化过程；提出了小浪底水库修建后黄河下游河道高效输沙的水沙组合。

    创新点

    主要创新点包括：
    （1）在分析黄河下游和黄河口不同时期水沙过程变异的基础上，将黄河下游洪水按照洪水漫滩程度、洪水最大含沙量、洪水过程形态特征和洪峰与沙峰相位差4种方法进行了科学分类，提出了对黄河下游河道有利的漫滩和不漫滩洪水过程特征参数，为科学管理黄河下游洪水提供了依据；
    （2）系统研究了不同洪水过程对河床的塑造作用，建立了洪水过程中最大过流面积、最大水面宽度、最小宽深比等断面特征参数，以及平滩流量、平滩面积、宽深比与漫滩和不漫滩洪水特征值之间的响应关系。提出了黄河下游河道冲淤平衡的年平均流量为1850m3/s、年平均来沙系数为0.012kg.s/m6等临界阈值，为黄河下游河道减淤提供了技术支撑；
    （3）在实测资料分析和数学模型计算等研究的基础上，首次提出了目前黄河下游可能塑造与维持的中水河槽规模为平滩流量4000m3/s左右，为黄河下游中水河槽治理提供了目标；
    （4）系统研究了不同水沙系列条件下塑造与维持黄河下游中水河槽的作用与效果，首次提出了黄河下游中水河槽的塑造和维持是保持下游河道在一段较长时间内具有相对稳定平滩流量过程中密不可分的两个阶段。全面分析了包括恒定流与不恒定流调水调沙运用、小浪底水库拦粗排细运用、河床粗化和下游河道整治工程等影响因素对塑造中水河槽的作用。提出了塑造与维持黄河下游中水河槽的优化方案；
    （5）通过对黄河下游河道输沙水量的研究，提出了输沙水量和单位输沙水量的概念及计算方法，给出了小浪底水库修建后黄河下游河道高效输沙的水沙组合为：小浪底站汛期输沙量分别为4.8亿t和6.5亿t时，黄河下游河道高效输沙水量分别为107.76亿m3和129.51亿m3，为黄河下游高效输沙提供了科学依据。

    应用前景及社会经济效益

    本项目研究成果在当前黄河下游河道治理中具有重要的实际应用价值，得到了水利部、黄河水利委员会及同行专家的认可，已在黄河下游河道治理规划设计和小浪底水库调控水沙过程与塑造黄河下游中水河槽的生产实践中得到应用，塑造和维持黄河下游4000m3/s左右中水河槽的治理目标已为近年来的黄河下游水沙调控实践证实。对黄河下游的防洪安全具有显著的社会、经济和环境效益。

黄河下游平均平滩流量与造床流量的关系

黄河下游平滩流量与年水量的关系

不同水沙系列黄河下游河道平均平滩流量比较