（水文学及水资源专业论文）黄河下游花园口至夹河滩段含沙量过程预报方法研究.pdf

摘要 论文题目：黄河下游花园口至夹河滩段含沙量过程预报方法研究 学科专业：水文学及水资源 研究生：张静签名：避 指导教师：秦毅教授 签名：盘塑 摘要 黄河被誉为“中华民族的摇篮”。然而进入2 0 世纪9 0 年代以来，黄河以下游河道断 流，生态环境恶化，水污染加剧，河槽急剧萎缩为社会所关注。面对这种日益恶化的人河 相处的环境，人们意识到必须采取措施改变这种局面，达到人河和谐相处。“水少沙多、 水沙不平衡”是黄河淤积的根本原因，据此人们提出了“蓄清排浑、拦粗排细、适时放 水调沙、淤滩刷槽”等措旆。而所有这些举措都离不开合适的水沙条件，若能做到对河道 含沙量或输沙率过程进行提前预报，将有利于实施人为调控水沙，协调黄河水沙关系，从 而达到人与黄河和谐相处的目的。 由于种种原因，目前黄河尚未有真正可用于实际作业的含沙量预报模型或方法。对含 沙量预报方法进行研究与探讨，给出比较适宜的预报方法，不仅是黄河中下游干流水库调 度和洪水资源化的需要，还能丰富水文泥沙的学科内容，促进学科的发展。因此，这一工 作不仅具有重要的实践意义和应用前景，也具有重要的科学意义。 作为水利部黄河水利委员会治黄专项项目：黄河中下游干流主要水文站洪水最大含 沙量预报方法研究的一部分，本文以黄河下游花园口至夹河滩河段为研究对象，在对该 河段水沙特性进行分析的基础上，分别采用泥沙动力学方法、水文学方法和水文动力学结 合的方法建立含沙量过程预报模型，并通过实测资料对三种方法加以验证比较。在分析讨 论的基础上，提出相对好的含沙量预报方法。论文的主要内容和研究成果如下： ( 1 ) 建立了恒定流不平衡输沙模型，非恒定流不平衡输沙模型和响应函数模型；给出 了参数率定和作业预报方法；对黄河下游夹河滩站含沙量过程进行模拟预报，借此对模型 的预报能力进行检验。检验结果表明除恒定流不平衡输沙模型外，后两种预报模型都具有 可操作性和一定的有效性。响应函数模型预报效果令人满意。 ( 2 ) 分析比较后认为：从模型结构上讲，水力学模型法的物理图形清晰，刻画精细， 但对资料要求高，考虑因素多，且这些因素相互作用、影响。因此，在目前观测和对水沙 运动认知能力的条件下，完全采用水沙动力学途径进行含沙量过程预报还有精度不高的问 题，尚需对方法进行改进。 ( 3 ) 还认为，在对机理认识不清的条件下，响应函数模型对水沙运动机理不过于追求， 西安理工大学硕士学位论文 主要从宏观上探讨水沙演变规律，所以对资料要求不高，便于实际运用。检验表明响应函 数模型用于含沙量过程预报具有很好的精度，但在上游来水来沙异常时，往往产生预报失 败。若能兼顾水沙运动机理，响应函数模型将会有更好的精度。 ( 4 ) 鉴于水力学模型法的物理图形清晰，响应函数模型法对资料要求不高、实际应用 方便的特点，将水文学和水动力学方法相结合进行含沙量过程预报是一种值得倡导的方 法。 关键词：含沙量过程预报不平衡输沙模型恒定流非恒定流响应函数模型 本文得到以下基金的资助：水利部黄河水利委员会治黄专项项目，批准文号：黄规计 e 2 0 0 5 1 0 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nm e t h o d so fh y d r o g r a p hf o r e c a s t i n go f s e d i m e n tc o n c e n t r a t l o nf o rt h ey e l l o wr i v e rr e a c h f r o mh u a y u a n k o ut oj i a h e l a n m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s n a m e ：z h a n gj i n g s i g n a t u r e ：幽! 了 s u p e r v i s o r ：p r o f 。q i ny is i g n a t u r e ：垒丞 a b s t r a c t 髓ey c l l o wr i v e ri sr e p u t e dt h ec r a d l eo ft h ec h i n e s e b u ts i n c en i n e t i e t he r a , t w e n t i e t h c e n t u r y , i th a sp r o v o k e dt h ep e o p l e sa t t e n t i o na g a i nb e c a u s eo fs t r e a mb r e a k i n gi nl o w e rr e a c h , = ：o l o g i c a le n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i n g , w a t e rc o n t a m i n a t i o na g g r a v a t i n g , a n dr a p i dc h a n n e l s h r i n k a g e f a c i n gt h ec o n d i t i o ni nw h i c hp e o p i eg e ta l o n gw i t ht h er i v e rd e t e r i o r a t i n gg r a d u a l l y , t h c yr e a l i z e dt h a tt h e ym u s ta d o p ts o m em e a s u r e st oc h a n g et h i ss i t u a t i o ni no r d e rt om a k e p e o p l eg e to nw e l lw i 也t h ef i v e r l e s sw a t e ra n dm o r es e d i m e n tt h e r e f o r eu n b a l a n c e d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e ra n ds e d i m e n ti st h eu l t i m a t er e a s o nt h a tt h ey e l l o wr i v e rs i l t s s o p e o p l ep u tf o r w a r ds o m em e a s u r e sa si m p o u n d i n gc l e a rw a t e rw h i l ed i s c h a r g i n gm u d d yw a t e r , h o l d i n gu pc o a r s es a n dw h i l el e t t i n gf i n ep a r t i c l eo f f , r e l e a s i n gw a t e ri ng o o dt i m et or e g u l a t i n g s e d i m e n ta n ds i l t i n gn o o dp l a i nw h i l es c o u r i n gm a j o rt r o u g h a l lt h e s em e a s u r e sc o u l df a i lt o w o r kw e l lu n l e s st h ew a t e ra n ds e d i m e n tc o n d i t i o n sf i t i ft h eh y d r o g r a p ho fs e d i m e n t c o n c e n t r a t i o no rs e d i m e n td i s c h a r g er a t ec a nb ep r e d i c t e di na d v a n c e , i ts h o u l db ea d v a n t a g e o u s t oc o n t r o lw a t e ra n ds e d i m e n tc h a n g ef a c t i t i o u s l yt h e r e f o r et og e tt h ea i mo fh a r m o n i z i n gt h e r e l a t i o n o f w a t e r a n ds e d i m e n t o f t h e y e l l o w r i v e r s o t h a t p e o p l e a n d f i v e r g e t s a l o n g w e l l b e c a u s eo fs o m er e a s o n s , t h e r eh a v e b e e nn ot h es u i t a b l em o d e l so rm e t h o d so fs e d i m e n t c o n c e n t r a t i o nf o r e c a s t i n gt h a tc a nb ca p p l i c di np r a c t i c e t or e s e a r c ha tt h em e t h o d so fs e d i m e n t c o n t e n tf o r e c a s t i n ga n dp r o p o s a laa d a p t i v ef o r e c a s t i n go n ei saw o r kn o to n l yo fi m p o r t a n t p r a c t i c a lm e a n i n ga n dp r o s p e c tb u ta l s oo fs i g n i f i c a n ts c i e n 衄cs e 口t s ei nt h em i d d i ea n d d o w n s t r e a mr i c ho ft h ey e l l o wr i v e rf o rr e s e 】r v o i ro p e r a t i o n , f l o o di n t or e s o u r c et r a n s f o r m i n g a n dc o n t e n t so ft h er e l a t e dk n o w l e d g ee n i i c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h i st h e s i sa s s o c i a t e dw i t hap a r to ft h es p e c i a ly e l l o wr i v e rr e g u l a t i n gp r 蝣e c ti s s u e db y y r c c 一一s t u d yo nt h ef o r e c a s t i n gm e t h o d ao fm a x i m u ms e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na tm a j o r h y d r o m e t r i cs t a t i o no nm a i ns t e a mo fm i d d l ea n dd o w nr e a c ho ft h ey e l l o wr i v e r , t a k i n gt h e r i v e rc o u r s ef r o mh u a y u a n k o ut oj i a h e t a na sas t u d yo b j e c t , a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w a t e ra n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nc h a n g ef i r s t l ya n dt h e nb u i l d st h ed i f f e r e n tt h r e ek i n d so f m o d e i sf r o mr i v e rd y n a m i c st h e o r y , h y d r o l o 西c a lt h e o r ya n dh y d r 0 1 0 9 i c a lt h e o r yc o m b i n e dw i t h r i v e rd y n a m i c st h e o r yr e s p e c t i v e l yf o rt h el o w e rr e a c ho ft h ey e l l o wr i v e r a l lt h c s ct h r e e m o d e l sa r ev e r i f i e db yo b s e r v a t i o n sf r o mt h ec o u r s ea n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e lt h cb e s t 西安理工大学硕士学位论文 o i i ci nt h et e r m so fp e r f o r m a n c ei sr e c o m m e n d e d t h em a j o rc o n t e n t sa n ds t u d y i n gr e s u l t so f t h o s ew o r k sa l l i s t e da sf b l l o w ： ( 1 ) b a s e d0 1 1t h et h e o r yo fr i v e rd y l m a i e sa n dh y d r o l o g y , n o n e q u l i b r i o u mt r a n s f o r m i n g m o d e l sf o rs t e a d ya n du n s t e a d yf l o wa n dr e s p o n s ef u n c t i o nm o d e l 躺b u i l t1 _ e s p e e t i v e l y , m e a n w h i l et h em e t h o d sf o rp a r a m e t e rc a l i b r a t i o na n dp r a c t i c a lf o r e c a s t i n go p e r a t i o nl l r eg i v e i l 勰w e l l s i m u l a t i n gf o r e c a s t i n gh a sb e e nc a r r i e do u t , w h i c hl o o k e da sav e r i f i c a t i o no ft h e t h r e em o d e l si nf o r e c a s t i n gp e r f o r m a n c e 1 1 坞r e s u l t so ft h ev e r i f i c a t i o ni n d i c , a t et h a tt h et w o l a t t e rf o r e c a s t i n gm o d e l sa a v a i l a b l ea n dd e f i n i t e l ye f f e c t i v e s p e c i a l l y , t h ef o r e c a s t sf r o m t h er e s l c ) o l l s ef u n c t i o nm o d e la l e s a t i s f y i n g 佗) t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n de o m v , w i s o n , t h ec o n c l u s i o ni sd r o w n t ob et h a tt h em e t h o d b a s e d0 1 1h y d r a u l i c sh a sd e a rp h y s i c a lb a s e sa n dd e s c r i b e st h et h i n g ss u b t l y b e c a u s eo ft h i s ， m o l ef a c t o r st h a ta f f e c te a c ho t h e ro b v i o u s l y 锄c o n s i d e r e da n dh i 曲q u a l 毋d a t al i l t en e e d e d t h e r e f o r et h eo r e e i s i o no ff o r e c a s t sf r o mt h e s em o d e l si sh a r dt ob ei m p r o v e dd u et ot h e u n s a t i s f i e do b s e r v a t i o n sa n di n a d e q u a t ek n o w l e d g er e f e r r i n gt o8 0 n l eb e h a v i o r so fm u d d y w a t e r ( 3 ) r e s p o n s ef u n c t i o nm o d e lp r o b e si n t om a i n l yt h es t a t i s t i cl a w so fw a t e ra n ds e d i m e n t c h a n g ei nm a c r o s c o p i cv i e ww i t h o u ts e e k i n gt h em e c h a n i s ms e r i o u s l ys ot h er e q u i r e m e n to f t h em o d e lt oo b s e r v e dd a t ai se a s i l ym e t a n o t h e ra d v a n t a g eo ft h i sm o d e li st ob ea p p l i e d c o n v e n i e n t l yi np r a c t i c e 1 1 ”r e s u l t so f v e r i f i c a t i o ni n d i c a t et h a tt h er e s p o n s ef u n c t i o nm o d e l i sg o o di nf o r e c a s t i n gp r e c i s i o n h o w e v e r , t h i sh a p p e n so n l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o r m a l c a s e i f t h em e c h a n i s mo f m u d d yw a t e rm o v e m e n ti si n t r o d u c e di nt h em o d e lc o n s l r u e t i o n , t h e m o d e lw i l lh a v eb e t t e rp r e c i s i o n ( 4 ) i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c h t h eh y d r a u l i c sm o d e lh a sg o o dp h y s i c a lb a s ea n d t h e1 , e s p o n s ef i m e t i o nm o d e lc a l lb ea p p l i e de o n v e n i e n t l yi np r a c t i c e , i ti sw o r t ht oa d v o c a t et h e c o m b i n a t i o no f t h o s et w ow a y st of o r e c a s ts e d i m e n te o n e e n l x a t i o nh y d r o g r a p h k e yw o r d s ：s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nh y d r o g r a p hf o r e c a s t i n g ，n o n e q u i l i b r i o t t mi r a n s p o r t a t i o n , s t e a d yf l o w , u n s t e a d yf l o w , r e s p o n s ef u n c t i o nm o d e l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：旌研弓月r 日 学位论文使用授权声明 本人擞在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工犬学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 鹾安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：i ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料蜜 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：狴导师签名：邀砷年；月f 日 第一章概述 1 概述 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 背景 黄河地处我国北方，流经世界上面积最大的黄土高原，流域内干旱少雨，水资源匮乏。 据统计，黄河多年平均河川天然径流量5 8 0 亿m 3 ，来沙量1 6 亿t ，多年平均含沙量3 5 k g m 3 ， 其输沙量、含沙量均为世界之最，而水量只有长江水量的1 1 7 左右，水少沙多、水沙不 协调构成了黄河水沙的基本特征。黄河含沙量高的主要原因是：黄河中游流经黄土高原， 黄土层深厚、质地均匀、本身含有钙，垂直裂缝发育；原来的森林草原植被遭到严重的破 坏；黄河中游地区夏季多暴雨，黄土层在失去植被保护下，很容易遭受流水的冲刷，致使 大量泥沙通过地表径流带到黄河里，所以河水含沙量很高。 黄河平均每年要向下游输送1 6 亿t 泥沙，约有4 亿t 淤积在下游河道，致使河床逐 年淤高，现在仍以每年1 0 厘米的速度继续在增高。河床抬高，大堤不得不相应加高，目 前下游黄河大堤已高出两岸地面1 0 2 0 米，河床高出地面5 1 0 米，使下游成为举世闻 名的地上悬河n 羽。 由于泥沙淤积，全靠大堤束水行洪，加上中下游夏季多暴雨，下暴雨时，水沙俱下， 来势迅猛，大堤容易溃决。因此，在旧中国黄河是世界上最出名的灾害性河流，上游地区 水土流失严重，下游洪水泛滥成灾。据历史3 1 记载，黄河下游在3 ，0 0 0 年问发生旱灾1 ， 0 0 0 多次，水灾1 ，5 0 0 多次，重要改道2 6 次。其中大改道9 次，北面波及海河流域，黄 河经由海河大沽口入海；南面殃及淮河流域和长江下游地区，黄河夺淮入江，给广大人民 带来了深重的灾难。例如，1 8 4 3 年黄河发生特大洪水时，在4 4 小时内河水曾陡涨6 9 米， 大水从河南中牟溢出河堤，经河南东部、安徽北部入洪泽湖，灾情极为严重；1 9 3 3 年下 游决口5 0 余处。2 0 世纪8 0 年代后期，黄河连续多年未发生较大洪水，下游河道淤积十 分严重，河道过洪能力急剧减小，频繁出现“小流量、高水位”现象；2 0 0 2 年黄河调水调 沙试验中，下游夹河滩一孙口部分河段漫滩时的流量不足2 0 0 0 m 3 s ，再一次说明了防洪 形势的严峻。另一方面由于泥沙淤积，迫使三门峡水库两次改建，并变为低水头运用。2 0 世纪8 0 年代后期- 9 0 年代，黄河断流不断加剧，而由于洪水泥沙问题，一些高含沙洪水 难以作为水资源利用，使黄河成为资源性缺水河流。 由于黄河治理和开发的需要，2 0 0 3 年黄河水利委员会提出了开展黄河中下游干流主 要水文站洪水含沙量预报的任务，而对含沙量过程预报方法进行研究与探讨正是该项目的 一部分。 1 1 2 研究的目的和意义 随着下游河槽淤积萎缩严重，河道行洪能力的降低。由于来水来沙的变化，河槽萎 缩，主槽淤积抬高的同时，宽度缩窄，平滩水位下的过水面积和相应的平滩流量明显减小。 西安理工大学硕士学位论文 平滩流量的急剧下降限制了泥沙的输送，使得主槽输沙能力也在不断降低。8 0 年代后期， 进入下游的水量明显减小，特别是汛期大洪水减少，中等流量以下的高含沙中小洪水发生 机率增多，加之龙羊峡的运用导致汛期基流减小和滩地内生产堤规模和数量增加，下游主 槽和嫩滩大量淤积，而二滩的淤积受到限制，主槽平均河底高程抬高较快，滩地横比降越 来越大，迅速加剧了“二级悬河”的发展。“二级悬河”的发展，使得河槽高悬于河道之 内，河槽约束洪水能力大幅降低，“横河”、“斜河”、“滚河”发生几率大大增加，黄河下 游堤防冲决、溃决的危险性日益增大，防洪形势日益严峻t 4 l 。黄河下游滩区居住着1 8 1 万人口，有耕地3 7 5 万亩，广大滩区既是滞洪沉沙的区域，又是群众赖以生存和生产的场 所。如何保障滩区人民的正常生产和生活，将其受中常洪水的灾害频次和水灾程度的影响 减小，是必须考虑的问题；另一方面，为了求生存，谋发展，滩区群众不断与水争地，人 河和谐相处的环境不断恶化。自2 0 世纪5 0 年代以来，随着人口的剧增和科技水平的提高， 人类生产、生活活动对黄河的影响也不断加剧。人类活动影响主要包括几个方面，一是干 流水库改变了原有的水沙搭配，减少了全河干流的中大流量过程，增加了小流量出现的几 率和相应水量，年内水流过程被调平；二是水土保持措施拦减了进入黄河的水沙，且减沙 作用大于减水作用；三是大规模引水引沙且引水大于引沙加剧了水少沙多的矛盾；四是流 域众多的中小水库减少了河道径流。人类活动的影响使现在的黄河从近天然状态变成了一 定程度上受人类影响和控制的河流，其水沙情态及水沙关系也发生了较大的变化，而过量 取水更加剧了水沙不协调的程度。由于长期忽视黄河自身生命的存在，经济社会的发展对 黄河水资源过渡索取，人与河争地也日趋严重，使得黄河的健康生命受到严重的威胁，尤 其是下游河槽在很大程度上已丧失了其维持健康生命应有的行泱输沙能力的基本功能“1 。 面对这种日益恶化的人河相处的环境，人们意识到必须采取措施改变这种局面，达 到人河和谐相处。“水少沙多、水沙不平衡”是黄河淤积的根本原因，据此人们提出了水库 “蓄清排浑、拦粗排细、适时放水调沙”，河道有计划地进行“淤滩刷槽”等措施哺。而所有 这些举措都离不开合适的水沙条件通常以流量、沙量、输沙率、含沙量、来沙系数、 排沙百分比等来表达。若能做到对河道含沙量或输沙率过程进行提前预报，将有利于实施 人为调控水沙，协调黄河水沙关系，从而达到人与黄河和谐相处的目的；同时这样的工作 也是对高含沙洪水资源化、数字黄河建设的贡献。 现在的水文预报，只预报洪水，不预报泥沙，目前黄河水文的泥沙预报还属于空白， 这个问题不解决，将会严重制约调水调沙方案的设计、水库运用方案的决策以及未来水沙 调控体系的联合调度等。 影响黄河含沙量的因素众多，预报技术难度大，过去虽有一些这方面的研究，但因种 种原因，至今尚未有真正可用于实际作业的模型或方法。 对舍沙量预报方法进行研究与探讨，给出比较适宜的预报方案，不仅是黄河中下游干 流水库调度和洪水资源化的需要，也是下游变动河床水位预报的需要，同时还能丰富水文 泥沙的学科内容，促进学科的发展。因此，这一工作不仅具有重要的实践意义和应用前景， 2 第一幸概述 也具有重要的科学意义。 1 2 国内外的研究动态和存在问题 。 1 2 1 研究进展 黄河的多沙水流属于两相流，从微观的角度看，泥沙在水中的悬浮依赖于水流的紊 动强度和自身沉速的对比关系，依赖上游水沙带来的能量。而下游出口含沙量的大小不仅 取决于随水流运动的来自上游泥沙量大小，还取决于泥沙的扩散能力及河道坡降能提供多 少能量以维持水沙的继续输移以及在输移过程中需要消耗多少能量。洪水过程中河段水流 提供的能量不断变化，引起了挟沙水流的不平衡输沙，从宏观上表现出河槽的冲淤变形， 从理论上看，就下断面含沙量而言，若河槽冲刷，或河岸垮塌，出口含沙量就大，淤积、 或漫滩，则含沙量就小，不冲不淤则出口含沙量与进口含沙量相近。事实上根据含沙量变 化的内部机理，不难理解水与沙的作用是交互的n ”1 。 从上述含沙量变化的物理图形，由预测研究角度看，影响黄河河道含沙量变化的因素 众多，既包含反映水流特性的因子，也包含反映泥沙特性的因子，还要考虑水力学因子， 预报技术难度大。过去虽有一些研究，但因种种原因没有应用，特别是含沙量过程预报， 可以说这在黄河上乃至其它河流都是空白点。总的来说，含沙量变化的模拟或预报方法有 两类：一是纯水文学方法，如输沙单位线模型n ”，响应函数模型，河道汇沙模型和神经 网络模型，以及统计模型。二是纯动力学角度出发的水力学方法，例如一、二维水沙数学 模型。 ( 1 ) 水文学模型 用水文学方法建立的含沙量变化的模拟或预报模型的基本思想是将传统的水文学方 法或理论用于含沙量的模拟或预报，例如单位线、系统响应函数、产汇流理论、统计理论 等 樊尔兰 1 1 , 1 2 利用n a s h 瞬时单位线法推求悬移质瞬时输沙单位线。通过对陕北黄土 丘陵沟壑区岔巴沟支流刘家沟流域暴雨、洪水、泥沙资料的分析，得到了产沙量w s 与地 面径流量w 的相关方程及瞬时输沙单位线滞时r r l 与平均产沙强度，的相关方程。经验证， 用本方法在已知净雨过程时，便可推出流域的悬移质输沙过程线。 一般来讲，输沙率过程主要由流量过程决定并与流量过程相应，因此洪水与输沙率之 间的转化过程可视为一个系统。秦毅n 钉据此建立了水沙响应函数模型来预报洪水所相应 的悬移质输沙率过程。该系统的输入为流量过程，输出为悬移质输沙率过程，系统的作用 称为水沙响应函数，它反映了水沙间的综合变化过程。 杨永德“”等参照降雨、径流响应函数模型建立流域降雨、输沙响应函数模型 繇( f ) = 【p ( t f 玩( f ) 矗f ，用模型的输入( 降雨) 及输出 改写成 瓮一詈假以卜警 住4 ， 出口 西安理工大学硕士学位论文 对式( 2 4 ) 积分可得 ( 2 5 ) 将上式中的第二项省略并写成式( 2 1 ) 的形式得 一竺堕 是一+ 瓴- s 弘。 ( 2 6 ) 其中：s 工是河道挟沙力，令其等于上下断面挟沙力的平均；q 是河道平均流量；曰是平 均水面宽，并以此式作为含沙量预报模型。式( 2 6 ) 表明出口断面的含沙量与河段的输 沙能力及河道泥沙饱和差有关。将式( 2 6 ) 与式( 2 1 ) 比较知， 丝 ，- p 口 ( 2 7 ) 在天然条件下，不同的来水来沙条件使河流泥沙恢复饱和所需要的时间不同，因此在 给定河段长度下，河流恢复饱和的程度是变化的。r 就是表征河道输沙恢复饱和程度的指 标，当吁= o 时，s 2 - s 工，此时为不平衡输沙，当叩= 1 时，s ：- s ，此时水流为平衡输沙 状态，所以呀取值范围为o 1 ，越接近1 ，河流输沙就越接近饱和。由于( 2 6 ) 式不是 严格意义下的( 2 5 ) 式简化式，所以式中口的含义也不再是( 2 5 ) 式中的恢复饱和系数 的含义了。 2 2 模型要素的计算 2 2 1 水流挟沙力计算 计算水流挟沙力的公式有数十个之多“。朋，从公式结构看，除沙玉清吲公式外 都表现为单值关系，即 “丧与。 ( 2 - 8 ) i 一7 。g h 曰 其中：h 、7 ，分别表示浑水和泥沙容重，y 、h 、口分别表示水流流速、水深和浑水中 泥沙的沉速。该公式表明只要流速矿不为零，挟沙力& 就不为零。这是不符合实际情况 的。以黄河下游铁谢站为例。三门峡水库下泄清水期间，床沙中值粒径为0 0 5 o 5 8 r a m ， 断面平均水深0 5 2 4 m ，断面平均流速0 7 1 5 m s ，1 9 6 4 年达到2 1 m s ，这样大的流 速按以上单值公式计算，水流有相当大的挟沙力，但实测资料表明，这样的水流并没有冲 起泥沙，通过铁谢断面的水流可以认为是清水阳1 。这种现象被谢鉴衡院士称为黄河的“百 1 4 咝， 一 o 壶 + 堂。 弦 s一 + 屹 s i s 第二章不平衡输沙模型 幕大”。但若用沙玉清的挟沙力双值关系理论就可以解释清楚这种现象。如粒径0 5 m 的 泥沙，开动比速0 5 2 m s ，但这种粒径泥沙并非一开动即能悬浮水中，挟动作用流速娲 应取扬动流速，其值为v o = 1 3 8 1 5 眈= 1 5 m s ，则有效作用流速为零，挟沙力为零当然冲 不起泥沙。 曹如轩渤1 根据沙玉清挟沙力双值关系的论点，在分析研究实验室及野外原形观测资 料的基础上，对沙玉清挟动流速公式给予含沙量影响校正，得出双值挟沙力公式如下： s 。七l 竺当岛- 七( _ l 旦1 - ( 2 9 ) 1 ，一7 g h 毋1 y i y 。g h 曰。 其中k 为有效流速。该公式表明只有圪 o 时，才有挟沙力。挟动流速巧在冲刷情况下取 起动或扬动流速，珏或瞄在淤积情况下取止动流速瞻七为系数，随冲淤状况取不同的 值。从临冲到临淤的中间过渡区为冲淤平衡。它的物理图形清楚，符合事物发展的规律， 且被野外及实验资料所证实。 因此这里我们采用双值挟沙力公式。 2 2 2 非均匀沙群体沉速计算 泥沙沉速是挟沙力公式中的重要因子，沙玉清选用七个变量并分析各变量与挟沙力之 间的相关程度，相关程度最高的是有效流速( v - v o ) ，相关系数0 6 7 4 4 ，第二位是沉速，相 关系数0 6 1 5 2 ，第三位是粒径，相关系数0 5 8 8 7 ，可见沉速计算的重要性。黄河支流含沙 量高、变幅大，泥沙粒径组成变幅宽，如窟野河洪水泥沙中数粒径比渭河洪水泥沙中数粒 径粗一个数量级，因此选择符合实际的沉速公式至关重要。 规范规定5 1 1 层流区沉降用斯托克斯公式，介流区沉降用沙玉清公式，斯、沙公式是 反映单颗粒泥沙在介质为均质清水中的沉降规律，而天然河道中的泥沙却是有一定级配的 非均匀沙在介质为非均质浑水中的沉降，因此，分粒径组计算各组沉速时，层流区仍用斯 托克斯公式、介流区用沙玉清公式，但应对式中的介质特性作分析校正，将式中均质流体 的抽、帕、肋改为非均质流体的h 、蚝、脚，即各粒径组浑水沉速n k 和刁，_ 为 层流区沉降： 介流区沉降： 驴赫砰 ( 2 1 0 ) 0 9 s - + 3 6 卿2 + o g 如一5 7 7 7 ) 2 - 3 9 ( 2 1 1 ) g k 一抽妒叫 氟一可l 一画 嵋3 ( 2 1 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 1 3 ) 矾一毋( 2 1 4 )一z 上斗， 最终采用曹如轩非均匀沙群体沉速公式： - 曰( 1 一s 尸 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 。) 式( 2 1 5 ) 中的脚和。乡_ 用费祥俊。5 2 ，公式计算。以上各式中，脚是 浑水粘滞系数；最是体积比含沙量；函、露为某粒径组平均粒径及相应的重量百分数； 为沉数判数；如为粒径判数；1 m 为浑水运动粘滞系数；、托分别为浑水、泥沙容重； g 是重力加速度。 2 - 2 3 挟动流速的计算 挟动流速是水流挟动泥沙使之达到悬移、推移形式所应有的最小流速，它随开动、 止动、扬动挟动条件和粒径大小而变化。 计算临冲挟沙力时， 若d k o 0 8 m m , v o k 1 胄” ( 2 1 6 ) 若d 0 0 8 m m , v o - v , 1 r ”佛移) ，v o - k 1 r o z ( 推移) ( 2 1 7 ) 计算临淤挟沙力时，v o - 聆- r ” ( 2 1 8 ) 其中：吆- - ； 5 x i o ( o 7 _ s 峥2 + 猁钞垮一啊 ( 2 1 9 ) 吆2 8 0 ( r 一1 ) 鲥】 ( 2 2 0 ) r 咖詈【5 0 0 睁+ - 8 峙哆一1 ) ( 2 m ) 在公式( 2 1 9 ) ( 2 2 1 ) 中，e 是孔隙率；6 是分子水膜厚度；其他符号同前。在低含 沙量时，可用( 2 1 9 ) ( 2 2 1 ) 计算。当含沙量高时，对计算式进行含沙量校正，即以 替代原式中的y ，而在计算瞻时，应先根据d 卯算出。 第二幸不平衡输沙模型 再求出相应于的磊1 5 0 峨”。嚣瑶 蜘辱” 旺为， 即不但对沉速进行含沙量校正，而且对粒径也作出含沙量校正。 2 2 4 参数的确定 式( 2 6 ) 中的a 是一个经验参数，根据建模资料用最小二乘法啪确定。确认所估计 的参数是“最优”的最小二乘准则是：用估计的参数还原计算系统的输出估计值与实测值 的误差平方和( 残差平方和) 达到最小。 2 3 预报辅助要素的分析 以( 2 6 ) 式表现的预报模型是建立在恒定流基础上的，所以只能进行给定水力要素 条件下出口断面含沙量的计算。但是在发布预报时，出口断面的水力要素还未出现，因此 需要对这些要素进行预测，这里称它们为预报辅助要素。根据式( 2 6 ) ，预报辅助要素包 含流量、流速、水深和水面宽。另外由于采用了双值挟沙力，所以预报辅助要素还包含出 口断面未来冲淤态势判别和双值挟沙力参数的率定。 。 2 3 1 流量预测 流量预报采用黄委会水文局的预报方案，即马斯京根喇1 河道流量演算方案。马斯京 根法在河道洪水演算中有着广泛的应用，它是将河段水量平衡方程和槽蓄方程联立求解， 从而将河段的入流过程演算为出流过程。 根据以下河段时段水量平衡示意图可得到河段时段水量平衡方程； 等( i 九。+ q 上：) 一等( q 下，+ q 下：) = 一 ( 2 2 4 ) 又有槽蓄方程： w k x q 上+ q - x ) q 下】 ( 2 2 5 ) 联解方程( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 得流量演算方程： q t 2 2 c o ( k 2 + c l q 上1 + c 2 q 下l ( 2 2 6 ) 其中： 1 7 西安理工大学硕士学位论文 q 图2 - 2 河段时段水量平衡示意图 f i g 2 - 2 t h es k e t c h o f w a t e r b u d g e t i n a t i m e - i n t e r v a l c 。曼垒型兰 ” k k x + 0 5 a t ，0 5 a t + k x q 。i j i 丽， ( 2 2 7 ) c k - k x - 0 5 a t k 一缸+ 0 _ s a t 式中，q l 。、q 上2 分别为t 时刻、件1 时刻上断面的流量，q h 、q v 2 分别为t 时刻、t + l 时刻下断面的流量，仍、- 乃分别为t 时刻、t + l 时刻河段蓄水量，k 为稳定流情况下的洪 水传播时间，z 为流量比重因素，厶f 为计算时段该方案中计算时段缸确定为8 小时， 并由实测资料求解得到x 、k 的值分别为0 4 、9 3 4 2 3 2 流速、水深和水面宽预测 许多学者认为，冲积河流的河槽水力形态随着来水来沙组合不同会发生相应的调整， 研究表明河槽水力几何形态的变化不仅与流量有关，而且还与含沙量有关。黄河水利委员 会勘测规划设计研究院嘟提出高村以上河段的水力几何形态与来水来沙之间存在如下的 关系，见表2 1 。 粱志勇5 6 , 5 7 1 点绘了黄河下游花园口、夹河滩、高村等水文站的断面几何要素与水流、 含沙量关系图，见图2 - 3 ，经过分析后得出： ( 1 ) 经过一场洪水，同流量下平均水深加大、水面宽一般有所减小或者回到洪水前状 态，说明河槽被冲深、边滩则淤积； ( 2 ) 当流量较大时，涨水期与落水期河宽与水深差别较大，而当流量较小时，二者差 别较小。说明大水对河槽的作用较大，小水对河槽的作用较小； ( 3 ) 水面宽与流量、含沙量的关系一般随时问呈顺时针关系，而平均水深与流量、含 第二幸不平衡榆沙模型 沙量的关系多随时间呈逆时针关系。这表明，河槽边滩以及主槽的泥沙淤积主要发生在落 水期，而主槽的冲刷则要发生在涨水期； ( 4 ) 这种断面形态的变化在含沙量较高时变化较大，而在含沙量较低时变化较小。 表2 - 1 水力几何形态与来水来沙之间关系 t a b l e 2 - 1 t h er e l a t i o n o f h y d r a u l i c g e o m e t r i cs h a p ea n d w a t c r v o l u m e a n d 水力几何形态高村以上河段系数与指数 b = a 舻s 。 e = 0 3 4 0 6 1f = 0 5 1a = 5 0 1 8 5 h