基于“淤滩刷槽”的洪水泥沙调控模式与造床机理研究

利用小浪底水库调节能力，借助黄河下游宽滩分区滞洪沉沙条件，进行洪水泥沙调控，改善主槽萎缩、维持河流活力，是开展本项研究的出发点。根据能耗原理，引入表征综合造床效应的水沙关系频率指标，研究基于水沙变异条件下的造床流量计算方法以及造床流量与主槽断面形态的依存关系；分析长系列水沙组合下，维持黄河下游造床流量的适宜水沙条件。基于"阻力-边界动态耦合"调整技术，建立适于模拟宽滩区控制分滞洪沉沙效应的平面二维水沙数值模拟方法，开展宽滩河段不同量级洪水泥沙过程的数值模拟与模型试验，分析黄河下游洪水泥沙过程与河床边界的协调响应关系，寻求具有最佳累积刷槽效应的洪水泥沙组合及其控制模式。主要研究不同洪水水沙过程与槽、滩塑造的响应机理，研究启用不同滩区控制滞洪沉沙的淤滩刷槽效果，探寻刷槽效率高、漫滩损失小的洪水泥沙过程与滩区滞洪沉沙控制模式。提出基于过程控制的漫滩洪水泥沙调控方案，为"二级悬河"治理提供技术支撑

基于冲积河流系统能耗原理，理论分析了河床活动性的制约关系；研究了基于水沙变异条件下造床流量与主槽断面形态的依存关系；引入表征综合造床效应的水沙关系频率指标，建立了适应水沙变异条件下的造床流量计算方法，给出了长系列水沙组合维持黄河下游造床流量的适宜水沙条件。基于“阻力-边界动态耦合”调整技术，建立了适于模拟宽滩区控制分滞洪沉沙效应的平面二维水沙数学模型，采用随时间调整的局部加糙模块，实现了分洪闸门开启，生产堤溃口等发生、发展过程的动态模拟。采用河流物理模拟与数学模拟综合研究方法，开展黄河下游宽滩区游荡型河段不同量级漫滩洪水的模拟，从过程控制和区域控制两方面研究了洪水的演进与滩槽冲淤过程，研究了不同洪水水沙过程与滩、槽塑造的响应机理。分析表明，黄河下游宽滩区游荡型河段漫滩洪水存在两种水沙交换模式，不同量级的洪水泥沙过程与河床边界之间存在协调响应关系，发现主槽即时冲刷强度与流量成正比，但与过程相关的累积刷槽效应并非如此，找到了具有最佳累积刷槽效应的洪水泥沙组合及其控制模式。研究洪水水沙过程与滩、槽塑造的响应机理，发现河道横断面形态对水流挟沙力有重要影响，河槽的最佳输水输沙效率与一定洪水泥沙过程对应；Q=6000~8000m3/s洪水塑造的断面形态具有最佳累积刷槽效应，形态与输沙综合系数Φ总是取最大值，Φmax对应流量作为漫滩洪水调控指标，可以实现洪水的高效输沙。研究表明滩区分滞洪对减轻滩区淹没损失、提高主槽冲刷效率有较好作用，并提出了不同滩区控制分滞洪模式。针对治理“二级悬河”、防止嫩滩过度淤积，提出了不同水沙条件相应的控制分滞洪模式。研究成果为基于过程控制的漫滩洪水泥沙调控方案提供了技术支撑。