近期黄河下游河床演变特点及滩区洪水风险评估

近年来受流域内气候条件变化与大型水利工程建设及区域经济社会发展等人类活动的影响，进入黄河下游的水沙量及其过程发生了较大变化，特别是在小浪底水库运用后。小浪底水库的运用一方面导致了近期黄河下游河床持续冲刷，平滩河槽形态及过流能力发生了显著变化；另一方面也减少了下游漫滩洪水发生的概率。然而下游局部河段的过流能力仍然达不到 4000m3/s，出现漫滩洪水的风险依然存在，尤其是在“二级悬河”河段。黄河下游滩区横比降远大于河道纵比降，一旦发生漫滩洪水，极易形成顺堤行洪的现象，不仅会严重威胁黄河大堤安全，同时也会给下游滩区近 190 万群众带来极大威胁。因此研究近期黄河下游河床演变特点及精确评估滩区可能发生的洪水风险，具有重要的学术理论价值与实际工程意义。

本书提出基于河段尺度的河床演变特征参数的计算方法，采用该方法计算近 30 年来黄河下游不同河型河段的平滩河槽特征参数(如平滩河宽、平滩水深及平滩流量等)，并建立各河段平滩特征参数与前期多年平均的汛期及非汛期水沙条件之间的经验关系。

河段平滩特征参数的计算结果表明：小浪底水库运用前(1986～1999 年)，黄河下游河床持续淤积，各个河段平滩河槽形态均表现出不同程度的萎缩趋势，且河段平滩流量平均减幅达 50%；小浪底水库运用后(1999～2015年)，黄河下游河床持续冲刷，各河段平滩水深持续增加，平滩河宽在游荡段增加约 40%，在过渡段与弯曲段变化较小，因此黄河下游断面形态调整总体以纵向冲深为主，断面形态趋于窄深，三个河段的平滩流量平均增幅达 50%；汛期与非汛期水沙因子对河段平滩特征参数的调整有不同程度的影响，汛期水沙因子是主要影响因素，但非汛期水沙因子的影响也不能忽略，增加考虑非汛期水沙因子后，各经验关系的决定系数均有不同程度的提高。该方法不仅能考虑河床演变中的滞后响应及累积影响，而且能从整体上预测坝下游平滩河槽特征参数的调整过程，解决以往特定水文断面的计算结果不能代表整个河段演变过程的难题。

本书建立适用于黄河下游特点的主槽动床阻力与滩区植被阻力的计算公式，在此基础上研发一维水沙耦合模型与基于有限体积法求解的二维水沙动力学模型，分别用于模拟黄河下游河道一维高含沙洪水及滩区二维洪水的演进过程。定量分析不同水沙因子对黄河下游动床阻力的影响，在进行水流能态分区的基础上，建立黄河下游主槽动床阻力与水流弗劳德数及相对水深之间的计算公式，并采用下游 7个水文站不同时期近 3000 组实测资料对公式进行详细率定与验证。

以黄河下游滩区典型植被(大豆)为研究对象，通过开展不同比降、水深及含沙量等组合条件下含植物浑水的概化水槽试验，分析含植物浑水条件下的水流紊动特性，在此基础上建立了植被糙率与水流弗劳德数及相对粗糙度之间的关系。建立基于一维浑水控制方程的水沙耦合数学模型，该模型考虑了非均匀泥沙不平衡输移及河床冲淤对水流运动的影响，而且适用于计算实际游荡段复杂断面形态下的高含沙洪水演进过程。采用黄河下游游荡段多场高含沙洪水过程的实测资料，对该模型进行率定和验证。此外还建立二维水沙耦合数学模型，主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及床面冲淤方程组成，采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。并用已有算例及水槽试验资料验证该模型的计算精度。

本书提出基于力学机理的洪水中人体与财产安全程度的计算方法，能为滩区洪水风险的精确评估提供科学依据。

结合河流动力学中泥沙起动的理论，推导出洪水中人体发生滑移及跌倒失稳时的起动流速公式，并开展一系列的概化水槽试验，用人体模型失稳的概化水槽试验数据率定公式中的相关参数，确定洪水作用下人体失稳的新标准。此外还分析影响滩区洪水中财产(房屋及农作物)损失率的主要因子，并采用非线性回归分析方法确定财产损失率的计算曲线。

本书创新构建基于力学过程的洪水演进与风险评估的二维综合数学模型，不仅能用于预测动床条件下滩区洪水的演进过程，而且还能精确评估洪水中群众生命财产的安全程度。

该综合模型耦合了二维水沙动力学模块、生产堤溃口展宽模块、群众避难逃生路线优选模块、不同受淹对象的洪水风险评估模块。采用多个模型试验算例检验二维水沙动力学模块及生产堤溃口展宽模块，结果表明该模型具有较高的计算精度。在此基础上选取黄河下游游荡段兰考东明滩区为研究对象，利用该综合模型计算不同工况下的洪水演进过程，重点分析滩区群众的洪水风险等级及不同财产的洪灾损失率，并确定洪水中灾民的最优避难逃生路线。

平滩流量示意图

黄河下游“二级悬河”示意图

黄河下游游荡段的断面形态及冲淤变化

2003年10月兰考东明滩区淹没范围与概化滩区模型的平面布置及测点位置

洪水末时刻植被区域的水深及流速分布

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本文摘编自《近期黄河下游河床演变特点及滩区洪水风险评估》【夏军强 张晓雷 著．北京：科学出版社，2021.01】

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