边界条件变化对河道冲淤影响计算研究
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［.］ 以通过计算河床冲淤变形引起的泥沙 407< 和 40+% 或)04 的变化， 来推求泥沙级配的调整。为此赵连军 从 万方数据 "/
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黄河下游河床边界条件变化 对河道冲淤影响计算研究
赵连军 ; ，韦直林 ; ，谈广鸣 ; ，江恩惠 !
（;? 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 河南 郑州 !? 黄河水利科学研究院， 8#"""7） 87""=!；
摘要： 本文采用通过系统验证的黄河下游准二维泥沙数学模型， 以 !""" 年汛后地形为初始边界条件， 对 ;<$" 年 @ ;<$! 年实测来水来沙过程可能发生的黄河下游河道冲淤情况进行了模拟计算。计算结果与 ;<$" 年 @ 发现两者表现出的河道冲淤量及冲淤沿程分布有明显的差异， 本文对其原因进行了详细 ;<$! 年实测值对比， 分析。该研究成果可为黄河下游河道整治及小浪底水库运用方式研究提供参考。 关键词：黄河下游；边界条件；河道冲刷；数学模型 中图分类号： AB;8 文献标识码： C 文章编号： （!""#） "8$:9;##D "79"";=9"=
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数学模型的验证
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对模型进行了系统验证。 #"$ $%&’ 年 ( $%&) 年水沙系列的验证 同时考虑到花园 模型验证计算时段取为 %.)" 年 . 月 * %.)( 年 ) 月。受天然河道实测资料的限制， 口水利枢纽存在的影响， 模型验证分两个河段进行， 上段为铁谢 # 官庄峪河段， 下段为花园口 # 高村河 段。模型计算进口水沙过程及悬沙组成分别采用小浪底、 花园口两站实测过程， 同时采用黑石关站水沙 过程及悬沙组成作为伊洛河入黄水沙条件， 初始地形资料采用 %.)" 年汛后实测大断面， 对于每一个大 断面， 根据滩槽变化情况概化为 %- * %( 个子断面， 各断面初始床沙组成利用 %.)" 年汛后实测资料按河 段间距内插求得。模型出口水位分别采用官庄峪与高村断面不同时期的水位流量关系确定。 小浪底站来水量为 --,,/( 亿 0& ， 来沙量为 --/++ 亿 1， 平均含沙 在 %.)" 年 . 月 * %.)’ 年 %" 月期间， 量仅有 ./.(23 4 0& 。加上支流来水来沙及上游河道的冲刷， 花园口站来水量为 -&-./, 亿 0& ， 来沙量为 造成河道持续强烈冲刷。在 %.)’ 年 %" 月底， 三门峡水库中大量 &%/’, 亿 1。进入黄河下游的水多沙少， 前期淤积的泥沙开始被冲刷出库， 形成小水带大沙， 且悬沙粒径偏粗， 同时， 黄河下游河床已发生了明显 的粗化， 糙率增大， 水流挟沙能力减小， 河道开始回淤。 表 % 列举出了不同时段内铁谢 # 官庄峪、 花园口 # 夹河滩、 夹河滩 # 高村三河段的模型计算冲淤量 与实测值的对比。计算得三河段分别冲刷 ’/"-) 亿 0& 、 与实测值 ’/%.& 亿 0& 、 ’/"&- 亿 0& 、 &/((. 亿 0& ， 同时还可以发现， 该模型不仅较准确计算出了河道处于连续冲刷时 &/.," 亿 0& 、 &/’(. 亿 0& 非常接近， 的河床变形过程， 而且冲刷停止后的河道回淤变形过程， 计算结果与实测结果也吻合较好。 #"! $%%) 年 ( $%%& 年水沙系列的验证 模型验证河段为铁谢 # 利津河段， 验证时段为 %..’ 年 + 月 * %..+ 年 ) 月。采用小浪底站实测水沙 过程及悬沙组成作为进口边界条件。伊洛河、 沁河入黄水沙及泥沙级配过程分别采用黑石关、 小董站实 测资料， 沿黄引水引沙量采用实测资料沿程分配给出， 作为已知的分流条件。初始地形采用黄河下游 万方数据 %.
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数学模型概况
［!］ 水流与泥沙运动基本方程
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水流运动方程
收稿日期： !""89":9;$ 基金项目： 国家自然科学基金项目 （#"!7<"8"） 作者简介： 赵连军 （;<=7 > ） ， 男， 河北省泊头市人， 博士研究生， 主要从事河流泥沙输移与模拟技术研究。
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来水来沙条件的影响， 河道边界条件的变化对其影响也非常大。自 $" 年代至今， 黄河下游河床明显淤 积抬升， 为保护大堤， 稳定河势， 修建了大量的险工、 控导护滩工程等河道治理工程， 河道边界发生了明 显改变。目前小浪底水库已投入运用， 下游河道将在一定时期内发生冲刷。对小浪底水库拦沙期下游 河道冲刷前景的预测， 过去多倚重于对三门峡水库清水下泄时的实测资料分析， 但是由于河床边界条件 的变化， 其冲刷规律与三门峡下泄清水时将有所不同。为了深入分析河床边界条件对河道冲淤过程和 现状边界条件下冲 冲淤分布的影响， 本文采用黄河下游准二维泥沙数学模型， 模拟在 $" 年代水沙过程、 淤演变特点的变化， 将计算结果与该时序河床的冲淤情况相比较， 然后对其变化原因进行分析， 为黄河 下游河道整治及小浪底水库运用方式提供参考。
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引言
黄河下游冲淤演变规律十分复杂， 一直受到历代治河工作者的高度关注。黄河下游演变规律的系
统研究始于新中国成立以后。上世纪 #" @ $" 年代， 伴随着三门峡水库的兴建、 改建及运用， 黄河下游水 沙运行和河床演变基本规律研究工作蓬勃兴起。而这期间最重要的研究成果之一是揭示了黄河下游河
［;］ ， 为河道治理开发起到了指导作用。黄河下游河道的冲淤演变， 不仅受上游 道 “多来多排” 的基本规律
并将每个大断面概化为 !$ % !& 个子断面。初始床沙组成根据花园口、 夹 !""# 年汛前实测大断面控制， 河滩、 高村、 孙口、 艾山、 泺口、 利津七站的实测床沙组成按断面间距内插或外延， 个别断面依照实际情况 略加调整。出口水位采用相应年份利津站水位流量关系控制。
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特征粒径描述的同时适用于悬移质泥沙和细颗粒床沙的级配计算公式 4 （ 40" ）$ #( % * .0+ 0" : 40+% ; $ % * (# <= " * (2
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［+］ 模型在建立的过程中， 还着重考虑了含沙量与悬沙组成沿河宽分布 及河槽在冲淤过程中河宽变 ［,］ 的计算。模型计算采用非耦合解法， 即先单独求解水流连续方程和水流运动方程， 求出有关水 化调整
力要素后， 再求解泥沙连续方程和河床变形方程， 推求河床冲淤变形结果， 而后进行悬移质泥沙与床沙 交换的模拟计算， 求出悬沙与床沙级配的变化过程， 如此交替进行。方程 （ %） 、 （ -） 、 （ &） 、 （%&） 、 （%’） 采用 （%(） 、 （%)） 、 采用有限差分格式离散。 四点隐式差分格式离散， 式 （’）
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