黄河内蒙古段冰封期泥沙输移特性与规律研究

2015年2月泥沙研究JournalofSedimentResearch第1期文章编号：0468—155X(2015)01-0036-06黄河内蒙古段冰封期泥沙输移特性与规律研究宋本辉，李畅游，李超，冀鸿兰(1．内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018；2．包头市水文勘测局，内蒙古包头014030)摘要：与畅流期相比，河冰的存在改变了河道的水位、流量、流速分布、泥沙浓度等参数，进而影响水流的输沙能力及河道演变。通过对黄河内蒙古段冰封期的野外观测，分析了冰盖对水深、流速的影响。同时根据水文站多年资料分析，探讨了冰封期黄河内蒙古段泥沙特性及输移规律。指出冰封期泥沙浓度随着流凌开始降低，在冰封期达到最低，冰封期浓度值比畅流期小5～20倍，输沙量小2—15倍，开河后逐渐增大，且泥沙颗粒的中值粒径D值大于畅流期的。本研究对黄河冰封期的泥沙输移规律以及河道演变提供一定的参考。关键词：黄河；冰封期；泥沙输移；河道地形中图分类号：TV142文献标识码：ADOl：10．16239／j．cnki．0468—155x．2015．01．007黄河内蒙古段(图1)位于北纬39。l5至4l。49，东经106。45至110。01之间，每年11月中下旬流凌，11月末开始封河到12月中旬完全封河，3月下旬开始解冻、开河。在冬季3—4个月的封冻期内，冰盖的存在影响了水流的水力特性，如流速分布、剪切应力的分布、泥沙浓度等。流速和剪切应力的变化导致了泥沙与水的性质发生变化，进而影响河床的几何形态。图1黄河内蒙古段位置图Fig．1LocationoftheYellowRiverinInnerMongoliareachLau等通过实验，研究了流动冰盖对泥沙输移的影响，在等流量和河床坡度的条件下，开发了一种在冰盖存在下计算泥沙输移的方法。陈建国等在室内水槽模拟了冰盖流的输沙特性，探讨了冰盖流输沙特性和冰盖的受力规律，给出了计算冰盖所受剪力的经验公式。EttemaandDaly对冰盖影响流量分布、冰携带泥沙输移、冰盖下泥沙输移、冰对河道形态的影响进行了研究。Turcotte等讨论了在河冰形成过程中不同形态的冰对泥沙输移产生的影响，开河时期泥沙输移的变化，河道形态和泥沙输36收稿日期：2013—11．19基金项目：国家自然科学基金项目(51169017，5133902，51269016，512690171，51369017，)；内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2012MS0721)；内蒙古自治区科技重大项目(水资源合理利用关键技术研究与示范)作者简介：宋本辉(1988一)，男，内蒙古呼伦贝尔人，硕士研究生，主要从事河冰方面的研究。E-mail：nndyjs@163．corn通讯作者：李畅游。E-mail：nndlichangyou@163．tom移的相互影响关系。KnackandShen对已有冰盖下泥沙输移的研究进行了综述，通过现有水槽实验资料给出了冰盖下泥沙输移计算方法与公式。本文针对黄河内蒙古河段，研究了河冰对水深、断面流速的影响，分析了冰盖下水流含沙量变化、浓度、粒径等特性，探讨了冰封期泥沙输移特性及规律，为黄河冰封期的泥沙研究提供一定的参考依据。1冰盖对水深的影响冰盖的存在增加了流动断面的湿周、糙率，降低了水流流速，从而使同流量条件下，有冰盖时的水深高于畅流情况下的水深。有冰盖时的水深等于冰厚的0．92倍加上冰下的水深，Calkins等给出了同流量条件下，冰封期水深与畅流期水深的比值关系=[1+()]+o．92式中日；、风分别为封冻期和畅流期的水深，m；ti为冰盖的厚度，m；n为冰盖下表面的糙率，n为冬季河床糙率，在n=／7,时，公式化简为Hi=1．32H。+0．92t，此时，冬季的水深约为夏季的1．32倍。图2和图3给出了黄河三湖河口断面冬季流量和水位关系，进入封河期，冰盖的存在使得过水断面湿周增加了一倍左右，下游冰盖不断的向上生长，产生向上的壅水即槽蓄水。随着上游槽蓄水量增大，下泄流量减小，抬升上游断面水位。开河期，冰盖消融，湿周和河床糙率减小，大量槽蓄水量下泄后，河道水位明显降低。1022102110201019l0181017黄河一三湖河口。。⋯。水位140010221200—1021100080010206001019400200101801017三三要蚤三要要呈莹莹三三三三要委日期(2008—2009年)图2黄河内蒙古段三湖河口断面流量与水位(2008—2009年)Fig．2FlowandwaterlevelinInnerMongoliareachoftheYellowRiverinSanhuhekousection(2008—2009)2冰盖下流速分布■2譬高=器=一一日期(2009—2010年)图3黄河内蒙古段三湖河口断面流量