黄河内蒙古河段异源水沙输移特性研究

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悬移质是河流泥沙输移的主要方式之一,对河道形态、洪水特性、河道生态变化及河口的地貌沉积等具有巨大的影响。研究表明,冲积型河流悬移质输移过程可以分为两大类:水沙同源和水沙异源。同源水沙关系的河流,流量-含沙量经常表现出相同的峰值关系。依据流量-含沙量之间的关系,国内外学者建立了适用于多数同源水沙关系河流的流量与含沙量幂函数关系(C=aQb,其中,a与b为常数项)。而异源型水沙关系的河流,因受泥沙供给量、河流流量、悬移质粒径大小等因素的影响,流量-含沙量会出现多种多样的表现形式,比如大的径流中含沙量却很低,或者小的径流中出现高浓度含沙量,流量-含沙量之间的关系也会呈现出一种非线性的变化,导致传统的流量与含沙量幂函数关系不能在异源水沙关系的河流中得到应用,进而产生了悬移质泥沙调控,河流治理等方面的问题。目前的研究工作,尚未清楚的给出大流域尺度、沙质河床、水沙异源型河流的流量-含沙量之间的非线性关系。  黄河内蒙段石嘴山至巴彦高勒区间,属于典型的沙质河床,冲泻质泥沙主要来源于陇西黄土高原区,而径流则主要来自于上游山区,区间内无外源河流入汇,水沙呈现异源特性,而且水沙关系变化复杂,河道演变剧烈,是研究异源型河流流量-含沙量之间非线性关系的一个典型河段。  本文通过对内蒙古河段石嘴山与巴彦高勒水文站1951-2003年的水文数据分析,选取期间13次大流量和29次高含沙事件,结合沙质河道中CQ环的特征与水沙关系曲线经验公式C=aQb进行分析,初步取得以下结论:  1.在低比降无外源支流入汇的异源型沙漠河流中CQ环不再以传统的五种关系为主,而变为具有顺时针环与逆时针环的两型两模式特征,即在大流量低含沙量的水沙异源关系中,CQ之间以顺时针环为主;在小流量高含沙量的水沙异源关系中,悬移质呈现超高浓度时,CQ之间以逆时针环为主,当浓度下降时,该种特征变得不再明显,CQ之间的关系变得复杂。  2.依靠传统水沙关系曲线C=aQb推导出适用于水沙异源的公式Log10(Ci/SiQi)=Log10a+bLog10(C/SQ),变形得到用于计算下游出口站悬移质浓度的方程Ci=aS1-bQ1-bCb。方程分为两种形式,第一种由13次大流量事件中的数据计算得出,针对的是大水小沙的水沙异源特点,方程为:Ci=0.0949*Q0.4219C0.5781(R=0.71,P<0.0001);第二种由29次高含沙量事件的数据计算得出,针对的是大沙小水的水沙异源特征,方程为:Ci=0.8006*Q0.0765C0.9235(R=0.86,P<0.0001)。在公式中Q是石嘴山站的流量,C是石嘴山站的悬移质浓度,Ci是巴彦高勒的悬移质浓度。
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