动床阻力的研究进展及发展趋势

（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。

主要研究内容: 水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。

流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。

河道水流阻力分解图：见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt1 77页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。

床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。

两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。

2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。

推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。

（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。

主要研究内容: 水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。

流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。

河道水流阻力分解图：见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt1 77页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。

床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。

两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。

2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。

推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。

第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.004小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响张原锋1,王㊀平1,申冠卿1,魏㊀欢1,张武欣2(1.黄河水利科学研究院,河南郑州㊀450003;2.郑州黄河河务局巩义黄河河务局,河南巩义㊀451200)摘要:小浪底水库运用后,黄河下游河床冲刷粗化严重㊁水流阻力变化十分明显㊂为定量描述小浪底水库运用对水流阻力的影响,基于黄河下游水文站流速㊁河宽㊁床沙粒径㊁曼宁系数等实测数据分析,结合床面形态控制数理论及实测床面形态资料,建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式,计算精度得到了黄河下游水文站1508组实测数据的验证㊂分析计算表明:黄河下游床沙粒径上段粗㊁下段细的特征更加突出,高村以上游荡型河段沙垄发育㊁动床阻力增加明显;高村以下河段,河床冲刷粗化程度明显减少,动床阻力变化相对较小,但河槽断面趋于窄深,洪水期岸壁阻力增大明显㊂小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育,增大了各河段的水流阻力㊂关键词:水流阻力;河床粗化;床面形态;动床阻力;小浪底水库;黄河下游中图分类号:TV143㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0858-09收稿日期:2023-06-08;网络出版日期:2023-10-13网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20230908.1624.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(U2243218)作者简介:张原锋(1963 ),男,河南济源人,正高级工程师,主要从事河流泥沙研究㊂E-mail:2330042187@ 冲积河流上水库的修建与运用将对下游河床冲淤㊁河床形态及床沙粒径等产生重要影响,进而影响水流阻力的变化[1-2]㊂水流阻力是河道洪水泥沙演进的重要影响因素,研究阻力变化规律及计算方法,对于水库洪水调度及其下游防洪安全具有重要意义㊂黄河下游河槽水流阻力主要包括沙粒阻力㊁床面形态阻力及岸壁阻力等㊂小浪底水库1999年10月蓄水运用后,黄河下游水流基本在河槽内运行,河床持续冲刷,水流阻力及影响因素变化显著,主要表现为河槽断面形态趋于窄深[3-4]㊁河床持续粗化[5-6]㊁床面形态主要表现为双尺度沙垄[7-8]㊁沙垄波高及动床阻力均明显增加[9]㊂泥沙粒径在低效输沙向高效输沙转变过程中起着重要的相变作用,河床粗化是床面形态发育㊁水流阻力增加的重要原因[10]㊂目前,国内外已建立了大量野外河流水流阻力计算公式㊂为反映床面形态阻力,有的公式引入了弗劳德数㊁相对水深等参数[11-13],有的公式按照水流能态分区进行参数率定[14-15]㊂这些公式均采用实测阻力系数进行验证,计算精度较高㊂但是,由于缺乏野外实测床面形态数据的检验,水流能态分区的可靠性及床面形态对水流阻力影响的定量描述,均需要进一步研究㊂床面形态是动床阻力的主要影响因素,当床面由沙垄向过渡㊁动平床㊁逆行沙垄发展时,水流阻力不断减小㊂床面形态阻力可为沙粒阻力的2倍以上[16-17],黄河下游床面形态发育时,其河床糙率往往达到沙粒糙率的2~3倍[18]㊂由于床面形态随流量发生明显变化,黄河下游经常产生 超高 及 超低 水流阻力现象,其高效输沙特性也主要为床面形态的波长与波高比较大所致[18-19]㊂因此,针对黄河下游床面形态特征,进一步开展动床阻力的研究是必要的㊂黄河下游自上而下分为游荡型㊁过渡及弯曲型河段[4],不同河段的冲淤及水流阻力特性明显不同㊂本文将利用实测水沙资料及床面形态数据,基于床面形态控制数理论[20-21],建立包括床面形态因子的动床阻力计算公式,分析小浪底水库运用对黄河下游各河段水流阻力的影响㊂㊀第6期张原锋,等:小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响859㊀1㊀黄河下游水沙变化及河道冲淤演变特征图1㊀黄河下游河道不同时期各河段累计冲淤过程Fig.1Cumulative erosion and deposition in reaches of theLower Yellow River (LYR)in different periods 小浪底水库运用前,黄河下游水沙过程主要由位于小浪底大坝上游约130km 处的三门峡水库调控,下游河道整体上呈淤积状态,年内冲淤表现为汛期淤积㊁非汛期冲刷,纵向分布表现为汛期上淤下冲㊁非汛期上冲下淤,冲淤分界点一般在孙口站附近变动㊂三门峡水库 蓄清排浑 运用期间的1981 1985年(运用年即上一年11月至当年10月,以下同),黄河下游为丰水平沙系列,年均水㊁沙量分别为481.7亿m 3㊁9.7亿t,河道冲刷量为7.15亿t,其中高村以上游荡型河段河长占40%,其冲刷量占84.2%;1986 1999年,黄河下游为枯水平沙系列,年均水㊁沙量分别为273.9亿m 3㊁7.6亿t,河道淤积量为31.58亿t,高村以上及以下河段淤积量分别占71.3%㊁28.7%,各河段累计冲淤过程如图1㊂小浪底水库蓄水拦沙运用后,黄河下游水沙条件发生了显著改变,年均水㊁沙量分别由1974 1999年的350.5亿m 3㊁9.2亿t 减少为2000 2019年的270.5亿m 3㊁1.0亿t,其水沙过程主要为调水调沙期小浪底水库塑造的流量大于2600m 3/s 且不超过平滩流量的洪水过程,以及流量小于1000m 3/s 的清水过程㊂该阶段,黄河下游河床持续冲刷,累计冲刷量为27.63亿t,其中高村以上及以下河段冲刷量分别占68.3%㊁31.7%,各河段累计冲刷过程如图1㊂小浪底水库排沙期(一般为调水调沙后期),河道发生淤积,淤积主要集中在高村以上游荡型河段㊂黄河下游河道整体上表现为汛期㊁非汛期均冲刷,高村以上河段冲刷量占比较三门峡水库蓄水拦沙运用期偏大㊂2㊀黄河下游水流阻力变化特征度量水流阻力大小的糙率,常采用曼宁系数表征㊂黄河下游曼宁系数由实测水面比降㊁流速㊁水深等因子求得,这些因子又受床面形态㊁床沙粒径㊁河床断面形态等边界条件的影响㊂下面分别以花园口㊁孙口(缺资料时,以高村代替)及利津等水文站为代表,分析游荡型㊁过渡及弯曲型河段水流阻力因素变化特征㊂2.1㊀流速变化特征流速是反映水流阻力变化的主要因素之一,河床冲淤及边界的变化可直接反应于流速的变化㊂图2(a)显示了黄河下游花园口站不同阶段平均流速随流量的变化过程㊂1997 1999年小浪底水库运用前,黄河下游河槽淤积萎缩严重,花园口站平滩流量仅为3000m 3/s 左右,相应的水流平均流速约2.5m /s㊂小浪底水库运用后至2008年,下游河道冲刷效率大幅度降低㊁河床粗化接近稳定,花园口站同流量相应的流速明显减少,3000m 3/s 流量相应的流速减小为1.5m /s 左右;2019 2020年,小浪底水库大量排沙,花园口河段发生了严重淤积,3000m 3/s 流量相应的流速又增加至2.3m /s 左右㊂花园口以下各站流速对河道冲淤的响应特征与花园口站基本一致,但流速变化幅度明显减小,如图2(b)所示㊂孙口站㊁利津站各阶段同流量相应的最大流速与最小流速仅相差0.5m /s 左右,流量大于3000m 3/s 时,同流量相应的流速变化差异更小㊂860㊀水科学进展第34卷㊀图2㊀小浪底水库运用前后黄河下游流速随流量变化过程Fig.2Changes in velocity versus discharge in the LYR prior to and following Xiaolangdi(XLD)Reservoir operation2.2㊀河宽变化特征河宽是影响流速变化的主要边界条件之一㊂黄河下游河槽包括主槽及嫩滩,主槽在河槽内游荡㊁摆动,主槽内往往还有深槽,因此其水面宽变化非常复杂㊂小浪底水库运用后,黄河下游游荡型河段初期河槽冲刷主要表现为刷深,之后既有刷深㊁又有展宽㊂对于非漫滩水流,同流量相应的水面宽较小浪底水库运用前有所增加㊂截至2019 2020年,花园口站3000m3/s流量相应的河宽分别由1997 1998年的400m增加到490m左右;高村以下河段河槽相对稳定,再加上两岸修建的河道整治工程不断完善,河槽的冲刷主要表现为刷深,同流量相应的水面宽减小明显,水面宽随流量的变化相对较小;孙口站㊁利津站3000m3/s流量相应的河宽分别由1997 1998年的500㊁340m减小到400㊁260m左右㊂2.3㊀床沙粒径变化特征一般冲积河流,河床具有淤积细化㊁冲刷粗化的特征㊂三门峡㊁小浪底水库运用的不同阶段,黄河下游河床冲淤特性不同,河床粒径也发生了相应的变化㊂如前所述,1981 1985年黄河下游水沙条件相对较好,河道整体冲刷㊁河床粗化,花园口站的床沙中值粒径(D50)增加趋势明显,由0.075mm增加到0.119mm (1986年);1986年以后河道回淤,花园口站的D50变化趋势不明显,至1999年为0.114mm;2000 2017年,河道持续冲刷,至2008年河床粗化接近稳定,花园口站的D50增加到0.208mm左右;2018 2020年河道回淤后又减小为0.153mm左右(图3)㊂黄河下游高村以上游荡型河段水沙调节作用明显,高村以下窄河段冲淤幅度显著减少,甚至冲淤特性发生改变,河床粒径的响应程度也显著减小㊂如在小浪底水库运用前,利津站的D50虽有变化,但基本在0.065mm上下波动;小浪底水库运用后,D50才显著增加,由2000年的0.049mm增加到2008年的0.099mm,此后基本在这一数值上下变化,孙口站的D50变化趋势与利津站类似(图3)㊂2.4㊀曼宁系数变化特征根据水文站观测的流速㊁比降㊁水深等因子计算的曼宁系数(n)实际上反映的是水流的综合阻力㊂三门峡水库修建前,黄河下游整体处于淤积状态,n表现出超高阻力㊁超低阻力特征[18],即当流量小于1500~ 2000m3/s时,n随流量增大快速减小,n最大可达0.03及以上,表现为超高阻力;当流量大于1500~ 2000m3/s时,n随流量增大变幅不大,且基本围绕0.01上下波动,n最小值甚至小于0.008,表现为超低阻力㊂这一阶段,黄河下游来沙量大㊁含沙量高,年均沙量㊁含沙量分别为17.91亿t㊁37.3kg/m3㊂三门峡水库 蓄清排浑 运用期间(1974 1999年),黄河下游年均沙量㊁含沙量分别减少为9.3亿t㊁26.9kg/m3,河道非汛期㊁汛期冲淤交替发展,大流量时n有所增加㊂小浪底水库运用后,黄河下游来沙大幅度减少,年㊀第6期张原锋,等:小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响861㊀图3㊀小浪底水库运用前后黄河下游床沙中值粒径变化过程Fig.3Variations in medium diameter of bed material in the LYR prior to and following XLD Reservoir operation均沙量㊁含沙量分别减少为1.0亿t㊁3.7kg/m3,汛期㊁非汛期均发生冲刷,只有在小浪底水库排沙期(一般不超过20d)发生淤积㊂河道持续冲刷后,花园口河段水流阻力特性发生了显著改变,随着流量的增大, n减小趋势不明显,大流量时n大幅度增加,如图4(a)所示;高村以下河段,水流阻力特性没有发生明显改变,随着流量的增大,n仍表现出减小的趋势,但超低阻力特征减弱,如图4(b)所示㊂图4㊀小浪底水库运用前后黄河下游曼宁系数随流量变化过程Fig.4Changes in Manningᶄs coefficient versus discharge in the LYR prior to and following XLD Reservoir operation3　黄河下游动床阻力计算方法黄河下游水文站往往设置在河道顺直㊁沙洲较少的地方,沙粒阻力㊁床面形态阻力以及岸壁阻力往往可反映水流阻力的大小㊂对于宽浅河段,与动床阻力相比,岸壁阻力可以忽略不计㊂基于床面形态控制数理论,建立的床面形态判别方法得到了黄河下游实测资料的检验[9,22],其中床面形态控制数(m)可按以下公式计算:m=2πS0.3c V(1)式中:V为断面平均流速,m/s;S为水面比降;c为水流传播速度,m/s,可简化为gh,h为平均水深, m,g为重力加速度,m/s2㊂式(1)简化后可表示为862㊀水科学进展第34卷㊀m =2πg 0.51V S 0.3h 0.5(2)曼宁系数可按下式计算:n =1VS 0.5h 0.67(3)式(2)与式(3)包含的变量相同,仅系数及变量的指数有所差异,m 实际为动床阻力系数且量纲和谐,其中的水面比降因子指数小于n ㊂对于天然河流,水面比降的观测精度难以保障,观测记录中常出现反常现象[11]㊂相对于n ,m 计算的阻力可减少因水面比降观测不稳定造成的计算误差㊂因此,采用式(2)表征动床阻力较式(3)更为合理㊂依据床面形态高㊁低能态区分界线方程[23],可得到床面形态表征指标(m b )[9]:m b =V gD 50h D 50()α(4)式中:α为指数㊂Guy 的室内实验资料及黄河下游实测资料均显示,m 随m b 的变化过程能够反映床面形态由沙垄向过渡㊁动平床等高能态区发展过程中的阻力变化特征[9],并且二者关系密切,黄河下游m 可用以下公式表征:m =km βb (5)式中:k 为与h /D 50有关的系数,在某种程度上反映了床面形态不同几何尺度对m 的影响;β为指数,可反映m 随床面形态的变化趋势,当m b 由小逐渐增大时,床面形态由低能态向高能态发展,m 呈减小趋势,β一般为负值㊂利用式(5)及式(2)可进行流速计算㊂采用1959年㊁2016 2018年花园口站实测床面形态及相应的水沙资料(表1)率定的k ㊁β值分别为5.86㊁-0.946㊂对2000 2020年游荡型河段花园口站㊁夹河滩站的540组资料进行了流速计算,计算值与实测值符合较好,如图5(a)所示㊂表1㊀动床阻力计算公式参数率定及验证实测资料Table 1Measured data for calibration and verification of the proposed movable resistance formula观测站用途组数流量/(m 3㊃s -1)含沙量/(kg㊃m -3)h /m B /m D 50/mm S /10-4花园口率定18598~41700.5~52 1.8~7.2312~10300.076~0.202 1.5~2.2土城子率定2689~38800.7~820.6~1.9279~7940.053~0.070.8~1.6花园口㊁夹河滩验证54098~64300.1~3160.7~6.1108~27600.057~0.3750.2~10.4高村㊁孙口㊁利津验证96824~44200.1~1160.5~4.960~5060.014~0.1600.2~2.8注:B 为河宽㊂图5㊀黄河下游计算流速与实测值比较Fig.5Comparisons of measured and calculated flow velocity in the LYR㊀第6期张原锋,等:小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响863㊀㊀㊀图5(a)中计算误差为30%㊁10%的点群分别占88%㊁38.9%㊂采用1957 1958年土城子站实测资料率定的α㊁β值分别为4.89㊁-0.940,对2000 2020年过渡及弯曲型河段高村㊁孙口㊁利津等站的968组实测资料进行了流速计算,计算值与实测值比较如图5(b)㊂当流速小于2.0m/s时,计算结果与实测值符合非常好,计算误差为30%㊁10%的点群分别占95.8%㊁56.3%;流速大于2.0m/s时,计算结果系统偏大㊂黄河下游高村以下河段流速为2.0m/s左右时,相应流量为2000m3/s左右,对应的河相系数(B/h)一般小于10-1/2,随着流量的增大,河宽变化不大,水深不断增加,岸壁阻力明显增加,上述计算主要反映了动床阻力,因此计算的流速偏大㊂4　小浪底水库运用对水流阻力的影响小浪底水库运用后,黄河下游夹河滩以上河段,河床粗化明显,D50达到0.166mm以上,在相同流量条件下,m b减小,床面形态发育㊂例如,流量为1500~2000m3/s时,花园口站㊁夹河滩站的m b由小浪底水库运用前的6减少到运用后的3左右(图6(a)),对应的床面形态分别为动平床和沙垄,沙垄出现几率大大增加;对于高村以下河段,流量在1500~2000m3/s时,m b由小浪底水库运用前的7减小到运用后的5左右(图6(b)),对应的床面形态分别为动平床和沙垄蚀退阶段,两者基本处于高能态区,水流阻力较小㊁输沙能力较高㊂小浪底水库运用前,黄河下游各河段洪水期床面形态㊁动床阻力特性基本一致㊂运用后,高村以上游荡型河段床面形态以发育的沙垄为主,动床阻力显著增加;高村以下河段,洪水期床面仍可进入沙垄蚀退阶段,动床阻力增加幅度显著减小㊂图6㊀小浪底水库运用前后黄河下游m b随流量变化过程Fig.6Changes in m b versus discharge in the LYR prior to and following XLD Reservoir operation 小浪底水库运用后,高村以下河段河槽断面河相系数明显减小,断面形态向窄深方向发展㊂截至2020年,高村㊁孙口㊁利津各站断面平滩河槽河相系数均小于10,河槽内河相系数随流量的增加也基本呈减小趋势(如图7)㊂当流量大于2000m3/s时,平均流速大于2.0m/s(图2(b)),若河相系数小于10-1/2,相应的水深较大,岸壁阻力明显增加[24]㊂图8可以看出,B/h<10-1/2时,m b对应的曼宁系数较大,m b可表征床面形态,间接反映了动床阻力,说明B/h<10-1/2时,由m b计算的动床阻力小于水流阻力,这也是图5(b)中流速大于2.0m/s时计算结果系统偏大的原因㊂864㊀水科学进展第34卷㊀图7㊀黄河下游弯曲型河段河相系数随流量变化过程Fig.7Changes in coefficient of fluvial facies versus discharge in the meandering reach of theLYR 图8㊀黄河下游弯曲型河段曼宁系数随m b变化过程Fig.8Changes in Manningᶄs coefficient versus m b in the meandering reach of the LYR5㊀结㊀㊀论基于床面形态控制数理论,采用黄河下游5个水文站1974 2020年系列实测资料,建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式,分析了小浪底水库运用对黄河下游水流阻力的影响,主要结论如下:(1)黄河下游河床冲刷粗化严重,游荡型河段床沙粒径大幅度增加,床沙粒径上段粗㊁下段细的沿程分布特征更加突出㊂(2)小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育,游荡型河段主要表现为发育的沙垄;高村以下河段,小流量时床面形态表现为沙垄,大流量时表现为沙垄蚀退㊂(3)黄河下游动床阻力增加,游荡型河段动床阻力增加幅度大于高村以下河段㊂(4)黄河下游高村以下河段河槽断面向窄深方向发展,洪水期同流量相应的河相系数明显减小,计算的动床阻力小于水流综合阻力,岸壁阻力不可忽视㊂参考文献:[1]MA H B,NITTROUER J A,FU X D,et al.Amplification of downstream flood stage due to damming of fine-grained rivers[J]. 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More developed dunes and higher flow resistance occurred in the wandering reach.Second,in reaches downstream of Gaocun,the bed coarsening and flow resistance reduction are less pronounced than in the wandering reach.The cross-section of the main channel is narrower and deeper,increasing wall resistance obviously during flood periods. XLD operation has facilitated bedforms development and increased flow resistance in the LYR.Key words:flow resistance;bed material coarsening;bedform;movable bed resistance;Xiaolangdi Reservoir;the Lower Yellow River∗The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.U2243128).。