- 尊敬的用戶您好，歡迎訪問水利工程采購網(wǎng)！
- 登錄 | 會(huì)員注冊(cè)
時(shí)間：2020-08-20來源：
河流是有生命的。河流上水利樞紐工程的高程度開發(fā)，在灌溉、供水、發(fā)電、防洪等方面產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也帶來了一些問題，這些問題在多泥沙河流上表現(xiàn)得尤為突出。
黃河的河流生命因其多沙而更為脆弱，人們?cè)陂L(zhǎng)期治黃實(shí)踐中，探索了處理和利用泥沙的五項(xiàng)措施，即“攔”“排”“放”“調(diào)”“挖”。
“攔”，就是充分利用水土保持措施和干支流骨干水利樞紐工程攔減泥沙；
“排”，就是利用黃河下游河道盡可能多地排沙入海；
“放”，就是利用黃河兩岸合適的地形放淤；
“挖”，簡(jiǎn)單地說就是人工挖河；
“調(diào)”，就是調(diào)水調(diào)沙，在充分考慮黃河下游河道輸沙能力的前提下，利用干支流水庫的調(diào)節(jié)庫容，對(duì)水沙進(jìn)行有效的控制和調(diào)節(jié)，適時(shí)蓄存或泄放，調(diào)整天然水沙過程，使不協(xié)調(diào)的水沙過程盡可能協(xié)調(diào)，以便于河道輸送泥沙，減輕河道淤積，甚至達(dá)到不淤或沖刷的效果。
水庫群（串、并聯(lián)）調(diào)度技術(shù)是開發(fā)程度較高河流所面臨的難題之一，而多泥沙河流上水庫群—河道水沙聯(lián)合調(diào)度更是當(dāng)前優(yōu)化調(diào)度學(xué)科前沿課題，也是水庫泥沙、河道泥沙、優(yōu)化調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)等學(xué)科相結(jié)合的邊緣學(xué)科。
《黃河水沙聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵問題與實(shí)踐》（張金良著. 北京：科學(xué)出版社，2020.3）一書針對(duì)水沙聯(lián)合調(diào)度所涉及的有關(guān)問題，從水沙預(yù)測(cè)、泥沙頻率曲線建立、黃河中下游來水來沙特性與高含沙洪水運(yùn)動(dòng)特征分析、高含沙洪水“揭河底”機(jī)理、水庫泥沙淤積的相關(guān)分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測(cè)模型建立、水庫異重流調(diào)度、水庫汛期渾水發(fā)電與優(yōu)化調(diào)度、水庫群聯(lián)合調(diào)度方式、調(diào)水調(diào)沙調(diào)度實(shí)踐等方面進(jìn)行了研究，取得了較為系統(tǒng)的研究成果。
主要成果包括以下幾點(diǎn)。
01
通過對(duì)三門峽水庫的來水來沙特性進(jìn)行總結(jié)，并利用動(dòng)力系統(tǒng)理論，分析了入庫潼關(guān)水文站水沙系列的混沌性，計(jì)算了潼關(guān)站水沙系列的延遲時(shí)間，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和自相關(guān)滑動(dòng)平均模型對(duì)潼關(guān)站的水沙量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，提出建立泥沙頻率曲線的構(gòu)想，并對(duì)潼關(guān)站來水來沙的頻率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
02
提出了高含沙洪水“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的河床邊界條件假定，即河床質(zhì)分層假定，并在實(shí)際觀測(cè)中得到了驗(yàn)證。導(dǎo)出“揭河底”厚度的理論公式，揭示了高含沙水流“揭河底”現(xiàn)象的基本機(jī)理，將渭河下游、小北干流河段“揭河底”厚度計(jì)算公式統(tǒng)一起來；利用該理論分段預(yù)測(cè)了黃河小北干流河段發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象的可能性；2002年7 月4 日高含沙洪水局部“揭河底”現(xiàn)象驗(yàn)證了該理論的合理性。
“揭河底”問題是一種特殊的河流沖刷現(xiàn)象，其中包含著許多尚未認(rèn)識(shí)到的復(fù)雜規(guī)律，在河流動(dòng)力學(xué)和泥沙學(xué)領(lǐng)域，有待于深入系統(tǒng)地研究。通過此次分析研究和實(shí)測(cè)資料計(jì)算驗(yàn)證，初步認(rèn)為：當(dāng)河床因淤積使縱比降和橫斷面形態(tài)調(diào)整到一定程度并發(fā)生“晾河底”等現(xiàn)象后，可為河床成層成塊淤積物的形成及塊體邊界剪應(yīng)力和層間咬合力的減弱或消失創(chuàng)造條件。高含沙洪水出現(xiàn)后，水流可能掀起或懸浮的成塊淤積物有效重力減小，懸浮功變小。若受河床邊界條件影響出現(xiàn)大中尺度渦旋，水體動(dòng)能向底層傳遞，底層紊動(dòng)、脈動(dòng)特性增強(qiáng)，在忽略層間咬（黏）合力和塊體間邊界垂向剪應(yīng)力的條件下，水體可能掀動(dòng)的河床淤積物塊體最大厚度與淤積物容重γm、渾水體容重γs、糙率系數(shù)、底層流速或平均流速等有關(guān)。當(dāng)河床淤積物塊體厚度小于計(jì)算值時(shí)，渦旋引起的垂向脈動(dòng)增強(qiáng)可促發(fā)“揭河底”現(xiàn)象。由“揭河底”現(xiàn)象可知：在高含沙水流條件下，泥沙群體組合（片體、塊體）起動(dòng)方式為脈動(dòng)壓力起動(dòng)。
03
采用綜合物理成因分析法及逐步線性、非線性回歸模型，對(duì)汛期潼關(guān)高程與各影響因子間的相關(guān)度問題，進(jìn)行了定量的研究和定性分析。利用非汛期和汛期不同的淤積量影響因子的分析結(jié)果，建立庫區(qū)淤積量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測(cè)模型，采用非線性預(yù)測(cè)方法對(duì)庫區(qū)總體淤積量進(jìn)行即時(shí)模擬和快速預(yù)測(cè)。
04
簡(jiǎn)要分析了小浪底水庫洪水期水庫的排沙特性，研究了水庫明流、異重流輸沙特點(diǎn)和水庫回水淤積、異重流淤積特點(diǎn)，對(duì)小浪底水庫異重流形成（潛入）條件、持續(xù)條件、持續(xù)時(shí)間、淤積量進(jìn)行了研究。結(jié)合小浪底庫區(qū)地形特點(diǎn)，根據(jù)水庫初期蓄水滲漏較大，需要盡快形成壩前泥沙淤積鋪蓋的要求，設(shè)計(jì)了三門峽、小浪底水庫異重流聯(lián)合調(diào)度方案，達(dá)到了增加小浪底水庫壩前泥沙淤積鋪蓋的調(diào)度效果。
05
對(duì)黃河三門峽水庫渾水發(fā)電進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為“洪水排沙、平水發(fā)電”的運(yùn)用原則和方式能比較好地協(xié)調(diào)排沙與發(fā)電的關(guān)系，在減少過機(jī)含沙量、改善機(jī)組工況、增加發(fā)電時(shí)間和提高水量利用率等方面取得了較好效果。針對(duì)三門峽水庫汛期多目標(biāo)綜合化調(diào)度，將遺傳優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，建立了水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算模型，尋求在滿足防洪限制水位的要求下達(dá)到發(fā)電與排沙的協(xié)調(diào)。
通過遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，可以得到當(dāng)采用泥沙淤積量與發(fā)電量多目標(biāo)同時(shí)調(diào)度，即將泥沙作為主要目標(biāo)調(diào)度同時(shí)兼顧發(fā)電量時(shí)，1997～1999年汛期三門峽總體沖刷量3.29 億t，而汛期總體發(fā)電量達(dá)到12 億kW·h 左右；當(dāng)汛期僅以沖沙為目的進(jìn)行調(diào)度時(shí)，三年的汛期沖刷量為4.36 億t，發(fā)電量?jī)H為10 億kW·h 多，較多目標(biāo)調(diào)度減少近15%。當(dāng)以排沙為目的進(jìn)行汛期調(diào)度時(shí)庫平均水位為302.3m，當(dāng)以發(fā)電為目標(biāo)調(diào)度時(shí)庫平均運(yùn)行水位達(dá)303.9m，這也說明了降低水位排沙的必要性。三門峽庫區(qū)汛期水沙調(diào)度的基本特點(diǎn)是：當(dāng)來沙量較大時(shí)，水庫應(yīng)該降低水位，一般情況下將平穩(wěn)運(yùn)行期的水位保持在302m 左右就可以達(dá)到汛期排沙的基本要求；當(dāng)來流含沙量較小時(shí)，可以適當(dāng)提升水庫運(yùn)行水位到304m 左右，在此水位下樞紐有一定的排沙能力，同時(shí)也可以兼顧發(fā)電效益，同時(shí)若短期內(nèi)關(guān)閉發(fā)電機(jī)，采用大流量沖沙，還可以帶動(dòng)整個(gè)庫區(qū)進(jìn)行泥沙的輸送。
06
研究提出了黃河水沙聯(lián)合調(diào)度的多種調(diào)控模式，包括以小浪底水庫蓄水為主進(jìn)行的單庫調(diào)控方式，三門峽和小浪底兩個(gè)水庫進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)控方式，萬家寨、三門峽、小浪底三個(gè)水庫進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)控方式，小浪底、三門峽、故縣、陸渾四個(gè)水庫進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)控方式以及萬家寨、小浪底、三門峽、故縣、陸渾五個(gè)水庫進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)控方式，同時(shí)從調(diào)控流量、調(diào)控歷時(shí)、調(diào)控含沙量、下游河道形態(tài)與泥沙沖淤的關(guān)系等方面研究了水沙聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，利用實(shí)體模型、數(shù)學(xué)模型和原型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了方案比選。
07
介紹了2002 年以來19 次調(diào)水調(diào)沙調(diào)度實(shí)踐和效果，黃河下游河道主河槽平均下降2.6m 左右，最小平灘流量從1800m3/s 提高到4200m3/s，黃河下游嚴(yán)峻的防洪形勢(shì)得到了有效緩解，黃河河口生態(tài)環(huán)境也得到了明顯的改善。
該書作者長(zhǎng)期工作在治黃一線，是黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)方案的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人和調(diào)度負(fù)責(zé)人。作者系統(tǒng)剖析總結(jié)了黃河水沙聯(lián)合調(diào)度所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，剖析了黃河中下游來水來沙特性，揭示了黃河特有的“揭河底”現(xiàn)象的機(jī)理，分析了潼關(guān)高程變化過程及原因，構(gòu)建了庫區(qū)泥沙淤積模型，提出了水庫排沙和異重流調(diào)度方式，以及水庫汛期渾水發(fā)電和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，為黃河調(diào)水調(diào)沙提供了技術(shù)支撐。自2002年黃河首次開展調(diào)水調(diào)沙調(diào)度，至今已經(jīng)進(jìn)行了3 次試驗(yàn)調(diào)度和16 次生產(chǎn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了黃河下游河道的持續(xù)沖刷，減緩了小浪底水利樞紐的淤積，有力地保障了黃河中下游的防洪安全、供水安全和生態(tài)安全。 黃河治理與保護(hù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期復(fù)雜的系統(tǒng)工程，無數(shù)治黃工作者為此殫精竭慮，付出了巨大的心血。該書的出版，旨在為從事水沙研究的水利科研、設(shè)計(jì)、管理及高等院校的教學(xué)工作者提供技術(shù)參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)亦將為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施提供技術(shù)支撐。
中國(guó)工程院院士
英國(guó)皇家工程院外籍院士
南京水利科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)
2019 年12 月16 日
