解读黄河调水调沙理论与实践

作者:李肖强 乔…    文章来源:科技日报    点击数:1411    更新时间:2011/4/2

  黄河调水调沙自2002年至今已连续实施9年,取得了丰富的科技创新成果以及明显的经济、社会和生态效益,开辟了黄河治理新途径。在今年举行的国家科学技术奖励大会上,“黄河调水调沙的理论与实践”获国家科技进步一等奖,成为2010年度16个获得一等奖的通用项目之一。这是黄河水利委员会成立60多年来第一次摘取国家科技进步奖一等奖殊荣,也是全国水利系统近10多年来唯一获得国家科技进步一等奖的项目。
  黄河调水调沙的理论与实践,针对黄河水沙不协调导致河道主河槽日益淤积萎缩严重等问题,成功开展了大规模的调水调沙原型试验和实践,建立了黄河水沙调控理论,开辟了黄河治理新途径;揭示了黄河下游河道水沙输移和小浪底水库异重流运动规律,建立了黄河调水调沙指标体系;首创了人工塑造异重流,形成了协调的水沙过程塑造技术、异重流塑造技术等调水调沙技术,创立了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接、干流水库群水沙联合调度的黄河调水调沙三种基本模式;同时,还实现了水文气象预报系统、水情工情险情会商系统、预报调度耦合系统、实时调度监测系统、水量调度远程监控系统等集成创新,提升了黄河治理的应用基础研究和应用技术水平。

  黄河调水调沙开始以来,黄河下游河道主河槽全线持续冲刷,把7亿多吨泥沙送入渤海;黄河下游河道主河槽平均下降1.85米;小浪底水库淤积部位和下游河道断面形态得到有效调整;黄河下游主河槽过流能力由调水调沙前的1800立方米每秒提高到4000立方米每秒,对沿黄及滩区群众生产生活和社会稳定发挥了重大作用。

  黄河调水调沙,还改变了长期以来人们对黄河输沙用水被大量挤占的漠视态度,促进了河道和河口地区生态环境改善,黄河口自然保护区新增湿地9万多亩,迁徙鸟种类和种群数量大幅度增加,多年不见的黄河刀鱼复生且数量逐年增多,生物多样性日渐丰富。

  黄河调水调沙被中国科学院技术科学部、信息技术科学部评为对我国当前经济建设影响重大的9个项目之一。国务院新近批复的《黄河流域防洪规划》将其明确为防洪减淤措施之一。

  为了使读者充分了解这一特大型原型科学试验和生产实践,共同关注母亲河的健康与安澜,本报今日特别刊发长篇专稿《解读黄河调水调沙的理论与实践》。

 

  黄河调水调沙的必要性

  黄河难以治理的症结在于水少沙多、水沙关系不协调。为维持黄河健康生命,实现黄河长治久安,促进流域经济社会可持续发展,必须采取有效途径,协调黄河的水沙关系。与黄河水少沙多、水沙关系不协调问题相对应,协调水沙关系的途径就是增水、减沙、调水调沙。所谓增水,是指能够增加黄河水资源量的各种措施,包括外流域调水和节水(相对增水);所谓减沙,是指能够减少入黄沙量的各种措施,包括水土保持减沙、水库拦沙和干流滩地放淤等措施,特别是要减少对河道淤积影响严重的粗颗粒泥沙;所谓调水调沙,就是根据黄河来水来沙特点,通过黄河水沙调控体系中干支流水库群的联合调控运用,尽可能将不利水沙过程调节为协调的水沙过程,输送泥沙入海,减少河道淤积,扩大并维持河道主槽过流能力。上述三条途径相互影响,相互促进。通过三条途径的相互配合,可以进一步协调水沙关系,减轻河道泥沙淤积,更好地维持河道基本功能。

  但在解决黄河水沙不协调问题的三大途径中,增水主要靠南水北调,减沙主要靠水土保持、骨干工程拦沙和大规模的干流滩地放淤,而这两条途径一则需要一个漫长的周期方能见成效,二则需要有相应的投入为保证。另一方面,增水、减沙又都与调水调沙密切相关。通过调水调沙,可更加充分发挥增加水量的输沙、减淤及综合利用效益,也可以为干流滩地放淤创造有利的水沙条件。因此,调水调沙是一项需长期实施的战略,其地位和作用十分重要,特别是在增水和减沙措施建立和发挥作用之前,充分利用小浪底水库拦沙初期的有利时机,尽快开展调水调沙,缓解黄河水沙关系不协调带来的黄河下游河槽行洪输沙能力严重不足、“二级悬河”危险局面日益突出、河流健康生命受到威胁等一系列在黄河防洪和治理中亟待解决的问题,十分必要和迫切。

  长期而言,协调黄河的水沙关系必须有相应的工程体系加以保证。由于黄河水沙调控工程对水沙的联合调节是一项非常复杂,涉及面很广的技术,因此,在以往大量的研究成果的基础上,对其各种调节模式开展原型试验同样显得非常必要,通过原型试验,检验以往的认识,逐步总结经验,不断丰富和发展调水调沙技术。

  黄河调水调沙的指导思想

  黄河水沙关系不协调,且水沙时空分布不均,既可能出现小水带大沙,又可能出现大水带小沙,造成河道泥沙时淤时冲,中水河槽极不稳定。又由于黄河总体上水少沙多、使得黄河河道不断淤积、排洪能力下降,影响防洪安全。因此,实施调水调沙战略,对黄河水沙进行年内和进行多年调节,避免小水带大沙现象十分必要。

  调水调沙,就是在充分考虑黄河下游河道输沙能力和不同流量级的水流挟沙能力的前提下,利用水库的调节库容,对水沙进行有效的控制和调节,适时蓄存或泄放,调整天然水沙过程,使不协调的水沙过程尽可能协调,从而达到输水冲沙、减轻河道萎缩、恢复并维持中水河槽的目的。

  调水调沙是小浪底水库防洪减淤的基本运用方式。小浪底水库运用具有明显的阶段性,在起始运行水位以下相应库容淤满前,水库主要以异重流排沙为主。对水量进行调节相对简单,而对沙量调节相对较为复杂,主要表现在当上中游地区为较大流量较高含沙量时,科学控制坝前运用水位和安排泄水建筑物使用次序,调配以异重流形式运行至坝前的较细泥沙的蓄存或泄放。

  调水调沙与以往其他处理和利用泥沙的措施相比,有几个显著的特点:一是更加符合黄河泥沙的自然规律,具有高度的科学性;二是由于通过水库进行水沙调节,措施更加主动、可靠;三是把河道和水库减淤作为水库综合利用的内容之一,与灌溉、供水、发电等统一考虑,使水库运用更加符合黄河的特点。

  调水调沙的指导思想是:通过水库联合调度,把不同来源区、不同量级、不同泥沙颗粒级配的不平衡的水沙关系塑造成协调的水沙过程,有利于下游河道减淤甚至全线冲刷,开展全程原型观测和分析研究,探索与完善调水调沙运用模式,以利长期开展以防洪减淤为中心的调水调沙运用,为黄河下游防洪减淤和小浪底水库运行方式提供重要参数和依据,继而深化对黄河水沙规律的认识,探索黄河治理的有效途径。

  黄河调水调沙的主要科技创新点

  一、建立了黄河水沙调控基础理论,开展了大规模、成系统、有计划的黄河调水调沙实践,为黄河治理开辟了新的途径

  黄河之所以成为世界上最为复杂且难以治理的河流,其根本原因在于水沙关系不协调。解决这一问题的措施除增水、减沙外,大规模地进行调水调沙是一条行之有效的途径。在当前及今后相当长的时期内,塑造协调的水沙关系其作用更加显著。以黄河干支流骨干枢纽为主体,将水库、河道、干流、支流作为一整体系统,统一考虑水沙的时空分布,通过科学调度及各环节控制技术、理论的集成应用,不仅能实现流量的调控,而且可以实现泥沙的调控,达到变不协调的水沙关系为相对协调水沙关系的目的。在一定的来水来沙条件与边界条件下,调水调沙可最大限度地减轻河道淤积,或实现河槽持续的全线冲刷,保持中水河槽的行洪输沙能力,为实现黄河下游“堤防不决口,河床不抬高”创造有利条件。本项目的探索研究成果及黄河调水调沙实践,形成了一套以塑造协调水沙关系为核心的黄河水沙调控基础理论,包括:输沙能力计算,人造洪峰大小、历时与时机对河道冲淤的理论分析,河床对水沙过程的响应关系,中水河槽的塑造及行洪输沙能力,水库异重流形成与运动的理论等。

  以建立的黄河水沙调控理论为基础,开展了治黄史上最大规模、成系统、有计划的调水调沙原型实践。黄河调水调沙空间范围涉及上至万家寨水利枢纽下至黄河河口近2000公里区域中小浪底、三门峡、万家寨、陆浑、故县等黄河中游干支流水库群,以及中下游河道;实践过程涉及防汛调度、规划设计、科学研究、水文预报监测、抢险减灾、工程管理等众多环节。制定了数十个周密的预案和严谨的流程,参加人次达45000以上,获得了大量的科学数据。其规模之大、范围之广、参与人数之多是治黄史上前所未有的。

  在2002年以来黄河总体来水来沙条件极为不利的情况下,黄河下游不仅没有出现“上冲下淤”的不利局面,反而实现了小浪底水库以下至入海口河槽的全线冲刷,河槽平均降低1.85米,中水河槽最小过流能力由2002年汛前的1800立方米每秒增加至当前的4000立方米每秒,显著降低了洪水位,大大减轻了中常洪水对黄河下游河道滩区189.5万人民群众的威胁,显著地促进了沿黄地区经济的可持续发展和社会稳定,改善了河口地区的生态环境。黄河下游主河槽过流能力大幅度提高,相应使河槽输沙能力由不足20公斤/每立方米提高至40公斤/每立方米以上,为今后利用中常洪水输沙入海、减轻河道淤积创造了极为有利的条件。建立了可较为准确描述小浪底水库异重流的形成和运行规律的数学表达式,在中游无洪水条件下成功地实现了人工塑造异重流排沙出库,丰富发展了水库排沙技术。

  调水调沙作为新时期黄河治理的新途径,显示出其强大的生命力。随着黄河水沙调控理论的建立和调水调沙技术的日臻完善,调水调沙这一黄河治理途径从方略变成现实,为今后相当长时期内黄河的治理奠定了基础。在新一轮的黄河治理开发规划中,调水调沙已成为黄河治理的一项长期的战略措施,并成为黄河治理的一条规划主线。调水调沙试验和生产运行在小浪底水库和黄河下游河道获得的水流运动、泥沙输移、河床冲淤演变等众多方面大量的科学信息,以及对这些信息的分析研究成果、调水调沙的理念及实施过程中攻克的关于水沙调控的一系列关键技术,正在对黄河治理的科技进步发挥着显著的作用。

  二、揭示了黄河下游河道水沙输移和小浪底水库异重流运动规律,建立了黄河调水调沙指标体系

  (1)揭示了现状条件下黄河下游河道水沙输移规律。

  近年来,河道萎缩、河床横向边界约束度增强,使得黄河下游河道呈现出有别于以往的水沙输移与河床调整特征,河床动力平衡临界阈值相应发生变化与调整。小浪底水库运用使进入黄河下游的水沙过程具有较大程度的可控性,为塑造优化水沙组合提供了实施条件。鉴于此,在黄河调水调沙过程中,不断深化了对黄河下游河道输沙规律的认识,收到了较好的调控效果。

  ①黄河小浪底水库以下至入海口900km的冲积性河道,各河段河型河性不同,自我调整规律不尽相同,且上下游之间互为影响与反馈。上游河道调整影响进入下游河道的水沙条件,而下游河道形态的大幅度调整对上游河道产生溯源影响,现状条件下这种依存关系更为突出,其决定因素是河床边界条件(包括几何形态及床面特征等)。在力学研究与资料分析基础上,建立表征下游各河段冲淤调整关系的输沙能力公式为河段平均河相系数,S上为上站含沙量,J为河段平均比降,V为河段平均流速,di和pi分别为悬沙粒径与百分数),揭示了来水流量、含沙量、悬移质颗粒级配、河道纵横向形态等因素对输沙能力的影响,以及上下游河段之间互为影响与反馈的影响机理。指出黄河下游河道发生全线冲刷所相应水沙过程不仅要有一定的量级,还需要有一定的历时,并提出了水流流量、含沙量与历时的临界阈值。

  ②在接近平衡输沙的状态下,具有总体最优的输沙效果。以花园口断面含沙量、流量、悬沙中<0.025mm泥沙占全沙百分数为主要因素,建立了下游河道不淤积关系S=0.0308Qp1.5514。黄河调水调沙过程中,通过水库调控使水流挟沙趋于平衡。

  ③黄河下游河床调整迅速,场次洪水过程中,洪峰期大量级水流塑造的河床形态不适应落水期小量级水流输沙,往往发生涨冲落淤现象,在小浪底水库拦沙初期的次饱和输送过程中表现尤为突出。通过实测资料分析与模型概化试验的量化研究,提出了“缓涨陡落”的洪水过程可获得最优的输沙效果。在调水调沙实施过程中进行跟踪研究,利用水库进行动态调控。

  ④河道在冲刷过程中,随着河槽不断刷深、展宽,床沙不断粗化,使得河槽几何形态发生调整,河床阻力增加,水流悬移质颗粒变粗,进而使冲刷效率下降。研究深化了水流动力条件与河床的调整规律及量化关系。在调水调沙过程中,基于河床调整状态而递增水流动力条件,获得了显著且持续的累积冲刷效果。

  (2)建立了小浪底水库异重流输移与浑水水库沉降过程的数学关系式。

  小浪底水库横向宽窄相间,沿程支流众多,水沙输移过程极为复杂。针对黄河调水调沙的需求进行了大量的应用基础研究,即通过理论探讨与实测资料分析,并集成凝练了水库实体模型与基础试验成果,提出了可定量描述水库异重流输移过程的表达式,为成功塑造异重流奠定了基础。

  ①提出异重流交界面阻力系数计算公式λi=(J、V分别为比降与流速),分析计算小浪底水库异重流沿程综合阻力系数λm。

  ②提出异重流垂线流速分布公式。最大流速点以上;最大流速点以下符合指数分布u=(1+m)Vcp(z/h)m,取决于其定量描述的指数m表示为m=(Vm、Vcp分别为垂线最大及平均流速),公式对水流含沙量变幅大(特别是高含沙)的黄河中游水库具有较高的计算精度。

  ③取水库坝前浑水水库中悬沙进行基础试验,结合实测资料分析,提出可描述浑水水库动态沉降速度的表达式uc=(V为进出库浑水体积差、A为浑水体平面面积、u为相应静水浑液面、Ss为淤积层含沙浓度)。

  ④提出在一定边界条件下,维持异重流持续运行至坝前时,形成异重流的流量、水流含沙量及其悬沙细颗粒含量三者之间函数关系式S=ke-0.025-0.12Q。

  ⑤基于小浪底水库实体模型试验概化出干支流倒灌的物理图形,结合模型测验结果,得出干支流异重流倒灌时支流分流比的简化计算式=


(K为考虑干支流的夹角及干流主流方位而引入的修正系数;b、h、J分别表示河宽、水深、比降;角标1、2分别代表干流、支流)。

  ⑥基于韩其为院士研究及小浪底水库实测资料,率定出预测异重流传播时间与含沙量的公式(C与值由小浪底实测资料率定)。

  (3)建立黄河调水调沙调控指标体系。

  通过理论分析和对黄河下游大量的历史资料的研究,并考虑水库安全、下游防洪安全、滩区减灾、水资源安全等综合要求,提出了可维持黄河下游全线冲刷的调控指标:进入下游的水流含沙量小于20kg/m3时,控制花园口流量2600m3/s,洪水历时维持在9天以上;含沙量40kg/m3左右,且水流悬沙以细颗粒为主时,控制花园口流量3000m3/s左右,洪水历时控制8天以上。以上述指标为基础,在调水调沙过程中,还依据水流悬沙组成、水库蓄水条件、下游河床边界条件与调整过程,进行动态控制与调整。

  三、首创了水库群联合调度塑造异重流技术,创立了三种调水调沙基本模式

  (1)首创水库群水沙联合调度塑造异重流技术,发展了排沙途径。

  利用黄河干流万家寨、三门峡、小浪底水库联合调度,在小浪底水库形成异重流并排沙出库。

  小浪底水库承担为塑造异重流排沙提供有利的边界条件与优化出库水沙组合的任务。水库前期泄放库区蓄水冲刷下游河道,库水位逐渐降低,回水末端下移,水库脱离回水影响的库段,有利于入库清水冲刷或高含沙水流输移,而且使得异重流的潜入点下移,运行距离缩短,排沙比增大。因此水库调度的关键是在准确预测不同边界条件、蓄水位与水沙条件下异重流排沙过程,在此基础上确定与三门峡水库联合调度塑造异重流的衔接水位。

  三门峡水库承担冲刷小浪底库区泥沙,并为塑造异重流提供冲刷动力的任务。三门峡水库先期泄水冲刷小浪底库区上段淤积的泥沙,逐步泄空后为万家寨来水冲刷库区泥沙形成高浓度浑水提供有利条件。三门峡水库调度的关键是准确预测水库泄流过程对小浪底库区上段淤积物的冲刷效果,以及水库速降水位过程中坝区淤积物的起动与输移过程,在此基础上,确定水库泄流量与泄水历时的优化组合。

  万家寨水库承担冲刷三门峡库区泥沙的任务。万家寨水库泄水历经近900km的流程,在三门峡水库临近泄空之时抵达三门峡库区,冲刷库区淤积泥沙形成高含沙水流与三门峡泄水末期水流衔接。水库调度的关键是准确把握水流的传播过程、对三门峡水库冲刷及其衰减过程,以确定水库泄流时机与泄流量。

  在实际调度过程中,三座水库除需要发挥各自的功能外,还需要有机衔接与互动。2004年—2010年汛前调水调沙塑造异重流期间,虽然历年中游来水来沙条件不同,各水库河床边界条件与蓄水条件不同,小浪底与三门峡库区各库段输沙流态也各不相同,但通过精心设计与科学调度,均塑造出异重流并实现了排沙出库。2010年汛前调水调沙,异重流排沙比达到150%,实现了干流水库群联合调度“1+1>2”的排沙目标。

  由于黄河水沙情势的变化,中等流量以上的洪水出现几率明显减少,利用人工异重流的排沙方式排泄水库前期的淤积物对保持三门峡水库的平衡,延长小浪底水库拦沙库容寿命具有重要的意义,对未来黄河水沙调控体系的调度运行将产生积极的影响。

  (2)形成了一整套调水调沙技术。

  历次调水调沙逐步形成了一套完善的技术,包括协调的水沙过程塑造技术;试验流程控制技术;水库异重流塑造技术;水沙过程在线监测技术等。

  水沙过程塑造技术包括各种条件下坝前及出库泥沙预测、枢纽不同高程泄水孔洞调度、水库坝前分层流清浑水对接及干支流清浑水对接等;试验流程控制技术从时间上讲分为预决策、决策、实时调度修正和效果评价四个阶段;干流水库群的调度塑造异重流这一原创技术为水库排沙找到了一条新的途径。

  (3)针对不同的水沙情势及调控目标,确立了黄河调水调沙三种基本模式。

  黄河调水调沙逐步形成并确立了以小浪底水库单库为主、基于大尺度空间水沙对接和基于干流水库群联合调度的三种基本模式。

  2002年黄河调水调沙试验是针对黄河中游发生的较高含沙量洪水,在准确把握小浪底水库异重流排沙特点与规律的基础上,通过调度水库泄水建筑物不同高程孔洞,分别控制坝前分层流清浑水泄量,满足了调度指标,形成了以小浪底水库为主控制调控指标的调度模式;2003年黄河调水调沙试验是针对黄河中游连续发生较高含沙量洪水,并遭遇水库下游支流发生低含沙洪水,在预测小浪底水库异重流输移过程与浑水水库沉降规律,以及不同量级水流在干支流河道传播过程的基础上,通过启闭小浪底水库不同高程泄水孔洞,塑造一定历时的不同量级高浓度浑水过程,叠加在小浪底水库下游伊洛河、沁河入汇的“清水”之上,使之在花园口断面准确对接为协调的水沙关系,形成了干支流水沙对接的调度模式;2004年黄河调水调沙试验是充分利用中游水库汛前汛限水位以上的蓄水,形成持续较大流量过程,对黄河下游河槽产生较高强度的冲刷。同时,利用万家寨、三门峡水库蓄水冲刷沉积在三门峡水库与小浪底库区上段的泥沙形成高含沙水流,在小浪底回水区塑造异重流并排沙出库,同时实现了扩展下游河槽与减少水库淤积的双重目标。形成了干流水库群联合调度塑造异重流的调度模式。

  四、实现了系统集成创新,提升了应用基础研究与应用技术研究水平

  (1)实现了系统集成创新。通过水文气象预报系统、水情工情险情会商系统、预报调度耦合系统、实时调度监测系统、水量调度远程监控系统等集成创新,实现了黄河中游沿程1000km的大尺度空间各控制断面水沙过程的精细调控。

  (2)应用基础研究取得进展。针对黄河调水调沙的需求,深化了对复杂控制条件与极端边界条件下水库与河道水沙输移规律的认识,建立可较为准确描述物理量之间关系的计算式,为调水调沙奠定了基础;利用实体模型及数学模型预测,指导黄河调水调沙预案编制和实际调度,多种手段与方法相互补充与印证,提高了调水调沙的准确性与科学性;开发了黄河中下游中短期天气、降水、洪水预报与次洪含沙量预报系统,提高了水情预报的时效性、准确性。同时黄河调水调沙过程中获得的大量观测数据,促进了基础研究水平不断提升。

  (3)形成了水库异重流量测规程。黄河调水调沙促进了小浪底水库和下游河道的原型监测站网、测验设施和组织管理等方面的更新与加强,完善了小浪底水库异重流测验断面的布设,丰富了水库异重流的观测内容。制定了适用于黄河的水文测验的技术标准和技术要求。

  (4)研发了多项水文观测仪器。基于黄河调水调沙过程中水沙在线监测的要求,成功地研制、运用了振动式在线测沙仪、多仓悬移质泥沙取样器、浑水界面探测仪,引进开发了激光粒度分析仪等适合多泥沙河流水沙测验的先进仪器设备,实现了含沙量、颗粒级配等的在线快速监测,填补了泥沙在线测验的空白。

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