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黄河调水调沙试验

    责任编辑:杨雪 来源:

    一、产生背景

  黄河以善淤、善决、善徙、洪水灾害严重闻名于世,其根本原因是水少沙多、水沙关系不协调。突出表现在:下游河槽淤积萎缩严重,局部河段平滩流量已下降至1800立方米每秒; “二级悬河”发展迅速,防洪形势日益严峻,黄河下游河道形态已经恶化到极其危险的程度。黄河下游中小洪水对防洪安全威胁加剧,滩区181万人长期难以脱贫致富,严重影响黄河下游治理方略的实施和社会稳定发展。减轻洪水灾害的威胁,确保黄河防洪安全是我国经济社会进步发展的保障,除修建防洪工程及采取工程措施处理泥沙外,进行“调水调沙”塑造和谐的水沙关系,利用自然的力量尽量排沙入海,从而恢复河道的基本功能,走出一条创新的江河治理、防洪减灾的道路是十分必要和迫切的。

  解决黄河水少沙多、水沙关系不协调的根本途径是增水、减沙、调水调沙。调水调沙作为解决多泥沙河流泥沙问题的重要措施之一,其实质是利用干、支流水库库容对进入下游的水沙关系进行调节和控制,塑造出相对协调的水沙关系,达到输水冲沙、减轻河道萎缩、恢复并维持中水河槽的目的。长期以来,黄委联合国内科研单位和大专院校对小浪底水库的调水调沙运用方式开展了大量的分析研究,初步提出了调控流量、含沙量等技术指标体系。小浪底枢纽工程的建成运用,使开展大规模的调水调沙成为可能。国内外在水量调节方面有较为成熟的理论、技术和实践,但在统筹考虑水沙联合调度的调水调沙方面尚无可借鉴的理论、模式和经验。由于在江河原型上进行“调水调沙”本身在防洪安全和滩区内群众财产安全中,稍有不慎将导致河道形态严重恶化等方面极大的风险,涉及的因素十分复杂,因此在调水调沙投入生产运用之前,必须在保证安全的前提下,通过试验探索、完善调控方式和调控技术是非常必要和重要的。

  通过黄河调水调沙试验,检验和探索小浪底水库拦沙初期调水调沙调度方式,调控指标、实现下游河道全线冲刷、尽快恢复下游河道主槽过流能力;探索调整小浪底库区淤积形态、下游河道局部河段河槽形态;探索黄河干支流水库水沙联合调度的运用方式并优化调控指标;探索黄河水库、河道水沙运用规律,为黄河治理开发奠定牢固的科学和技术基础。

  以上客观条件和黄河治理的需要,都对黄河调水调沙有着迫切的要求。

  二、组织机构

  在三次的调水调沙试验中,黄河水利委员会成立了黄河调水调沙试验总指挥部和调水调沙试验总指挥部办公室,各党组成员进行了分工负责。调水调沙试验总指挥部办公室下设水沙预报测报组、方案组、调度组、泥沙扰动组、引水控制组、观测抢险组、模型实验及扰沙指标监控分析组、通信及信息保障组、宣传报道组、后勤保障组、巡视组、综合分析及后评估组共12个工作组。在第三次调水调沙试验期间,还设立了小浪底库区和河南、山东人工扰沙三个前线指挥部。

  三、实施过程

  为有效解决小浪底水库和黄河下游河道泥沙淤积问题,2002年7月4至7月15日、2003年9月6日至9月18日、2004年6月19日至7月13日,黄河水利委员会连续进行了三次不同类型的调水调沙试验。主槽冲刷泥沙1.483亿吨,把2.568亿吨泥沙送入渤海,有效地减少了小浪底水库和下游河道的泥沙淤积,下游河槽过流能力由调水调沙试验前的1800立方米每秒恢复到3000立方米每秒。

  四、主要成果

  黄河调水调沙治河思想的探索与形成历经了几代治黄工作者数十年的艰辛努力,三次调水调沙试验历时三年,取得了丰硕的成果,从多方面深化了对黄河水沙规律的认识,在黄河治理开发的多个方面得到了很多启示,取得的主要成果与认识如下:

  1、首次成功地开展了人类治黄史上大规模的、系统的、有计划的调水调沙试验

  黄河三次调水调沙试验,历经三年,试验范围涉及到黄河中游干支流5座水库和上至万家寨水利枢纽下至黄河河口近2000千米的河道,参加试验的部门包括黄委所属各单位、各部门及小浪底、万家寨水库管理单位,涉及防汛调度、规划设计、水文预报监测、科研、河务、抢险减灾、工程管理等多个方面。为保证试验成功,制订了涉及多方面的数十个周密的预案和试验流程,参加试验人次达45000人以上,获得了千万组以上的科学数据。

  黄河调水调沙试验将长期研究成果付诸于治河实践,第一次将调水调沙治黄思想由理论转化为生产力,实现了治黄工作者多年的夙愿,引起了国内外水利工作者及全社会对调水调沙试验及黄河治理的关注。

  2、首次成功地塑造出人工异重流,为小浪底水库多排泥沙,延长小浪底水库拦沙库容的使用寿命找到一条新的途径

  黄河第三次调水调沙试验,根据对异重流规律的研究和前两次调水调沙试验的成果,首次提出了利用万家寨、三门峡水库蓄水和河道来水,冲刷小浪底水库淤积三角洲形成人工异重流的技术方案,通过对水库群实施科学的联合水沙调度,首次成功地在小浪底库区塑造出了人工异重流并排沙出库,标志着对水库异重流运行规律的认识得到了扩展和深化。

  3、黄河下游主槽行洪排沙能力显著提高,河槽形态得到调整

  黄河下游主槽过流能力由试验前的1800立方米每秒恢复到试验后的3000立方米每秒左右,洪水时滩槽分流比得到初步改善,“二级悬河”形势开始缓解,下游滩区“小水大漫滩”状况初步得到改善。

  下游主槽过流能力提高的同时,输沙能力也得到显著提高。分析研究成果表明,黄河下游主槽过流能力在2000立方米每秒时,可输送20千克每立方米以下的含沙量而保持不淤;主槽过流能力在3000立方米每秒时,保持主槽不淤的含沙量则可提高到40千克每立方米左右。在水流不漫滩的情况下,单位水量的输沙量提高一倍左右。

  下游主槽过流能力提高,扩展了调水调沙流量、含沙量的调控空间,使得小浪底水库调水调沙的灵活性大大提高,扭转了受主槽过流能力和滩区人水难以和谐相处的限制而使小浪底水库对下游河道的减淤作用难以充分发挥的局面,为水库多排沙创造了有利的下游河道边界条件。

  4、黄河下游主槽实现全线冲刷

  三次试验进入下游总水量为100.41亿立方米,总沙量为1.114亿吨。实现了下游主槽全线冲刷,试验期间下游河道共冲刷1.483亿吨,入海总沙量为2.568亿吨。黄河三次调水调沙试验,使得山东河段的主槽冲刷发展更加充分。根据试验资料统计三次调水调沙试验艾山至利津河段总冲刷量0.383亿吨,占下游河道总冲刷量的26%,突破了小浪底水库设计的对山东河段的减淤指标,彻底消除了人们普遍担心 “冲河南、淤山东” 的疑虑。

  5、探索、实践、丰富、发展了黄河调水调沙技术

  通过黄河三次调水调沙试验逐步形成了一整套黄河调水调沙技术,包括:协调水沙关系指标体系;协调的水沙过程塑造技术如枢纽工程对水沙关系的调控能力、出库含沙量预测、人工扰沙技术、水沙对接技术、下游主槽过流能力预测技术、整体流程控制技术等;水库减淤技术;水文监测和预报技术等方面,试验使该技术得到了验证和完善,为今后调水调沙生产运行奠定了良好技术基础。

  6、调整了小浪底库区淤积形态,为实现水库泥沙的多年调节积累了经验。

  试验证明,在水库拦沙初期乃至拦沙后期的运用过程中,为了塑造下游河道协调的水沙关系,对入库泥沙进行调控时,即便板涧河口以上峡谷段发生淤积甚至超出设计平衡淤积纵剖面,“侵占”了部分长期有效库容,在黄河中游发生较大流量级的洪水时或水库蓄水为主人工塑造入库水沙过程,凭借该库段优越的库形条件,使水流冲刷前期淤积物,恢复占用的长期有效库容。这相当于一部份长期有效库容可以重复用以调水调沙,做到“侵而不占”,增强了小浪底水库运用的灵活性和调控水沙的能力,对泥沙的多年调节、长期塑造协调的水沙关系意义重大。

  7、实现了三条黄河联动的治黄新方法

  黄河三次调水调沙试验,从方案制定、水文预报测报、决策调度,到引水控制、泥沙扰动等各个环节实现了“三条黄河”的有机联动。实体模型、数学模型为原型试验提供了大量技术支撑,而原型试验获得的大量试验数据和分析研究成果又验证并促进了实体模型、数学模型模拟技术的改进和提高。预报调度耦合系统、工程险情会商系统、水文气象信息系统、水情信息会商系统、实时调度监测系统、远程视频会商系统、水量调度系统、涵闸远程监控系统、激光粒度分析仪、振动式悬移质测沙仪等在试验中得到了广泛应用,确保了试验的成功,显示了三条黄河联动治理黄河新方法的广阔应用前景。

  8、形成了用于小浪底拦沙初期三种不同类型的调水调沙主要运用模式

  针对三门峡以上来水来沙、小浪底水库调节为主(辅以三门峡水库联合调度);针对三门峡以上来水来沙和小花间来水,通过在花园口实现协调水沙的空间对接的小浪底、三门峡、陆浑、故县四库水沙联调;依靠水库蓄水,通过人工异重流塑造及泥沙扰动的万家寨、三门峡、小浪底干流水库群水沙联调。是调水调沙运行的三种主要模式,基本涵盖了小浪底水库运用初期黄河下游不同洪水来源区不同情况下的调水调沙运用模式。

  五、主要创新点

  1、首次成功地开展了特大型的调水调沙原型试验。这种大规模的、系统的、有计划的调水调沙试验,将调水调沙理论研究转化为生产实践。试验获取了大量系统的数据,取得了丰硕成果,对黄河治理与水利行业科技进步作用显著。

  2、创造性地提出了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接、干流水库群联合调度的黄河调水调沙三种运用模式,基本涵盖了小浪底水库拦沙初期,黄河不同洪水来源区及不同边界条件下的调水调沙运用模式,对以后黄河调水调沙具有重要的指导意义。

  3、提出了协调水沙过程的概念,并指出协调水沙过程的指标随着河床边界条件的调整而改变。基于对黄河下游输沙规律的认识,提出了小浪底水库拦沙初期调控的流量、含沙量和泥沙级配等指标。

  4、掌握了异重流输移规律,提出了小浪底水库人工塑造异重流的条件,首次成功地塑造出人工异重流并排沙出库,发展了水库排沙途径。

  5、基于原型观测、实体模型、数学模型等研究手段的联合运用,生成调水调沙科学预案,使决策更具有科学性与可行性,同时三者之间的联动促进了实体模型与数学模型的发展。

  6、通过水文气象预报、水情工情险情会商、预报调度耦合、水量调度远程监控等系统的集成创新,实现了水沙过程的精细调控。

  7、研制运用了振动式测沙仪、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,为水沙实时调控提供了保证。

  8、系统提升了出库含沙量预测技术、人工扰沙技术、水沙对接技术、下游主槽过流能力预测技术、整体流程控制技术、水库减淤技术、水文监测和预报技术等,整体达到同类技术先进水平,提高了黄河治理开发能力与水平。

  六、应用情况

  黄河调水调沙试验是一项特大型原型试验,特殊的试验形式决定了试验的成果及时应用于黄河的治理开发中。

  1、黄河防总已将调水调沙试验成果广泛应用于黄河防洪方案编制、日常洪水调度、下游治理方略制定、黄河水沙体系研究等方面。试验控制指标等成果在2003年秋汛调度中得到直接应用。

  2、调水调沙试验成果在“黄河防汛总指挥部防洪指挥调度规程”中得到具体应用,该规程规定了进行调水调沙运用的适用条件和相应的工作机制,并以黄防总文件颁发执行。

  3、调水调沙试验主要成果,为制订《小浪底水利枢纽拦沙初期运用调度规程》中的“调水调沙调度”提供了科学依据。该“规程”水利部已正式批准。

  4、项目组成员先后在《科学》、《水利学报》、《中国水利》等公开发行的刊物上和国际国内学术会议上发表和交流该项目有关论文多篇,并被引用。2003年12月由黄河水利出版社公开出版了《黄河首次调水调沙试验》。调水调沙试验技术和成果已被清华大学、复旦大学和武汉大学运用于硕士、博士研究生的教学中,促进了相关学科的发展。

  5、调水调沙试验期间,中央电视台“走进科学”等栏目,《光明日报》、《科技日报》以及英国《新科学家》等科技报刊进行了大量专题报道,增强了社会公众对人水和谐及可持续发展水利的意识。

  七、社会效益

  1、黄河下游主槽全线冲刷、平滩流量增加,“二级悬河”形势得到缓解,减少了下游滩区漫滩几率和淹没损失,在保证黄河防洪安全、保障黄河滩区181万人民生命财产安全和社会稳定等方面做出了贡献。

  2、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,促进了水资源的合理利用。

  3、河口地区生态与环境得到有效改善。

  4、推动了相关学科的发展,对黄河治理与水利行业科技进步作用明显。

  初审意见

  该成果主要创新点为:

  (1)首次试验中进行了三门峡和小浪底水库水沙联合调度,异重流联合调度,以及水库不同孔洞水沙组合调度;

  (2)第三次试验首次提出了小浪底水库人工异重流塑造方案,定量提出了小浪底水库异重流潜入条件,持续运行条件,不通水沙组合条件下异重流运行速度及排沙效果等;

  (3)提出了小浪底水库地区扰动泥沙指标,利用实体模式试验资料和三维数学模型对坝区流场进行了分析,推导出了泥沙颗粒运动的轨迹方程;

  (4)提出了黄河下游人工扰动参数,根据有关分析,提出了人工扰动河段和扰动部位。

  该成果经理论和应用技术类专家委员会初审,评为一等奖。


发布时间:2011年08月12日
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