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维持黄河下游排洪输沙基本功能的关键技术研究

    责任编辑:裴亮 来源:

  一、成果产生的缘由

  黄河系多泥沙河流,其河流生命不仅表现于一般河流所具有的供水、生态、环境等项功能,而且还必须具有一定的排洪、输沙基本功能。自20世纪80年代中期以后,由于来水来沙条件发生非协调性变异,黄河下游河道发生严重萎缩,中水河槽及主河槽(或称主槽)宽度缩窄,过水面积减小及过流能力下降,排洪输沙功能大大降低,致使“小洪水高水位大漫滩”的水沙灾害频繁发生。同时,还引起了水质恶化、河口湿地减少等一系列的生态问题。

  从防洪安全的角度讲,黄河下游河道排洪输沙功能降低所引起的问题主要表现在两个方面,一是使“二级悬河”形势加剧,二是“小水大灾”现象突出。

  黄河下游为著名的地上悬河,现行河床一般高出背河地面4~6m,最大达10m以上。“二级悬河”的存在,极易造成顺堤行洪,尤其在洪水漫滩时,较大的横比降易使洪水对大堤形成直接冲击,甚至造成大堤的冲决,给黄河下游的防洪安全造成严重的威胁。

  由于河槽的淤积萎缩,黄河下游河道排洪能力大大降低,到2002年,平滩流量已由20世纪80年代的5000~7000立方米/秒减少为不足3000立方米/秒。在目前的河槽状况下,黄河下游中小洪水致灾的威胁已非常严重。

  可见,如何通过人工调控的方法形成合理的水沙过程,塑造或维持具有一定排洪输沙功能的河道横断面形态,是黄河治理迫切需要解决的重大科学技术问题。

  因而,将缓解黄河下游河槽功能衰退的问题列入国家重点科技攻关计划加以研究是很有必要的。开展此项研究就在于通过揭示黄河下游河槽排洪输沙功能对河槽形态的响应关系和水沙过程对河槽形态的塑造作用,研究恢复河槽排洪输沙基本功能的水沙调控指标,从而利用小浪底等水库调节合理的水沙过程,提高黄河下游河道排洪输沙能力、减轻防洪压力及改善生态环境等。另外,通过本项研究对于推动河流学的发展也必将具有重要的意义。

  二、研发过程

  紧密结合黄河调水调沙的实践,采用原型观测资料分析、物理模型试验、理论研究和数学模型计算相结合的方法,研究维持黄河下游排洪输沙基本功能的关键技术。攻关的任务主要包括提出黄河下游排洪输沙基本功能判别指标,建立黄河下游不同水沙过程与河床形态调整的响应关系,提出维持黄河下游河槽排洪输沙基本功能的水沙调控体系,以及利用水库进行水沙调控的关键技术。

  依据课题任务书规定的研究任务和攻关目标,设置四个专题,包括(1)黄河下游排洪输沙基本功能判别指标;(2)黄河下游不同水沙过程与河床形态调整的响应关系;(3)维持黄河下游河槽排洪输沙基本功能的水沙调控指标体系;(4)水库水沙调控关键技术。

  课题任务书签订后,成立了课题组办公室,并由黄河水利科学研究院科技处副处长担任办公室秘书长;课题执行过程中,课题负责人认真组织、指导和协调了各专题的研究工作;为保证成果质量,课题组成立了课题常务咨询专家组。课题在近两年的攻关期间,先后召开三次全体常务咨询专家咨询会,另外,还召开部分专家咨询会四次,分别对课题工作大纲、各专题阶段成果、课题成果报告编制提纲等工作内容进行了咨询,并先后编发会议纪要7份。

  三、成果的主要创新点

  本课题主要创新点如下:

  1、根据黄河下游河道输沙和演变特点,结合自然、社会及生态等方面的约束条件,首次界定了黄河下游河槽排洪输沙基本功能的内涵,并提出了排洪功能表征指标即平滩流量、滩地分流比、水位涨幅和河槽断面形态等;输沙功能表征指标即排沙比、淤积比和断面形态等。

  2、在黄河中游各区间水沙历史资料分析的基础上,首次探讨了“泥沙频率”概念,并通过独立同分布检验,建立了潼关、龙门、华县站的“泥沙频率”曲线,定量界定了水沙丰平枯组合类型。

  3、根据大量实测洪水资料分析、理论推导及数学模型计算,对河槽排洪输沙基本功能的主导因子进行了权重分析,并首次提出了黄河下游河槽排洪输沙基本功能指标的阈值和范围。

  4、利用洪水、泥沙特征值,将黄河下游洪水进行了科学分类;研究了洪水过程中黄河下游河槽断面特征值与洪水特征值之间的数学表达式,表征了洪水过程与河床形态调整的响应关系,较以往研究成果有明显的突破。

  5、在分析黄河下游240多场洪水资料的基础上,研究提出了河道冲淤相对平衡条件下的分组泥沙含沙量、分组泥沙来沙系数。 

  6、考虑了前期径流、泥沙条件对当前河床形态的影响,研究了不同来水来沙与平滩流量的响应关系;综合黄河下游主槽演变规律、实体模型试验、数学模型研究成果,首次提出了近期塑造和维持黄河下游主槽的水沙过程及相应的径流量、泥沙量调控指标,洪水过程特征指标,包括流量、含沙量指标及洪水类型等。

  7、根据建立的维持黄河下游河槽排洪输沙基本功能水沙调控指标体系和研究提出的水沙调控方案,基于三门峡、小浪底等水库对水沙的调节作用和入库水沙过程的初始条件,完善了黄河中游水库群水沙联合调度模式,提出了水沙调控修正模型,水库群水沙调控方案集等。

  四、在实践中应用情况

  课题研究成果已应用于2005年、2006年黄河调水调沙预案和实施方案制定及高含沙洪水调度预案的制定、黄河流域(片)水资源综合规划、利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程的水库群调度方案制定等决策中。

  五、产生的效益

  经在治黄实际工作中应用,提高了治黄的科学性和工作效率,产生了非常明显的社会效益和经济效益。

  六、主要完成单位

  主要完成单位:(1)黄河水利科学研究院,(2)中国水利水电科学研究院,(3)清华大学。

  七、主要完成人

  姚文艺 李  勇 胡春宏 张金良 张原锋 苏运启 曲少军 张晓华

  陈建国 余  欣 王卫红 孙赞盈 戴  清 吴保生 李永亮


发布时间:2011年08月14日
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