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黄河水库群泥沙动态调控关键技术研究与展望

江恩慧 王远见 李军华 田世民

责任编辑:范江涛 来源:

  一、研究进展

  大型水利枢纽是调节河流水沙资源时空分布的重要工具。早期的水沙调控多处于盲目无序的状态,往往是人类在开发利用水资源的过程中发现了泥沙对水库与河道的影响,进而被动地采取相应的应对措施。20世纪以来,随着坝工技术的发展和水资源开发需求的增长,世界上不少国家开始了流域尺度的综合治理与系统开发,其一般模式是以高坝大库为“龙头”实施梯级开发,调节天然的径流泥沙过程,以最有效地利用水沙资源,实现流域自然功能和社会功能的协同发挥,包括密西西比河、田纳西河、莱茵河、尼罗河等河流均取得了不少成功的流域开发和水沙调控的实践经验。

  中华人民共和国成立以来,兴建了一大批水利水电工程,诸如水库、堤防、分蓄洪区、取水工程、航运工程、跨流域调水工程等,已经基本构成了各大流域防洪、发电、灌溉、供水和航运等工程体系。这些水利水电工程在造福社会的同时,也带来了一系列新的科学问题和社会问题。从科学意义上看,大坝的修建破坏了河流的连续性,大型控制性水库改变了下泄水沙过程,引起了上下游河流(湖)系统长时间、大范围的自适应调整,这种库区—河道—河口全河流系统对水沙过程变化的宏观调整规律、微观响应机制都是研究者关注的热点问题。另外,现有和在建的各类水利水电工程分属不同的利益主体,既有国家和地方政府,也有发电企业;既有国企,也有民企甚至外企。因此,从工程意义上就需要从流域系统整体的高度统筹考虑,实行流域综合管理和工程的统一调度,发挥流域梯级水库及区域水库群的联合调度优势,否则若各自为政,必将导致资源的无序和低效利用,社会的和谐和流域生态环境的协调也无法保证。

  流域的梯级开发和全流域的水沙调度是我国水电建设和管理的必然趋势。目前,我国的流域梯级水库群建设已初具规模,已建成或正在建设黄河上游、黄河中游、长江上游等12个重点水电基地,已形成了黄河、长江上游、清江、乌江等梯级水库群联合调度格局。

  根据ICOLD2012年发布的研究报告,全球已建水库总库容共7000立方千米,过去35年(1975~2009年)已淤积库容为2000立方千米,年均水库库容淤损比为0.8%。随着水库建设速度的逐渐放缓,水库泥沙淤积速度反而呈现明显加快的趋势。在美国,过去1个世纪有超过1200座大坝因泥沙淤积严重而被拆除,在区域尺度上,干旱区的水库淤积速度最快,尤以中东、非洲和亚太地区面临的挑战最为严峻。我国的水库泥沙平均年淤损率更高达2.3%,每年因淤积而损失的库容约为100亿立方米。

  水库泥沙淤积的严重挑战和水库群建设运行的实际需求,促使水库泥沙调控的理论与实践研究蓬勃开展。国外最早针对水库泥沙的可持续管理理念从20世纪50年代开始出现,到80年代相关研究开始显著增长。当前,水库泥沙淤积处理、泥沙调控和可持续管理已成为水库规划、设计、建设与运行阶段必须考虑的关键因素之一,大量相关研究成果已能够对工程师处理水库泥沙问题提供较为全面的技术支撑。

  在泥沙调度模型构建方面,有专家提出以水库下游河道形态变化最小为水库优化调度目标;也有提出以所在河网中水库群的泥沙冲淤量最小为最优化控制目标,并探索使用离散型最优化控制方法解决泥沙淤积问题。在实践方面,为解决科罗拉多河下游栖息地侵蚀、鱼类营养供给等问题,多次采取降水拉沙试验,改善了下游生态环境等;密西西比河流域的开发与治理越来越强调构建系统治理工程体系,兼顾防洪、航运、生态及娱乐等多方面的功能。

  我国受多沙河流游荡迁徙之苦,在水库泥沙调度的研究方面开展较早,整体处于国际领先水平。从20世纪50年代的官厅水库、60年代的三门峡水库开始,积累了大量水库泥沙淤积观测资料;在不平衡输沙、水库异重流、大坝下游河床演变与河道整治、多沙河流水库泥沙数学模型与实体模型模拟技术等方面均取得了显著进展。然而,受多种因素制约,水库修建后的社会问题和生态问题研究与发达国家相比一直处于“跟跑”状态。值得欣喜的是,近期有关生态系统响应,河口地貌、湿地演化等方面的研究也逐渐取得了不少成果。

  黄河是全世界泥沙问题最突出的河流,针对其水库群泥沙调度的研究也最为充分。早在20世纪60年代,以王化云为代表的老一代治黄专家即提出了“蓄水拦沙”的水沙调控思路;钱宁提出在黄河治理中应利用水库合理调节水沙过程,改变河流边界;王士强提出了考虑对黄河下游减淤效果较好的水库水沙调控方式;21世纪初,结合小浪底水库调水调沙试验,李国英提出了基于空间尺度的黄河调水调沙的调控理念,并进一步指出,追求小浪底水库异重流的较高排沙比是黄河汛前调水调沙的重要目标;江恩惠等应用寿命周期模式思考了三门峡水库的运用问题,提出了发挥三门峡水库与小浪底水库联调作用的运用建议;胡春宏等系统总结了“蓄清排浑”运用方式在实践中得到的优化和完善,提出了黄河三门峡水库、小浪底水库等工程运行方式进一步优化的建议;谈广鸣等构建了基于水库—河道耦合关系的水库多目标优化调度数学模型,并将该模型应用到黄河小浪底水库水沙联合调度的研究中,取得了显著的优化效果。

  需要特别指出的是,由于黄河稀缺的水资源和巨量的泥沙,因此黄河泥沙调度的目标与思路与一般河流显著不同,其基本出发点是在尽可能保障水资源充分利用的基础上,改善库区与河道的淤积环境,其主要矛盾是在水库淤积与河道淤积之间两害相权;而一般河流的泥沙调度则只需尽可能提高水库排沙能力,减轻水库泥沙淤积与下游持续冲刷之害,并不存在两难局面。因此即使从世界范围看,黄河的泥沙调控也具有其独特性。1956~2000年多年平均进入黄河下游的沙量为11.2亿吨,黄河下游河道持续淤积抬升,在该阶段黄河下游的防洪减淤是水库泥沙调控的重中之重。而进入21世纪以来,黄河水沙条件发生了深刻变化,黄河水沙调控体系初步建成。特别是随着综合国力的提升和国家区域经济协调发展战略、生态安全战略的推进,黄河流域“防洪安全—社会经济发展—生态环境改善”之间的关系亟待平衡与协调。

  在此背景下,黄河泥沙调度应在空间上覆盖全流域、功能上覆盖全维度,时间上覆盖短、中、长期,以实现黄河流域全河“行洪输沙—社会经济—生态环境”多功能协同发展为目标,建立全流域完整的泥沙动态调控理论、技术与工程体系。

  二、需解决的关键科学技术问题

  1.关键科学问题

  (1)多维协同的泥沙动态调控序贯决策理论。过去几十年,黄河泥沙调控关注的焦点主要是黄河下游防洪减淤。近年来的水量统一调度和调水调沙,兼顾了河口生态恢复和两岸乃至外流域社会经济发展需求,但调控时机、清水下泄造成的河势剧烈变化和取水困难等一系列自然与社会问题,引起了社会与学界的广泛关注。同时,水库淤积进程不可逆转,综合效益的发挥受到严重制约,特别是随着国家和社会对黄河治理提出更高要求,保障黄河行洪输沙—社会经济—生态环境等功能多维协同发展应成为水沙调控的主要目标。在水库调度中如何衡量水库—河道间、多维目标间的损益权衡关系,形成系统理论支撑水库群全局可行、总体较优的序贯决策,成为黄河泥沙动态调控的首要科学问题。

  (2)多沙河流水库高效输沙的水—沙—床互馈动力学机制。泥沙调控和水库淤积形态调整的互馈机制研究缺失,导致无法预测水库淤积形态演变和高效输沙的动力过程。目前,对库区溯源冲刷的认识主要基于经验判断及定性描述,牛顿流体理论无法完全适用异重流输移过程。因此,建立具有严格力学机制及物理意义的跌坎形成临界条件,阐释急缓流交替的水流流态与泥沙输移耦合关系,确定高含沙异重流运动长距离运移的动力学机制,揭示水库高效输沙的水—沙—床互馈动力学机制,是黄河泥沙动态调控的关键科学问题之二。

  (3)下游河流系统行洪输沙—社会经济—生态环境多过程耦合响应机制。泥沙调控直接影响下游水沙动力过程、河床形态与洲滩演变,进而影响生源物质、污染物质的时空分配和河漫滩土地利用方式等。多要素间有单向传递效应、双向互馈机制、多组分多过程耦合网络关系。这些复杂多过程耦合响应关系的解析与定量表达既是水沙、水环境、水生态等学科交叉的前沿问题,又是水库群泥沙调控下边界约束条件确定的关键。因此,在原型观测和数值模拟基础上,系统揭示泥沙调控与下游河流系统行洪输沙—社会经济—生态环境多过程耦合响应机制,是黄河泥沙调控的关键科学问题之三。

  2.关键技术问题

  (1)黄河泥沙动态调控指标体系构建技术。泥沙调控综合效益的影响因素错综复杂,调控效果的“时—空—量”尺度效应强烈且存在滞后响应。因此,要实现行洪输沙—社会经济—生态环境多维功能协同,必须统筹考虑变化的水沙过程、动态调整的边界约束条件、水库群组合方式,突破以防洪减淤为主的水沙调控指标体系构建方法,建立多目标多层次多组合的泥沙动态调控指标网络架构与指标体系,结合关键科学问题的突破,确定调控指标阈值。

  (2)水动力—强人工措施有机结合的泥沙动态调控技术。黄河水沙的严重不协调性导致单靠水动力无法完全解决水库淤积问题,水库泥沙处理和资源利用等强人工措施必须作为泥沙动态调控的有效补充手段。因此,急需耦合水动力调控技术、清水期泥沙负载技术、强人工措施处理水库泥沙成套技术,提出基于泥沙资源利用的水库与下游河道有效减淤技术路径,确定水动力—强人工措施有机结合的方式和时机。

  (3)泥沙动态调控模拟仿真系统多模型多尺度自适应耦合技术。泥沙动态调控是由水量调度、水库冲淤及河道输沙等多物理过程紧密耦合的系统工程。传统的多模型松散耦合方式无法真实反映各模型在不同尺度下数据间的传递与反馈关系,导致模型计算效率低、适应性差。因此,解决多模型耦合时空尺度转换准则及数据交换问题,构建多模型多尺度自适应耦合技术集成的泥沙动态调控模拟仿真系统,是实现水沙情势、工程情境与调度方式的智能识别和泥沙动态调控智慧决策的关键。

  (4)泥沙动态调控的防洪减淤—发电供水—生态环境等综合效益定量评价方法。传统泥沙调控效益评价多局限于水库安全、经济效益等,对防洪减淤、发电供水的社会效益和生态环境效益评价多停留在定性分析层面。因此,针对黄河特点,引入并发展国际先进的社会、生态价值定量评估方法,辨识和量化泥沙动态调控综合效益评价代表性指标,提出多层次多维度流域泥沙动态调控综合效益评估指标体系与评价方法,是实现水库群泥沙动态调控综合效益科学评价的关键。

  三、需开展研究的重点内容

  1.构建黄河泥沙动态调控的系统理论

  分析黄河水库群泥沙淤积的时空演变特征与调控能力;厘清行洪输沙、社会经济、生态环境等多维协同的泥沙动态调控软硬约束条件;构建东庄—渭河下游、万家寨(古贤)—北干流、干流龙刘万三小(龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底)—黄河下游河道、全流域干支流骨干枢纽群—下游河道—河口系统不同时空尺度的泥沙动态调控目标函数;提出基于河流系统治理的黄河泥沙动态调控序贯决策理论。

  2.阐明水库泥沙高效输移机制

  建立水库溯源冲刷过程中急缓交替的水流运动控制方程,揭示溯源冲刷水沙动力过程及其对泥沙动态调控的响应机制;探明清水与异重流交界面处紊流掺混特征、异重流与床面交界面处泥沙起动与阻力关系,建立水—沙—床耦合的动力学控制方程,阐明异重流长距离稳定运移的动力学机制和临界条件;量化串并联水库蓄泄时序对库区和下游河道水沙输移的叠加效应,明晰水沙过程整体优化的水库群时空对接时机及调控效应。

  3.揭示下游河流系统对泥沙动态调控的多过程综合响应机制

  阐明下游河道物质组成与能量耗散沿程分布对泥沙动态调控过程的响应规律,揭示下游河道演变对泥沙动态调控的多时空尺度响应机制,提出下游河势控导工程优化布局;揭示下游河流生态系统对多重胁迫泥沙动态调控的响应机制;厘清泥沙动态调控对滩区土地利用方式的影响机制;构建水沙—水质—水生态—社会经济多过程耦合的网络模型系统,预测不同泥沙动态调控情景下下游河道行洪输沙—社会经济—生态环境系统的演变趋势。

  4.提出黄河泥沙动态调控模式与技术

  建立黄河泥沙动态调控指标体系,确定不同水库运行阶段和不同水沙条件下调控指标阈值;构建中长期和场次洪水条件下多维功能协同共赢的黄河泥沙动态调控模式;提出基于水动力—强人工措施有机结合的单—多库泥沙动态调控技术。

  5.建设黄河泥沙动态调控模型与智慧决策平台

  研究泥沙动态调控多模型耦合的时空尺度转换准则和数据交换机制,构建多模型自适应模拟仿真系统;设计水库(群)不同运用阶段、不同调控目标、不同水沙条件和不同工程布局情境下场次洪水和系列年调控方案;辨识泥沙动态调控防洪减淤—发电供水—生态环境等综合效益评价代表性指标,构建综合效益评价指标体系和评价模型;开展方案对比计算,量化不同调控方案的综合效益;建设黄河干支流水库水文泥沙、经济社会与生态环境基础数据库,构建泥沙动态调控智慧决策平台。

  四、结语

  黄河流域水沙调控“调水容易调沙难”,难在动态变化,难在系统治理,即流域的来水来沙条件是动态变化的,库区—河道边界约束条件是动态调整的,区域社会经济发展和生态健康维持的需求是动态增长的。特别是针对黄河水少沙多的现实状况,黄河水沙调控今后不仅要注重水量的适应性调度,更要进一步突出泥沙的动态调控,以水文学、水力学及河流动力学、河床演变学等传统学科为基础,综合运用系统论、社会学、经济学、生态学、信息学等多学科的交叉前沿,从河流系统的层面构建完整的黄河泥沙动态调控理论与技术体系。注重时空尺度、功能维度上宏观与微观的结合、局部与整体的协调,将空间上上—中—下游、时间上短—中—长期、功能上行洪输沙—社会经济—生态环境统筹兼顾,最大程度发掘已建和在(待)建水库群的泥沙动态调控潜力,为进一步完善当前水沙动态调控工程建设体系,协调水沙关系,实现黄河长治久安提供坚实的科技支撑。


发布时间:2019年06月25日
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