時間：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、防洪等方面產生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，但同時也帶來了一些問題，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，人們在長期治黃實踐中，探索了處理和利用泥沙的五項措施，即“攔”“排”“放”“調”“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”，簡單地說就是人工挖河；
“調”，就是調水調沙，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節(jié)庫容，對水沙進行有效的控制和調節(jié)，適時蓄存或泄放，調整天然水沙過程，使不協(xié)調的水沙過程盡可能協(xié)調，以便于河道輸送泥沙，減輕河道淤積，甚至達到不淤或沖刷的效果。
水庫群（串、并聯(lián)）調度技術是開發(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)合調度更是當前優(yōu)化調度學科前沿課題，也是水庫泥沙、河道泥沙、優(yōu)化調度、洪水預報等學科相結合的邊緣學科。
《黃河水沙聯(lián)合調度關鍵問題與實踐》（張金良著. 北京：科學出版社，2020.3）一書針對水沙聯(lián)合調度所涉及的有關問題，從水沙預測、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動特征分析、高含沙洪水“揭河底”機理、水庫泥沙淤積的相關分析與神經(jīng)網(wǎng)絡快速預測模型建立、水庫異重流調度、水庫汛期渾水發(fā)電與優(yōu)化調度、水庫群聯(lián)合調度方式、調水調沙調度實踐等方面進行了研究，取得了較為系統(tǒng)的研究成果。
主要成果包括以下幾點。
01
通過對三門峽水庫的來水來沙特性進行總結，并利用動力系統(tǒng)理論，分析了入庫潼關水文站水沙系列的混沌性，計算了潼關站水沙系列的延遲時間，運用神經(jīng)網(wǎng)絡方法和自相關滑動平均模型對潼關站的水沙量進行預測分析，提出建立泥沙頻率曲線的構想，并對潼關站來水來沙的頻率進行了預測。
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，即河床質分層假定，并在實際觀測中得到了驗證。導出“揭河底”厚度的理論公式，揭示了高含沙水流“揭河底”現(xiàn)象的基本機理，將渭河下游、小北干流河段“揭河底”厚度計算公式統(tǒng)一起來；利用該理論分段預測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識到的復雜規(guī)律，在河流動力學和泥沙學領域，有待于深入系統(tǒng)地研究。通過此次分析研究和實測資料計算驗證，初步認為：當河床因淤積使縱比降和橫斷面形態(tài)調整到一定程度并發(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，水體動能向底層傳遞，底層紊動、脈動特性增強，在忽略層間咬（黏）合力和塊體間邊界垂向剪應力的條件下，水體可能掀動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。當河床淤積物塊體厚度小于計算值時，渦旋引起的垂向脈動增強可促發(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）起動方式為脈動壓力起動。
03
采用綜合物理成因分析法及逐步線性、非線性回歸模型，對汛期潼關高程與各影響因子間的相關度問題，進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果，建立庫區(qū)淤積量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡快速預測模型，采用非線性預測方法對庫區(qū)總體淤積量進行即時模擬和快速預測。
04
簡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、異重流輸沙特點和水庫回水淤積、異重流淤積特點，對小浪底水庫異重流形成（潛入）條件、持續(xù)條件、持續(xù)時間、淤積量進行了研究。結合小浪底庫區(qū)地形特點，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，設計了三門峽、小浪底水庫異重流聯(lián)合調度方案，達到了增加小浪底水庫壩前泥沙淤積鋪蓋的調度效果。
05
對黃河三門峽水庫渾水發(fā)電進行了總結，認為“洪水排沙、平水發(fā)電”的運用原則和方式能比較好地協(xié)調排沙與發(fā)電的關系，在減少過機含沙量、改善機組工況、增加發(fā)電時間和提高水量利用率等方面取得了較好效果。針對三門峽水庫汛期多目標綜合化調度，將遺傳優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡快速預測模型相結合，建立了水庫多目標優(yōu)化調度計算模型，尋求在滿足防洪限制水位的要求下達到發(fā)電與排沙的協(xié)調。
通過遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的多目標優(yōu)化調度，可以得到當采用泥沙淤積量與發(fā)電量多目標同時調度，即將泥沙作為主要目標調度同時兼顧發(fā)電量時，1997～1999年汛期三門峽總體沖刷量3.29 億t，而汛期總體發(fā)電量達到12 億kW·h 左右；當汛期僅以沖沙為目的進行調度時，三年的汛期沖刷量為4.36 億t，發(fā)電量僅為10 億kW·h 多，較多目標調度減少近15%。當以排沙為目的進行汛期調度時庫平均水位為302.3m，當以發(fā)電為目標調度時庫平均運行水位達303.9m，這也說明了降低水位排沙的必要性。三門峽庫區(qū)汛期水沙調度的基本特點是：當來沙量較大時，水庫應該降低水位，一般情況下將平穩(wěn)運行期的水位保持在302m 左右就可以達到汛期排沙的基本要求；當來流含沙量較小時，可以適當提升水庫運行水位到304m 左右，在此水位下樞紐有一定的排沙能力，同時也可以兼顧發(fā)電效益，同時若短期內關閉發(fā)電機，采用大流量沖沙，還可以帶動整個庫區(qū)進行泥沙的輸送。
06
研究提出了黃河水沙聯(lián)合調度的多種調控模式，包括以小浪底水庫蓄水為主進行的單庫調控方式，三門峽和小浪底兩個水庫進行的聯(lián)合調控方式，萬家寨、三門峽、小浪底三個水庫進行的聯(lián)合調控方式，小浪底、三門峽、故縣、陸渾四個水庫進行的聯(lián)合調控方式以及萬家寨、小浪底、三門峽、故縣、陸渾五個水庫進行的聯(lián)合調控方式，同時從調控流量、調控歷時、調控含沙量、下游河道形態(tài)與泥沙沖淤的關系等方面研究了水沙聯(lián)合調度關鍵技術，利用實體模型、數(shù)學模型和原型實驗進行了方案比選。
07
介紹了2002 年以來19 次調水調沙調度實踐和效果，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，黃河下游嚴峻的防洪形勢得到了有效緩解，黃河河口生態(tài)環(huán)境也得到了明顯的改善。
該書作者長期工作在治黃一線，是黃河調水調沙試驗方案的主要技術負責人和調度負責人。作者系統(tǒng)剖析總結了黃河水沙聯(lián)合調度所涉及的各個環(huán)節(jié)和關鍵科學技術問題，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)象的機理，分析了潼關高程變化過程及原因，構建了庫區(qū)泥沙淤積模型，提出了水庫排沙和異重流調度方式，以及水庫汛期渾水發(fā)電和優(yōu)化調度技術，為黃河調水調沙提供了技術支撐。自2002年黃河首次開展調水調沙調度，至今已經(jīng)進行了3 次試驗調度和16 次生產調度，實現(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。 黃河治理與保護是一項長期復雜的系統(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、設計、管理及高等院校的教學工作者提供技術參考和實踐經(jīng)驗，同時亦將為黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實施提供技術支撐。
中國工程院院士
英國皇家工程院外籍院士
南京水利科學研究院名譽院長
2019 年12 月16 日
