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黃河水庫群泥沙動態調控關鍵技術研究與展望

江恩慧 王遠見 李軍華 田世民

責任編輯:范江濤 來源:

  一、研究進展

  大型水利樞紐是調節河流水沙資源時空分布的重要工具。早期的水沙調控多處于盲目無序的狀態,往往是人類在開發利用水資源的過程中發現了泥沙對水庫與河道的影響,進而被動地采取相應的應對措施。20世紀以來,隨著壩工技術的發展和水資源開發需求的增長,世界上不少國家開始了流域尺度的綜合治理與系統開發,其一般模式是以高壩大庫為“龍頭”實施梯級開發,調節天然的徑流泥沙過程,以最有效地利用水沙資源,實現流域自然功能和社會功能的協同發揮,包括密西西比河、田納西河、萊茵河、尼羅河等河流均取得了不少成功的流域開發和水沙調控的實踐經驗。

  中華人民共和國成立以來,興建了一大批水利水電工程,諸如水庫、堤防、分蓄洪區、取水工程、航運工程、跨流域調水工程等,已經基本構成了各大流域防洪、發電、灌溉、供水和航運等工程體系。這些水利水電工程在造福社會的同時,也帶來了一系列新的科學問題和社會問題。從科學意義上看,大壩的修建破壞了河流的連續性,大型控制性水庫改變了下泄水沙過程,引起了上下游河流(湖)系統長時間、大范圍的自適應調整,這種庫區—河道—河口全河流系統對水沙過程變化的宏觀調整規律、微觀響應機制都是研究者關注的熱點問題。另外,現有和在建的各類水利水電工程分屬不同的利益主體,既有國家和地方政府,也有發電企業;既有國企,也有民企甚至外企。因此,從工程意義上就需要從流域系統整體的高度統籌考慮,實行流域綜合管理和工程的統一調度,發揮流域梯級水庫及區域水庫群的聯合調度優勢,否則若各自為政,必將導致資源的無序和低效利用,社會的和諧和流域生態環境的協調也無法保證。

  流域的梯級開發和全流域的水沙調度是我國水電建設和管理的必然趨勢。目前,我國的流域梯級水庫群建設已初具規模,已建成或正在建設黃河上游、黃河中游、長江上游等12個重點水電基地,已形成了黃河、長江上游、清江、烏江等梯級水庫群聯合調度格局。

  根據ICOLD2012年發布的研究報告,全球已建水庫總庫容共7000立方千米,過去35年(1975~2009年)已淤積庫容為2000立方千米,年均水庫庫容淤損比為0.8%。隨著水庫建設速度的逐漸放緩,水庫泥沙淤積速度反而呈現明顯加快的趨勢。在美國,過去1個世紀有超過1200座大壩因泥沙淤積嚴重而被拆除,在區域尺度上,干旱區的水庫淤積速度最快,尤以中東、非洲和亞太地區面臨的挑戰最為嚴峻。我國的水庫泥沙平均年淤損率更高達2.3%,每年因淤積而損失的庫容約為100億立方米。

  水庫泥沙淤積的嚴重挑戰和水庫群建設運行的實際需求,促使水庫泥沙調控的理論與實踐研究蓬勃開展。國外最早針對水庫泥沙的可持續管理理念從20世紀50年代開始出現,到80年代相關研究開始顯著增長。當前,水庫泥沙淤積處理、泥沙調控和可持續管理已成為水庫規劃、設計、建設與運行階段必須考慮的關鍵因素之一,大量相關研究成果已能夠對工程師處理水庫泥沙問題提供較為全面的技術支撐。

  在泥沙調度模型構建方面,有專家提出以水庫下游河道形態變化最小為水庫優化調度目標;也有提出以所在河網中水庫群的泥沙沖淤量最小為最優化控制目標,并探索使用離散型最優化控制方法解決泥沙淤積問題。在實踐方面,為解決科羅拉多河下游棲息地侵蝕、魚類營養供給等問題,多次采取降水拉沙試驗,改善了下游生態環境等;密西西比河流域的開發與治理越來越強調構建系統治理工程體系,兼顧防洪、航運、生態及娛樂等多方面的功能。

  我國受多沙河流游蕩遷徙之苦,在水庫泥沙調度的研究方面開展較早,整體處于國際領先水平。從20世紀50年代的官廳水庫、60年代的三門峽水庫開始,積累了大量水庫泥沙淤積觀測資料;在不平衡輸沙、水庫異重流、大壩下游河床演變與河道整治、多沙河流水庫泥沙數學模型與實體模型模擬技術等方面均取得了顯著進展。然而,受多種因素制約,水庫修建后的社會問題和生態問題研究與發達國家相比一直處于“跟跑”狀態。值得欣喜的是,近期有關生態系統響應,河口地貌、濕地演化等方面的研究也逐漸取得了不少成果。

  黃河是全世界泥沙問題最突出的河流,針對其水庫群泥沙調度的研究也最為充分。早在20世紀60年代,以王化云為代表的老一代治黃專家即提出了“蓄水攔沙”的水沙調控思路;錢寧提出在黃河治理中應利用水庫合理調節水沙過程,改變河流邊界;王士強提出了考慮對黃河下游減淤效果較好的水庫水沙調控方式;21世紀初,結合小浪底水庫調水調沙試驗,李國英提出了基于空間尺度的黃河調水調沙的調控理念,并進一步指出,追求小浪底水庫異重流的較高排沙比是黃河汛前調水調沙的重要目標;江恩惠等應用壽命周期模式思考了三門峽水庫的運用問題,提出了發揮三門峽水庫與小浪底水庫聯調作用的運用建議;胡春宏等系統總結了“蓄清排渾”運用方式在實踐中得到的優化和完善,提出了黃河三門峽水庫、小浪底水庫等工程運行方式進一步優化的建議;談廣鳴等構建了基于水庫—河道耦合關系的水庫多目標優化調度數學模型,并將該模型應用到黃河小浪底水庫水沙聯合調度的研究中,取得了顯著的優化效果。

  需要特別指出的是,由于黃河稀缺的水資源和巨量的泥沙,因此黃河泥沙調度的目標與思路與一般河流顯著不同,其基本出發點是在盡可能保障水資源充分利用的基礎上,改善庫區與河道的淤積環境,其主要矛盾是在水庫淤積與河道淤積之間兩害相權;而一般河流的泥沙調度則只需盡可能提高水庫排沙能力,減輕水庫泥沙淤積與下游持續沖刷之害,并不存在兩難局面。因此即使從世界范圍看,黃河的泥沙調控也具有其獨特性。1956~2000年多年平均進入黃河下游的沙量為11.2億噸,黃河下游河道持續淤積抬升,在該階段黃河下游的防洪減淤是水庫泥沙調控的重中之重。而進入21世紀以來,黃河水沙條件發生了深刻變化,黃河水沙調控體系初步建成。特別是隨著綜合國力的提升和國家區域經濟協調發展戰略、生態安全戰略的推進,黃河流域“防洪安全—社會經濟發展—生態環境改善”之間的關系亟待平衡與協調。

  在此背景下,黃河泥沙調度應在空間上覆蓋全流域、功能上覆蓋全維度,時間上覆蓋短、中、長期,以實現黃河流域全河“行洪輸沙—社會經濟—生態環境”多功能協同發展為目標,建立全流域完整的泥沙動態調控理論、技術與工程體系。

  二、需解決的關鍵科學技術問題

  1.關鍵科學問題

  (1)多維協同的泥沙動態調控序貫決策理論。過去幾十年,黃河泥沙調控關注的焦點主要是黃河下游防洪減淤。近年來的水量統一調度和調水調沙,兼顧了河口生態恢復和兩岸乃至外流域社會經濟發展需求,但調控時機、清水下泄造成的河勢劇烈變化和取水困難等一系列自然與社會問題,引起了社會與學界的廣泛關注。同時,水庫淤積進程不可逆轉,綜合效益的發揮受到嚴重制約,特別是隨著國家和社會對黃河治理提出更高要求,保障黃河行洪輸沙—社會經濟—生態環境等功能多維協同發展應成為水沙調控的主要目標。在水庫調度中如何衡量水庫—河道間、多維目標間的損益權衡關系,形成系統理論支撐水庫群全局可行、總體較優的序貫決策,成為黃河泥沙動態調控的首要科學問題。

  (2)多沙河流水庫高效輸沙的水—沙—床互饋動力學機制。泥沙調控和水庫淤積形態調整的互饋機制研究缺失,導致無法預測水庫淤積形態演變和高效輸沙的動力過程。目前,對庫區溯源沖刷的認識主要基于經驗判斷及定性描述,牛頓流體理論無法完全適用異重流輸移過程。因此,建立具有嚴格力學機制及物理意義的跌坎形成臨界條件,闡釋急緩流交替的水流流態與泥沙輸移耦合關系,確定高含沙異重流運動長距離運移的動力學機制,揭示水庫高效輸沙的水—沙—床互饋動力學機制,是黃河泥沙動態調控的關鍵科學問題之二。

  (3)下游河流系統行洪輸沙—社會經濟—生態環境多過程耦合響應機制。泥沙調控直接影響下游水沙動力過程、河床形態與洲灘演變,進而影響生源物質、污染物質的時空分配和河漫灘土地利用方式等。多要素間有單向傳遞效應、雙向互饋機制、多組分多過程耦合網絡關系。這些復雜多過程耦合響應關系的解析與定量表達既是水沙、水環境、水生態等學科交叉的前沿問題,又是水庫群泥沙調控下邊界約束條件確定的關鍵。因此,在原型觀測和數值模擬基礎上,系統揭示泥沙調控與下游河流系統行洪輸沙—社會經濟—生態環境多過程耦合響應機制,是黃河泥沙調控的關鍵科學問題之三。

  2.關鍵技術問題

  (1)黃河泥沙動態調控指標體系構建技術。泥沙調控綜合效益的影響因素錯綜復雜,調控效果的“時—空—量”尺度效應強烈且存在滯后響應。因此,要實現行洪輸沙—社會經濟—生態環境多維功能協同,必須統籌考慮變化的水沙過程、動態調整的邊界約束條件、水庫群組合方式,突破以防洪減淤為主的水沙調控指標體系構建方法,建立多目標多層次多組合的泥沙動態調控指標網絡架構與指標體系,結合關鍵科學問題的突破,確定調控指標閾值。

  (2)水動力—強人工措施有機結合的泥沙動態調控技術。黃河水沙的嚴重不協調性導致單靠水動力無法完全解決水庫淤積問題,水庫泥沙處理和資源利用等強人工措施必須作為泥沙動態調控的有效補充手段。因此,急需耦合水動力調控技術、清水期泥沙負載技術、強人工措施處理水庫泥沙成套技術,提出基于泥沙資源利用的水庫與下游河道有效減淤技術路徑,確定水動力—強人工措施有機結合的方式和時機。

  (3)泥沙動態調控模擬仿真系統多模型多尺度自適應耦合技術。泥沙動態調控是由水量調度、水庫沖淤及河道輸沙等多物理過程緊密耦合的系統工程。傳統的多模型松散耦合方式無法真實反映各模型在不同尺度下數據間的傳遞與反饋關系,導致模型計算效率低、適應性差。因此,解決多模型耦合時空尺度轉換準則及數據交換問題,構建多模型多尺度自適應耦合技術集成的泥沙動態調控模擬仿真系統,是實現水沙情勢、工程情境與調度方式的智能識別和泥沙動態調控智慧決策的關鍵。

  (4)泥沙動態調控的防洪減淤—發電供水—生態環境等綜合效益定量評價方法。傳統泥沙調控效益評價多局限于水庫安全、經濟效益等,對防洪減淤、發電供水的社會效益和生態環境效益評價多停留在定性分析層面。因此,針對黃河特點,引入并發展國際先進的社會、生態價值定量評估方法,辨識和量化泥沙動態調控綜合效益評價代表性指標,提出多層次多維度流域泥沙動態調控綜合效益評估指標體系與評價方法,是實現水庫群泥沙動態調控綜合效益科學評價的關鍵。

  三、需開展研究的重點內容

  1.構建黃河泥沙動態調控的系統理論

  分析黃河水庫群泥沙淤積的時空演變特征與調控能力;厘清行洪輸沙、社會經濟、生態環境等多維協同的泥沙動態調控軟硬約束條件;構建東莊—渭河下游、萬家寨(古賢)—北干流、干流龍劉萬三小(龍羊峽、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底)—黃河下游河道、全流域干支流骨干樞紐群—下游河道—河口系統不同時空尺度的泥沙動態調控目標函數;提出基于河流系統治理的黃河泥沙動態調控序貫決策理論。

  2.闡明水庫泥沙高效輸移機制

  建立水庫溯源沖刷過程中急緩交替的水流運動控制方程,揭示溯源沖刷水沙動力過程及其對泥沙動態調控的響應機制;探明清水與異重流交界面處紊流摻混特征、異重流與床面交界面處泥沙起動與阻力關系,建立水—沙—床耦合的動力學控制方程,闡明異重流長距離穩定運移的動力學機制和臨界條件;量化串并聯水庫蓄泄時序對庫區和下游河道水沙輸移的疊加效應,明晰水沙過程整體優化的水庫群時空對接時機及調控效應。

  3.揭示下游河流系統對泥沙動態調控的多過程綜合響應機制

  闡明下游河道物質組成與能量耗散沿程分布對泥沙動態調控過程的響應規律,揭示下游河道演變對泥沙動態調控的多時空尺度響應機制,提出下游河勢控導工程優化布局;揭示下游河流生態系統對多重脅迫泥沙動態調控的響應機制;厘清泥沙動態調控對灘區土地利用方式的影響機制;構建水沙—水質—水生態—社會經濟多過程耦合的網絡模型系統,預測不同泥沙動態調控情景下下游河道行洪輸沙—社會經濟—生態環境系統的演變趨勢。

  4.提出黃河泥沙動態調控模式與技術

  建立黃河泥沙動態調控指標體系,確定不同水庫運行階段和不同水沙條件下調控指標閾值;構建中長期和場次洪水條件下多維功能協同共贏的黃河泥沙動態調控模式;提出基于水動力—強人工措施有機結合的單—多庫泥沙動態調控技術。

  5.建設黃河泥沙動態調控模型與智慧決策平臺

  研究泥沙動態調控多模型耦合的時空尺度轉換準則和數據交換機制,構建多模型自適應模擬仿真系統;設計水庫(群)不同運用階段、不同調控目標、不同水沙條件和不同工程布局情境下場次洪水和系列年調控方案;辨識泥沙動態調控防洪減淤—發電供水—生態環境等綜合效益評價代表性指標,構建綜合效益評價指標體系和評價模型;開展方案對比計算,量化不同調控方案的綜合效益;建設黃河干支流水庫水文泥沙、經濟社會與生態環境基礎數據庫,構建泥沙動態調控智慧決策平臺。

  四、結語

  黃河流域水沙調控“調水容易調沙難”,難在動態變化,難在系統治理,即流域的來水來沙條件是動態變化的,庫區—河道邊界約束條件是動態調整的,區域社會經濟發展和生態健康維持的需求是動態增長的。特別是針對黃河水少沙多的現實狀況,黃河水沙調控今后不僅要注重水量的適應性調度,更要進一步突出泥沙的動態調控,以水文學、水力學及河流動力學、河床演變學等傳統學科為基礎,綜合運用系統論、社會學、經濟學、生態學、信息學等多學科的交叉前沿,從河流系統的層面構建完整的黃河泥沙動態調控理論與技術體系。注重時空尺度、功能維度上宏觀與微觀的結合、局部與整體的協調,將空間上上—中—下游、時間上短—中—長期、功能上行洪輸沙—社會經濟—生態環境統籌兼顧,最大程度發掘已建和在(待)建水庫群的泥沙動態調控潛力,為進一步完善當前水沙動態調控工程建設體系,協調水沙關系,實現黃河長治久安提供堅實的科技支撐。


發布時間:2019年06月25日
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