黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控研究

摘要

近年来,受气候变化、沙漠扩张、水库调蓄、用水增加等影响,黄河上游沙漠宽谷河段河道水沙关系变异,河槽萎缩,在干流、支流形成了“新悬河”,导致宁蒙河段“小水致大灾”,洪凌灾害频发,直接危及黄河的河道安全。本文研究了黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控,旨在通过黄河上游梯级水库群水沙联合调度,人工塑造适宜于冲刷河道的洪峰过程,远距离冲沙输沙,改善上游河道不和谐的水沙关系,减缓河道淤积。因此,研究成果对于对维护宁蒙河段冲淤的相对平衡、保障凌洪安全以及丰富梯级水库群水沙联合优化调度理论,具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文针对黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控问题,基于以往黄河泥沙治理的经验和成果,对梯级水库运行对下游河道的冲淤影响、河道输沙规律及过流能力、水沙调控指标及方案集、水沙联合调控模型建立及求解等进行了深入的研究,取得的主要成果如下:
　　(1)提出了黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控模式,即以水库“调”为主,“固-拦-放-挖”为辅的综合水沙调控模式;考虑上游梯级水库群防洪防凌、供水、发电、冲沙输沙等多调控目标,对黄河水沙调控的基本概念重新定义,分析了现有水沙调控的目标、手段、模型和方法等,奠定了梯级水库群水沙调控的理论基础。
　　(2)根据黄河上游梯级水库历年运行情况和沙漠宽谷河段冲淤变化数据,从正反两方面分析了水库运行对下游河道冲淤的影响;借鉴小浪底调水调沙成功经验,从水库的调控库容、可调水量、调控流量、以及洪水对河道的冲刷效果等因素的分析,论证了水库进行水沙调控的合理性和可行性。
　　(3)由各区间河段流量与河道冲淤量的响应关系,阐明了各河段的水沙规律,得出了黄河上游沙漠宽谷河段各区间水沙阈值系列,回答了“多大流量能冲动多大含沙量的细颗粒泥沙”这一关键问题;建立了场次洪水输沙量计算模型,确定了各断面的输沙能力,回答了“不同场次洪水能够带走多少泥沙”这一关键问题,为量化流量与冲淤量的转化效果、分析水沙调控方案提供了科学的理论依据。
　　(4)在构建研究区域标准化黄河堤防以及保证河道过流安全的前提下,得到了各河段的平滩流量和最大流量,量化了河道过流能力,为在安全条件下进行水沙调控创造了条件。构建了黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控指标体系,给出了水沙调控方案集。
　　(5)建立了多目标梯级水库群水沙联合优化调度模型,采用基于可行搜索空间结构优化的改进粒子群算法对模型进行了求解,论证了模型及算法的合理性、准确性、可靠性和先进性;通过方案计算获得了各调控方案的全局均衡解。
　　(6)获得了不同年份、不同调控主体、不同调控手段情景下的调控成果;揭示了各调控目标之间的转化规律;量化了梯级水库参与水沙调控效果,估算了“固-拦-放-挖”其他调控手段的水沙调控效果和贡献率,提出了水沙调控可持续发展的调控策略。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究的背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究进展

1.4 主要研究内容与技术路线

1.5 本章小结

参考文献

2 研究对象及资料

2.1 研究区域概况

2.2 基本资料

2.3 本章小结

参考文献

3 梯级水库群水沙调控理论研究

3.1 水沙调控的基本概念

3.2 水沙调控的途径与模式

3.3 水沙调控模型

3.4 求解水沙调控模型的算法

3.5 本章小结

参考文献

4 梯级水库运行及其对下游河道冲淤影响分析

4.1 黄河上游梯级水电站运行方式

4.2 黄河上游梯级水电站运行情况分析

4.3 黄河上游沙漠宽谷河段河道冲淤变化分析

4.4 梯级水库运行与下游河道冲淤的关系

4.5 水库参与水沙调控的可行性探讨

4.6 水沙调控水库及时机的选择

4.7 本章小结

参考文献

5 黄河上游沙漠宽谷河段输沙能力及过水能力分析

5.1 水沙规律分析

5.2 河道输沙能力分析

5.3 关键控制断面及危险河段过流能力

5.4 本章小结

参考文献

6 水沙调控指标的选取及方案集构建

6.1 水沙调控指标体系

6.2 水沙调控方案集的构建

6.3 本章小结

参考文献

7 梯级水库群多目标水沙调控模型的建立及求解

7.1 梯级水库群多目标水沙调控模型的建立

7.2 梯级水库群水沙调控模型的求解

7.3 实例计算

7.4 计算结果及分析

7.5 本章小结

参考文献

8 沙漠宽谷河段水沙调控成果及其分析

8.1 不同年份水沙调控成果及其分析

8.2 不同调控主体水沙调控成果及其分析

8.3 不同调控手段组合调控成果

8.4 水沙调控可持续发展的调控策略

8.5 本章小结

参考文献

9 结论与展望

9.1 结论

9.2 主要创新点

9.3 展望

致谢

附录