内容简介
《黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控关键技术》紧扣黄河重大国家战略需求，针对泥沙动态调控这一长期困扰治黄实践的技术难题，提出黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控序贯决策理论，揭示水库高效输沙机理及泥沙资源利用与动态调控互馈效应，阐明下游河道河流系统对泥沙动态调控的多过程响应机理，研发水动力-强人工措施有机结合的泥沙动态调控技术体系，构建集“过程模拟—效益评价—方案优选”于一体的泥沙动态调控智慧决策平台。
精彩书摘
第1章绪论
1.1研究背景
黄河是全球泥沙问题*为严重和*复杂难治的河流，泥沙调控是长期困扰治黄实践的关键技术难题。自20世纪60年代三门峡水库运行以来，重点围绕黄河防洪减淤目标，开展了长期的水沙调控科学研究与工程实践，创造性地提出了“蓄清排浑”“拦粗排细”等多沙河流水库调度方式，得到国内外的高度认同。特别是2000年以来，随着以龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等骨干枢纽为主体的黄河水沙调控工程体系初步形成，以小浪底水库为核心的黄河调水调沙试验和持续的工程实践的水沙调控效果得到明显提升，而且在防洪防凌安全和全河水量统一调度、水资源高效利用等方面发挥了巨大作用。
然而，调水容易调沙难。和所有多沙河流水库一样，黄河干支流水库多年的持续运行，使泥沙不断淤积，侵占水库有效库容，造成水库防洪能力降低、供水发电和灌溉等综合效益下降。同时，我们还要清醒地意识到，虽然近年来黄河的来沙量大幅度减少，但黄河流域“水少沙多、水沙关系不协调”的特性尚未根本改变。特别是，随着黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略的推进，如何有效恢复已建水库的淤损库容，提升水库洪水资源化利用（水资源利用）效率，对水库淤积的存量泥沙和未来洪水过程中的增量泥沙实施动态调控，成为水沙调控这一难题的新焦点和新热点。
面对我国区域协调发展战略、乡村振兴战略、生态文明建设等新形势、新要求，面对黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略与国家水资源高效开发利用的新需求，本就水资源极度贫乏的黄河供水区范围不断扩大，黄河流域研究成为一个广域的黄河流域概念；同时，在当今泥沙资源属性日益凸显、泥沙处理与资源利用技术逐步完善的前提下，黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控面临难得的历史机遇与巨大的理论突破和技术创新的挑战，黄河水沙调控不仅要注重水量的适应性调度，更要强调泥沙的动态调控，提升调沙的能力和技术水平，为实现河流系统行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能协同的目标奠定基础。
在“十三五”国家重点研发计划项目的支持下，我们紧扣国家重大战略的迫切需求，融合系统工程、河流泥沙、信息工程等多学科理论研究*新成果，加强跟踪性原型观测，以理论研究、模型试验与数值模拟、地理信息技术等手段为支撑，按照“目标与约束—过程与机理—技术与方案—策略与示范”的总体思路，系统开展了黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态关键技术研究。
1.2研究现状
1.2.1国内外研究现状
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（张庆宁，1993）。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，*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（张庆宁，1993）、田纳西河（谈国良和万军，2002）、莱茵河（赵纯厚等，2000）、尼罗河（曹文洪和陈东，1998）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，我国兴建了一大批水利水电工程，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、微观响应机理都是研究者关注的热点问题。另外，已建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（黄强和畅建霞，2007），若各自为政，必将导致资源的无序和低效利用，社会经济的高质量发展和流域生态环境的可持续性就无法保证。
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。表1-1为黄河流域干流和主要支流的大型水库建设情况（李会安，2000；李国英，2004）。
根据国际大坝委员会（ICOLD）2012年发布的研究报告，全球已建水库总库容共7000km3，过去35年已淤积库容为2000km3，年均水库库容淤损率为0.8%。随着水库建
目录
目录
总序
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 国内外研究现状 2
1.2.2 亟待解决的关键问题 5
1.3 研究内容与思路 6
1.3.1 研究范围 6
1.3.2 研究内容 7
1.3.3 技术路线 8
1.4 主要创新成果 11
第2章 黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控序贯决策理论 13
2.1 黄河干支流水库泥沙淤积时空演变特征与现行调控能力 13
2.1.1 黄河干支流骨干枢纽群泥沙淤积时空演变特征 13
2.1.2 黄河干支流水库及水库群的现行调控能力 19
2.1.3 黄河干支流骨干枢纽群对水沙过程的调控效应 25
2.2 水库泥沙淤积的河流系统链式时空多维灾变效应 35
2.2.1 水库泥沙淤积造成的时空灾变累积效应 35
2.2.2 水库-河道-河口河流系统灾变效应时空链式传导机制 43
2.3 黄河干支流骨干枢纽群多维协同的泥沙动态调控目标函数 55
2.3.1 黄河流域系统与泥沙动态调控体系 56
2.3.2 黄河流域干支流骨干枢纽群泥沙动态调控概念及内涵 58
2.3.3 黄河流域干支流骨干枢纽群泥沙动态调控主要约束因子及置信区间 65
2.3.4 黄河流域干支流骨干枢纽群泥沙动态调控目标函数构建 80
2.4 基于流域系统科学的枢纽群泥沙动态调控序贯决策理论 96
2.4.1 泥沙动态调控目标的动态协同与博弈关系 96
2.4.2 枢纽群泥沙动态调控合作博弈模型的构建 98
2.4.3 枢纽群泥沙动态联合调控水沙效益重分配 104
2.4.4 不同水沙情景下枢纽群合作博弈的纳什均衡解 107
2.4.5 枢纽群泥沙动态调控序贯决策理论架构 111
第3章 水库高效输沙机理及泥沙资源利用与动态调控互馈效应 115
3.1 水库异重流跟踪监测及持续运移动力学机制与临界条件 116
3.1.1 小浪底水库长距离运行异重流的原型跟踪观测 116
3.1.2 异重流长距离稳定运移的动力学机制和临界条件 124
3.1.3 异重流运动的水-沙-床耦合动力学控制方程 132
3.2 水库溯源冲刷的水沙动力过程及对泥沙动态调控的响应机制 141
3.2.1 水库溯源冲刷水流运动方程及跌坎形成条件与演化机制 141
3.2.2 水库溯源冲刷过程水沙数值模型构建与验证 152
3.2.3 水库溯源冲刷多情景模拟及冲刷形态发展趋势与极限状态 157
3.2.4 跌坎冲刷过程和冲刷效果与泥沙动态调控的响应机制 160
3.3 水库高效排沙淤积形态及其对泥沙动态调控的响应机理 163
3.3.1 水库细颗粒淤积物流变特性与流型特征 164
3.3.2 考虑细颗粒淤积物失稳滑塌的水库淤积形态数值模拟方法 165
3.3.3 水库不同淤积形态对泥沙动态调控的响应 171
3.4 水库泥沙资源利用与泥沙动态调控的互馈机制 174
3.4.1 新时期维持和优化水库淤积形态的调控方法 174
3.4.2 库区粗泥沙动态落淤规律及其力学指标空间分布特征 175
3.4.3 泥沙资源利用与水库泥沙动态调控的互馈机制 180
3.5 枢纽群联合调控对库区和下游河道水沙输移的叠加效应 189
3.5.1 泥沙动态调控对库区水-沙-床的规律性影响 189
3.5.2 枢纽群泥沙动态调控对水沙量-质-能交换的影响机理 194
3.5.3 水库群蓄泄秩序的叠加效应 199
3.5.4 水沙过程整体优化的水库群时空对接时机及调控效应 206
第4章 下游河道河流系统对泥沙动态调控的多过程响应机理 211
4.1 下游河道演变对枢纽群泥沙动态调控的多时空尺度响应机理 211
4.1.1 下游河道物质组成与能量沿程分布对水沙动态调控的响应规律 212
4.1.2 下游河床演变对泥沙动态调控的响应规律 217
4.1.3 泥沙动态调控黄河下游河床演变趋势预测 223
4.2 下游河势控导工程布局与水库泥沙动态调控的互馈机制 231
4.2.1 有限控制边界对游荡型河道河势演变的约束机制 231
4.2.2 河势控导工程不同布局方式与水沙调控的互馈效应 238
4.2.3 黄河下游游荡型河道河势稳定控制指标及阈值 244
4.2.4 适应枢纽群泥沙动态调控的黄河下游河势控导工程优化布局 251
4.3 下游河流生态系统对多重胁迫下水沙动态调控的响应机理 253
4.3.1 水沙动态调控对下游河道关键生境因子时空演变的影响 254
4.3.2 水沙动态调控对下游河道关键群落结构的影响 257
4.3.3 下游河道典型生物对环境胁迫的响应规律 260
4.4 枢纽群泥沙动态调控与区域社会经济发展的相互约束机制 261
4.4.1 泥沙动态调控对滩区土地利用方式的影响机制 261
4.4.2 泥沙动态调控与滩区土地利用格局变化的区域空间制约关系 265
4.4.3 滩区土地利用动态模拟及变化趋势预测 267
4.4.4 滩区土地利用优化方案及管控措施 273
4.5 下游河流系统行洪输
试读
第1章绪论
1.1研究背景
黄河是全球泥沙问题*为严重和*复杂难治的河流，泥沙调控是长期困扰治黄实践的关键技术难题。自20世纪60年代三门峡水库运行以来，重点围绕黄河防洪减淤目标，开展了长期的水沙调控科学研究与工程实践，创造性地提出了“蓄清排浑”“拦粗排细”等多沙河流水库调度方式，得到国内外的高度认同。特别是2000年以来，随着以龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等骨干枢纽为主体的黄河水沙调控工程体系初步形成，以小浪底水库为核心的黄河调水调沙试验和持续的工程实践的水沙调控效果得到明显提升，而且在防洪防凌安全和全河水量统一调度、水资源高效利用等方面发挥了巨大作用。
然而，调水容易调沙难。和所有多沙河流水库一样，黄河干支流水库多年的持续运行，使泥沙不断淤积，侵占水库有效库容，造成水库防洪能力降低、供水发电和灌溉等综合效益下降。同时，我们还要清醒地意识到，虽然近年来黄河的来沙量大幅度减少，但黄河流域“水少沙多、水沙关系不协调”的特性尚未根本改变。特别是，随着黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略的推进，如何有效恢复已建水库的淤损库容，提升水库洪水资源化利用（水资源利用）效率，对水库淤积的存量泥沙和未来洪水过程中的增量泥沙实施动态调控，成为水沙调控这一难题的新焦点和新热点。
面对我国区域协调发展战略、乡村振兴战略、生态文明建设等新形势、新要求，面对黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略与国家水资源高效开发利用的新需求，本就水资源极度贫乏的黄河供水区范围不断扩大，黄河流域研究成为一个广域的黄河流域概念；同时，在当今泥沙资源属性日益凸显、泥沙处理与资源利用技术逐步完善的前提下，黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控面临难得的历史机遇与巨大的理论突破和技术创新的挑战，黄河水沙调控不仅要注重水量的适应性调度，更要强调泥沙的动态调控，提升调沙的能力和技术水平，为实现河流系统行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能协同的目标奠定基础。
在“十三五”国家重点研发计划项目的支持下，我们紧扣国家重大战略的迫切需求，融合系统工程、河流泥沙、信息工程等多学科理论研究*新成果，加强跟踪性原型观测，以理论研究、模型试验与数值模拟、地理信息技术等手段为支撑，按照“目标与约束—过程与机理—技术与方案—策略与示范”的总体思路，系统开展了黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态关键技术研究。
1.2研究现状
1.2.1国内外研究现状
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（张庆宁，1993）。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，*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（张庆宁，1993）、田纳西河（谈国良和万军，2002）、莱茵河（赵纯厚等，2000）、尼罗河（曹文洪和陈东，1998）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，我国兴建了一大批水利水电工程，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、微观响应机理都是研究者关注的热点问题。另外，已建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（黄强和畅建霞，2007），若各自为政，必将导致资源的无序和低效利用，社会经济的高质量发展和流域生态环境的可持续性就无法保证。
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。表1-1为黄河流域干流和主要支流的大型水库建设情况（李会安，2000；李国英，2004）。
根据国际大坝委员会（ICOLD）2012年发布的研究报告，全球已建水库总库容共7000km3，过去35年已淤积库容为2000km3，年均水库库容淤损率为0.8%。随着水库建
