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(chǎn)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(diào)”“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(diào)”，就是調(diào)水調(diào)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(diào)節(jié)庫容，對水沙進行有效的控制和調(diào)節(jié)，適時蓄存或泄放，調(diào)整天然水沙過程，使不協(xié)調(diào)的水沙過程盡可能協(xié)調(diào)，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(diào)度技術(shù)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(diào)度更是當(dāng)前優(yōu)化調(diào)度學(xué)科前沿課題，也是水庫泥沙、河道泥沙、優(yōu)化調(diào)度、洪水預(yù)報等學(xué)科相結(jié)合的邊緣學(xué)科。
《黃河水沙聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵問題與實踐》（張金良著. 北京：科學(xué)出版社，2020.3）一書針對水沙聯(lián)合調(diào)度所涉及的有關(guān)問題，從水沙預(yù)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(guān)分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測模型建立、水庫異重流調(diào)度、水庫汛期渾水發(fā)電與優(yōu)化調(diào)度、水庫群聯(lián)合調(diào)度方式、調(diào)水調(diào)沙調(diào)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(jié)，并利用動力系統(tǒng)理論，分析了入庫潼關(guān)水文站水沙系列的混沌性，計算了潼關(guān)站水沙系列的延遲時間，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和自相關(guān)滑動平均模型對潼關(guān)站的水沙量進行預(yù)測分析，提出建立泥沙頻率曲線的構(gòu)想，并對潼關(guān)站來水來沙的頻率進行了預(yù)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(zhì)分層假定，并在實際觀測中得到了驗證。導(dǎo)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(yù)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(fù)雜規(guī)律，在河流動力學(xué)和泥沙學(xué)領(lǐng)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(dāng)河床因淤積使縱比降和橫斷面形態(tài)調(diào)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(yīng)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(yīng)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(guān)。當(dāng)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(guān)高程與各影響因子間的相關(guān)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(jié)果，建立庫區(qū)淤積量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測模型，采用非線性預(yù)測方法對庫區(qū)總體淤積量進行即時模擬和快速預(yù)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(jié)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(shè)計了三門峽、小浪底水庫異重流聯(lián)合調(diào)度方案，達到了增加小浪底水庫壩前泥沙淤積鋪蓋的調(diào)度效果。
05
對黃河三門峽水庫渾水發(fā)電進行了總結(jié)，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(diào)排沙與發(fā)電的關(guān)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(biāo)綜合化調(diào)度，將遺傳優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速預(yù)測模型相結(jié)合，建立了水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)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(diào)。
通過遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，可以得到當(dāng)采用泥沙淤積量與發(fā)電量多目標(biāo)同時調(diào)度，即將泥沙作為主要目標(biāo)調(diào)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(dāng)汛期僅以沖沙為目的進行調(diào)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(biāo)調(diào)度減少近15%。當(dāng)以排沙為目的進行汛期調(diào)度時庫平均水位為302.3m，當(dāng)以發(fā)電為目標(biāo)調(diào)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(diào)度的基本特點是：當(dāng)來沙量較大時，水庫應(yīng)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(dāng)來流含沙量較小時，可以適當(dāng)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(nèi)關(guān)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(diào)度的多種調(diào)控模式，包括以小浪底水庫蓄水為主進行的單庫調(diào)控方式，三門峽和小浪底兩個水庫進行的聯(lián)合調(diào)控方式，萬家寨、三門峽、小浪底三個水庫進行的聯(lián)合調(diào)控方式，小浪底、三門峽、故縣、陸渾四個水庫進行的聯(lián)合調(diào)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(diào)控方式，同時從調(diào)控流量、調(diào)控歷時、調(diào)控含沙量、下游河道形態(tài)與泥沙沖淤的關(guān)系等方面研究了水沙聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，利用實體模型、數(shù)學(xué)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(diào)水調(diào)沙調(diào)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(diào)水調(diào)沙試驗方案的主要技術(shù)負責(zé)人和調(diào)度負責(zé)人。作者系統(tǒng)剖析總結(jié)了黃河水沙聯(lián)合調(diào)度所涉及的各個環(huán)節(jié)和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)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(guān)高程變化過程及原因，構(gòu)建了庫區(qū)泥沙淤積模型，提出了水庫排沙和異重流調(diào)度方式，以及水庫汛期渾水發(fā)電和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，為黃河調(diào)水調(diào)沙提供了技術(shù)支撐。自2002年黃河首次開展調(diào)水調(diào)沙調(diào)度，至今已經(jīng)進行了3 次試驗調(diào)度和16 次生產(chǎn)調(diào)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(fù)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(shè)計、管理及高等院校的教學(xué)工作者提供技術(shù)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(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實施提供技術(shù)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(xué)研究院名譽院長
2019 年12 月16 日
