_黄河水库调水调沙研究进展

DOI:10.16239/ ki.0468-155x.2008.02.013
泥沙研究
　2008年4月Journal of Sediment Research第2期
黄河水库调水调沙研究进展
万新宇,包为民,荆艳东
(河海大学水资源环境学院,江苏南京　210098)
摘要:合理进行水库运用是防治水库泥沙淤积的重要措施之一,是减少水库泥沙淤积的关键,对水库兴利效益
的发挥有着极为重要的作用。

本文就我国黄河流域水库调水调沙研究进行了简要回顾,并对其研究现状进行
了总结与展望。

关键词:水库;泥沙;淤积;调水调沙
中图分类号:TV145 文献标识码:B 文章编号:0468-155X(2008)02-0077-05
在我国黄河流域,水库的泥沙淤积问题十分突出,并带来了一系列的危害[1]。

为了控制水库泥沙淤积,我国的水利工作者们做了大量深入细致的研究工作[2],提出了许多行之有效的防治措施[1,3]。

其中,制定合理的水库运用方式进行水沙调度是减少水库泥沙淤积的关键,对水库兴利效益的发挥有着极为重要的作用。

我国水利工作者提出的能在多沙河流上长期保持水库有效库容的“蓄清排浑”运行模式得到了国际同行的公认。

韩其为[4]院士曾评价说:“其实对我国在水库泥沙淤积控制方面的成就,我们自己的估计往往没有象外国人评价那样达到应有的高度。

例如对于三峡水库长期使用,加拿大CYJV在三峡工程可行性研究报告(第五卷)中写到,`指出这一点是很重要的,平衡坡降和水库长期使用库容的理论,在中国已发展成为一种成熟的技术,三峡工程处理全部泥沙的策略就是建立在这个基础上的,世界上没有一个国家象中国在水库设计中有那样多的经验,以致使调节和防洪库容能无限期的保持'”。

而这个基础的形成是与众多黄河流域水库调水调沙试验密不可分的。

本文就有关黄河流域水库进行调水调沙的研究分别在早期研究、研究现状和发展前景方面做一些简要的总结和展望。

1　早期研究
建国初期,黄河流域不少水库泥沙淤积过快,严重缩短了水库的使用寿命。

为了减缓水库的泥沙淤积,许多水库都进行了大量的排沙减淤试验,比如黑松林、恒山等水库,并在实际运用中摸索出了一套行之有效的防沙减淤运用模式———“蓄清排浑”运用模式,该模式充分利用了黄河流域水库来水来沙相对集中的特点,在洪水多沙期集中排沙,而在平水少沙期蓄水利用,从而使水库保持冲淤平衡。

但这些水库大多是中小型灌溉水库,排沙条件较好,坡陡、库短,有时可以泄空,甚至坝前水位完全不壅高,而大型水库往往不具备这些好的排沙条件,故限制了中小型水库排沙经验在大型水库上的推广。

此后,唐日长和林一山[5,6]根据我国许多中小型水库“蓄清排浑”运用经验,提出了水库长期使用的概念,从理论上论证了水库长期使用的科学性、可行性以及合理性,从而使得水库淤积控制从经验上升到了理论高度,并改变了从前流行的水库最终淤死是不可避免的看法。

一些大型水库根据这一理论进行水库淤积控制,效果良好,比如改建后的三门峡、青铜峡和三盛公水库等,使得水库长期使用无论在理
收稿日期:2006-06-27
作者简介:万新宇(1976-),男,江苏东台人,博士研究生,主要从事水文水资源研究。

E-mail:xunil@
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论上还是在实践上均获得了水利专家的广泛共识。

这些研究成果也都为后来的三峡水库淤积控制研究打下了坚实的基础[7,8]。

改建后的三门峡水库,根据水库长期使用理论和其它水库“蓄清排浑”运用经验,仔细研究了如何稳定或降低潼关高程、维持渭河下游河道稳定、以及潼关以下库区冲淤平衡等问题,有目的、有计划地提出了更符合科学的“蓄清排浑”运用模式,突破了以往泛泛而提的“蓄清排浑”运用模式[9]。

现在,我国水利工作者们又在这些已有研究成果的基础上对黄河流域水库运用方式展开了新一轮的研究工作,进一步优化“蓄清排浑”运用模式,并积极探索新的水沙调度模式。

2　研究现状
随着研究的不断深入,有关黄河流域水库调水调沙研究的内容也在不断增多,主要体现在三个方面:
2.1　水库运用对库区冲淤的影响
近年来,有关水库运用对库区冲淤影响的研究主要集中于三门峡水库运用对潼关高程影响的研究。

这主要是因为从上世纪90年代开始,三门峡水库的入库水沙条件发生了剧烈变化,入库流量骤减,不利于水库排沙运用,潼关高程再次回升,渭河防洪形势异常严峻。

2001年,梁国亭和王育杰[10]等人分别对三门峡水库汛期与非汛期的泥沙冲淤特点进行了分析研究,认为非汛期三门峡水库淤积部位应控制在
以下河段、汛期水库排沙流量应适当降低、以及在不影响大禹渡附近河段的冲刷为前提适当提高9月和10月的水库运用水位。

同年,乐金苟和王桂娥[11]等人也分析了汛期特殊运用年份三门峡水库冲淤特性,并与来水来沙相似的正常运用年份进行了对比研究,认为平水期适当抬高水位运用,不会对潼关以下库区及潼关高程的自然冲刷状态产生不利影响;在洪水期水量沙量集中时,应尽量降低水位(295m～298m)排沙运用。

另外,钱意颖和程秀文[12]等人认为决定潼关高程的关键因素是适应来水来沙条件的相对平衡比降,三门峡水库的“洪水排沙,平水发电”运用方式对水库的排沙作用接近于水库敞泄排沙运用,可以达到不影响潼关高程的升降变化。

同时,他们还认为,三门峡库区淤积主要是由高含沙洪水形成的,库区淤积的泥沙也主要依靠大流量时降低库水位形成强烈的溯源冲刷,从而把泥沙排出库外,流量小于1000m3s时,即使敞泄,排沙作用也不大。

2004年,姜乃迁和张翠萍[13]等人认为潼关高程近年来不断上升的主要原因是由于汛期来水量大幅度减少所致,要控制和降低潼关高程,必须调整三门峡水库的运用方式来适应新的来水来沙条件。

但与上面诸位水利专家观点相反的是,周建军和林秉南[14,15]在2003年根据三门峡水库长期的运行资料对三门峡水库的淤积以及潼关高程的变化进行了分析研究后,却认为潼关高程除了与入库水沙有着重要关系外,还与水库运行方式有着紧密联系,即三门峡水库潼关以下的淤积量和连续三年平均坝前水位存在正比关系,而潼关高程又和上述淤积成正比关系,认为降低水库的运用水位是降低潼关高程的必要条件,即使在当前水沙减少的情势下,只要切实降低水库运行水位,潼关高程是可以降低的。

同时,他们根据对潼关高程可能降低幅度的研究得出,在完全敞泄的条件下潼关高程是可以降低到326m附近的,所以他们建议,为了消除潼关高程居高不下对渭河造成的不利影响,三门峡水库应该放弃发电运用,切实执行“发电服从潼关高程降低”的方针,从而为渭河流域的可持续发展创造条件,以免错过小浪底水库投入的良好机会。

2.2　水库运用对下游河道冲淤的影响
水库的排沙运用直接影响着水库下游的河道淤积。

对此,国外对水库排沙已经作了严格的规定和限制条件[16]。

黄河下游的河道淤积问题十分突出,存在非常大的防洪安全隐患,黄委会也为此作了大量卓有成效的研究工作。

李国英[17]认为,黄河下游河道严重淤积的主要原因在于黄河下游水沙不平衡,所以欲缓解下游淤积,就必须解决水沙不平衡问题,而解决的措施就是调水调沙。

小浪底水库的建成为黄河下游的调水调沙提供了必要的动力支持,那么,关于怎样利用小浪底水库进行有效的调水调沙问题成了众多水利科学家关注的焦点。

早在小浪底水库建成之前,水利科学家们就曾对小浪底水库运用对黄河下游河道冲淤的影响进行了研究,并提出了一些运用方式[18],比如“逐步抬高”运用方式、“控78
蓄速冲”运用方式和“高蓄速冲”运用方式等。

其中王士强[19]提出的“高蓄速冲”运用方式强调泥沙多年调节,为水库运用提出了新启示,但是对于该运用方式在短时间内进行水库集中排沙,下游河道能否承受还需要进一步研究。

1996年,为了配合小浪底水库实际调度实施,黄委会又联合有关院所高校,重点对小浪底水库初期3-5年运用方式进行了深入研究,提出了有关调水调沙运用的调控指标以及主汛期调度运用方式,同时还对下游河道的河势变化和减淤情景作了初步预估。

文献[17]根据水沙组合及实施途径的不同,将黄河调水调沙分为3种类型:①以上、中游来水来沙为主,靠小浪底水库运行调节的调水调沙方式;②小浪底水库上游来水为浑水、库下游区间来水为清水,基于空间尺度的调水调沙方式;③水库蓄水较多,靠水库自身的水和沙调配出库,属于水库群联合调度和人工扰动的调水调沙方式。

根据这三种类型,黄委会分别在2002年7月、2003年9月、2004年6月以及2005年6月进行了黄河调水调沙原型试验。

通过这四次的调水调沙试验,对人工调控黄河洪水流量、含沙量和泥沙颗粒级配等协调水沙关系的可行性进行了深入探索,进一步深化了对黄河水沙规律的认识,并提出水沙时空调度理论。

2.3　水库的综合利用
在“蓄清排浑”运用模式下,水库能够保持一定库容长期使用,所以水库的综合利用也就得到了保证。

小浪底水库投入运用后,三门峡水库所承担的防洪、防凌和调沙减淤任务有了新的变化。

进入上世纪90年代后,三门峡水库的入库水沙条件发生了剧烈变化,潼关高程再次升高。

在新的形势下,三门峡水库如何调度运用又成了众多水利工作者研究的重点。

曲少军和钱意颖等人[20,21]主要就一般年份里三门峡水库非汛期、汛期运用方式以及汛期各级流量排沙效果等问题作了初步研究。

与此同时,缪凤举和丁六逸[22]等人也对三门峡水库汛期运用方式进行了深入研究,提出了“洪水排沙,平水发电”的运用原则和方式,较好的处理了排沙与发电的关系,既能完成排沙任务和改善库区淤积形态,又可以减轻水库发电机组的磨损和增加发电时间,水库发电效益得到有效提高。

可是,潼关高程的再次升高是否影响到三门峡水库的综合效益的发挥呢?文献[12]研究认为,潼关高程升高对库容损失影响不大,只要进行科学调度,改善库区冲淤分布,三门峡水库是可以进行综合利用的。

此外,针对一些人以为小浪底水库建成后三门峡水库可以“彻底解放”的观点,王士强和钟德钰[23]等人通过研究认为,三门峡水库并不能因为小浪底水库的投入运用而得到“彻底解放”,仍需要配合小浪底水库,担负部分防洪和防凌任务,并建议三门峡水库在不影响潼关河床高程、维持槽库容冲淤平衡及有利于黄河下游减淤的前提下,配合小浪底水库充分发挥它们的综合利用效益。

文献[24,25]对小浪底水库运用后三门峡水库调度运用工作进行了总结,提出了一些改进设想。

总之,小浪底水库的投入运用使得对三门峡水库调度运用的研究进入了新的高潮。

系统工程方法用于水库优化调度的历史并不短,而用于水库水沙联合调度研究的并不多,只是在上世纪80年代末90年代初,在我国曾有过少量研究[26,27]。

但传统优化方法用于水库水沙调度时,会碰到“维数灾”问题,导致计算量大,计算时间长;另外,水库水沙运动是非常复杂的非线性运动系统,很难用某种数学物理模型来进行精确描述,同时这些模型的运行所需要大量的地形和工程资料一般很难得到,使得模拟误差较大。

而以人工神经网络和遗传算法为代表的人工智能方法的出现,为解决这些问题提供了新途径。

文献[28-30]都曾运用神经网络模型对河流的水沙运动进行模拟研究,但均未涉及到水库水沙调度。

2004年,张金良等人[31]依据成因分析,采用模糊神经网络的方法对三门峡水库汛期泥沙冲淤量进行了计算,认为该方法适合计算水库的泥沙淤积情况。

同年,练继建等人[32,33]又在分析了三门峡水库汛期和非汛期泥沙冲淤影响因子的基础上,利用改进B P模型对三门峡水库泥沙淤积量进行了计算。

同时,他们在上述研究的基础上,又根据多目标规划的思想方法,结合遗传算法和神经网络方法建立了多沙河流水库水沙联调的多目标规划模型,为了克服动态多目标规划的“维数灾”问题,对于阶段发电量的计算采用了遗传算法。

次年,他们又针对BP神经网络收敛速度慢和易于陷入极小值等问题,对原来的BP模型进行优化改进,采用遗传算法全局寻优和BP神经网络局部寻优相结合的方法,提高了B P神经网络的计算精度和收敛速度[34]。

另外,还有一些其它水库水沙调度运用的研究[18,35,36]。

值得一提的是,邓良魁和邓琪[36]等人针对单一的多沙河流水库即使“蓄清排浑”运用也不能很好地解决水库排沙与径流调节之间的矛盾等问题,提
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出了在水库下游增建一座较小的水库进行两库联合排沙的构想,并对两库联合排沙的有关技术指标进行了分析,认为两库联合排沙具备可靠的排沙条件,保留的库容能够持久运用,与多沙河流单一水库相比,经济效益成倍增加。

3　发展前景
水库综合利用的好坏,直接关系到水库兴利效益的好坏。

目前研究的较多的是水库排沙与发电之间的矛盾,但是综合利用水库的目标往往比较多,除了发电外,还有防洪、航运、灌溉、供水和防凌等等。

这些目标与水库排沙之间是否存在矛盾,以及能否实现共度等等问题,都需要进行深入研究。

另外,从资源的角度看,水库泥沙也是一种可以利用的资源,譬如黄河周围灌区的引洪淤灌,这是因为水库泥沙颗粒附着着丰富的营养物质,可以有效促进灌区作物的生长。

所以,如何有效地将水库泥沙利用与水库排沙运用有机地结合起来,以及与其它运用目标的有效共度,这对实现水库趋利避害的总目标都具有重要的理论价值和实际意义。

无论水库怎样优化运用,都将会对水库库区以及下游河道产生影响。

那么,怎样将水库运用对它们的影响降到最低限度,都是值得进一步深入研究的问题。

潼关高程居高不下,制约着渭河下游地区的社会经济发展。

从前面内容可以看出,有关三门峡水库潼关高程的研究成果并不少,但争论不小。

孰是孰非,尚无定论,还需要进一步深入细致地研究论证,而且刻不容缓。

黄河的四次调水调沙试验,为研究水库排沙对下游河道冲淤影响提供了绝好的机会。

只有切实掌握河道冲淤规律以及水沙情势变化,才能正确指导水库的调水调沙运用。

目前的研究成果属于库群水沙调度的并不多,基本上属于单库的水沙调度研究。

随着小浪底水库的投入运用,如何有效进行三门峡水库和小浪底水库水沙联合调度运用研究还需要不断地深入。

2003年黄河调水调沙试验就是利用水沙的时空调度理论进行了水库群水沙调度运用有益的尝试。

另外,根据黄河中下游治理长期规划,除了小浪底外,黄河中游干流上还将修建碛口和古贤等控制性骨干工程。

届时这三大水库联合调水调沙运行,则可以优化黄河下游河道的水沙过程,同时配合干流骨干水库的调水调沙有计划的进行河道整治,改造河型及河口治理,进一步提高下游河道的排沙能力,这样就可以使下游河道在相当长的时间内不再显著淤积[37]。

运用风险分析的方法对水库的防洪、供水调度进行风险评估的研究,已经很普遍了,但在水库水沙调度中应用却很少见。

由于水库泥沙运动过程非常复杂,很难摸清它们的运动规律,水库水沙调度的好坏,不仅会影响水库本身综合效益的发挥,还会影响到水库上下游河道淤积变化,从而间接影响水库上下游地区社会经济的发展。

所以,就有必要运用风险分析的方法对水库水沙调度运用所产生的各种影响进行风险评估,以确定水库水沙调度方案是否合理。

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Review on the advance in the flow-sediment regulation
by reservoirs on the Yellow River
W AN Xin-yu,BAO Wei-min,JING Yan-dong
(C oll ege of Wate r Res our ces and Envi ronment,Hohai Unive rs ity,N anjing210098,C hina)
A bstract:The rational mode of reservoir operation is an important and key measure to reduce reservoir sedimentation,and is ver y crucial to the benefits of r eservoirs.This paper gives a review on the advance in the flow-sediment regulation by r eservoirs on the Yellow River.
Key words:reser voir;sedimentation;flow-sediment regulation。