《黄河上游沙漠宽谷段水沙调控》主要研究成果

本书的主要研究成果如下：

（1）奠定了基于长距离水沙调控的梯级水库群多目标调控理论基础。基于水沙调控及水沙资源优化配置的基本概念，本书提出了黄河水沙调控的定义，确定了水沙调控的对象和目标。通过对水沙调控系统的分解，确定了黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控“固-拦-调-放-挖”的调控策略，构建了黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控模式。

建立了基于多目标转换为单一目标的梯级发电量最大和可调水量最大的水沙调控模型，以及兼顾防洪防凌、供水、发电、水沙调控的梯级水库水沙联合调度的多目标模型；选择自迭代模拟优化算法和粒子群优化算法求解模型，结合黄河上游梯级水库水沙联合调度实例，给出了两种优化算法的计算步骤，构建了梯级水库多目标联合调度的理论基础。

结合水流连续方程和水流动量方程，建立了悬移质的挟沙力和基于场次洪水输沙量计算模型，为量化水沙调控目标的效果提供技术支撑，奠定了黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的理论基础。

（2）分析了水库参与水沙调控的可行性、有效性，确定了黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的主体和水沙调控的最佳时间。分析了梯级水库现有的运行方式，从正反两方面说明了水库建设前后的利弊，论证了“水库运行加剧了黄河上游沙漠宽谷河段河道泥沙的淤积形态”的说法。从调控库容、可调水量、调控流量、小浪底水沙调控经验以及洪水对河道的冲刷效果方面，论证了水库参与水沙调控的可行性、有效性。

选取已建成的龙羊峡、刘家峡水库以及未建的黑山峡水库作为参与黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的主体。选择黄河干流凌汛开河结束后的3月、4月作为黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的最佳时机。

（3）确定了沙漠宽谷河段的水沙阈值系列、断面输沙能力和基于黄河标准化堤防的各河段平滩流量和最大安全流量。重点分析了各区间河道不同含沙量情况下的水沙规律，得到了不同区间河段、不同含沙量情况下的水沙阈值系列，确定了沙漠宽谷河段水沙调控的控制流量在2240～2580m3/s。建立了基于场次洪水的输沙量计算模型，确定了青铜峡、石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐站的输沙能力。

由各断面历史过流能力以及关键控制断面的冲淤变化过程，明确了现状条件下各断面的过流能力。构建基于标准化黄河堤防的平滩流量和最大安全流量的修正模型，确定了青铜峡、石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐各站的最大安全流量分别是3980m3/s、4500m3/s、3730m3/s、3510m3/s、3730m3/s，为在安全条件下进行水沙调控创造了前提条件。

（4）设置了14个长系列水沙调控方案和13个典型年水沙调控方案。构建了黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控指标体系，设置了不考虑西线调水的典型年水沙调控方案集和考虑西线调水的长系列水沙调控方案集，为梯级水库合理库容的论证以及水沙调控效果的定量计算，奠定了方案基础。(www.xing528.com)

（5）论证了“龙羊峡、刘家峡现有的库容完全能够满足所有长系列水沙调控运行的库容需求”。14个长系列水沙调控方案中，考虑水沙调控运行的各方案需要更大的调节库容。随着2020远景水平年、2030远景水平年南水北调西线调水工程实施，在不考虑调沙的情况下，跨流域外调的调水量越大，需要的合理库容越小。主要原因是：跨流域调水均匀的调水过程实时地补充了时段供水，调水量越大，梯级水库供水期缺水量越小，所需调节库容越小。

在不考虑水沙调控、无西线调水的情况下，现状水平年及远景水平年梯级水库所需合理库容规模主要受兰州断面需水量的变化影响。随着兰州断面需水量由现状年238亿m3增长到2020远景水平年的270亿m3，略微降至2030远景水平年的263亿m3，梯级水库合理库容由2010现状水平年的93.20亿m3增大到2020远景水平年的113.50亿m3，2030远景水平年小幅降至105.20亿m3。主要原因是：无西线调水时需水量增大将导致梯级水库供水期缺水量增大，合理库容增大。但现状年及远景年14个方案的梯级水库合理库容均小于龙羊峡、刘家峡水库现有的兴利库容。因此，龙羊峡、刘家峡水库现有的调节库容能够满足水沙调控、发电、供水、防洪防凌等多目标调控要求，为长系列水沙调控运行奠定了坚实的调节库容基础。

（6）长系列水沙调控运行方案中，水沙调控目标与发电目标呈对立矛盾关系。在长系列水沙调控方案中，调沙年份的出库流量呈明显的高平稳序列，不调沙年份的出库流量呈现出明显低平稳序列，龙羊峡出库流量趋于两阶段内的高、低平稳过程；水沙调控运行造成梯级水库水位变幅增大、频率加快，库满率降低，库空率增加，多年平均水位下降，即水沙调控运行提高了水库库容的利用效率，最大化地发挥了梯级水库的调节潜力。水沙调控的大流量过程产生弃水，降低了梯级水库的多年平均发电量，发电目标与水沙调控目标呈对立关系。随着2020远景水平年、2030远景水平年兰州断面需水量的增加，在无调水的条件下，兰州断面的供水量虽有增加，但黄河流域的缺水率亦大幅增加，水沙调控能力减弱，加剧了水沙调控与发电之间的矛盾。

（7）长系列水沙调控运行方案中，跨流域调水缓解了黄河全流域的水资源供需矛盾，提高了发电量、供水量及其保证率，增加了黄河上游梯级水库的可调水量。随着2020远景水平年、2030远景水平年调水量的增加，流域内缺水率大幅降低，大大缓解了黄河全流域的水资源供需矛盾，大幅提高了梯级发电量和断面供水量及其保证率，显著增加了黄河上游的可调水量。当可调水量转化为梯级蓄能时，梯级水库处于高水位运行，水电站耗水率大幅减少，发电、供水效益大幅提高；当可调水量转化为水沙调控的控制水量时，提高了梯级水库水沙调控的力度和频率，极大地增强了水沙调控能力。

（8）典型年水沙调控运行方案中，水沙调控目标与发电、供水目标均呈现对立、矛盾关系。随着黄河流域需水量的增加，2020远景水平年兰州断面的控制流量增加，水沙调控方案仅丰水年能够满足各月的供水要求，偏丰水年虽能满足兰州断面的总供水量，但部分月份兰州断面的供水流量破坏。水沙调控目标与发电、供水目标呈对立关系。

（9）黑山峡水库对水沙调控典型年的影响不大，但在发电、供水、防洪防凌等调控目标中优势明显。黑山峡水库参与水沙联合调控运行后，受下河沿—头道拐区间河段来水、来沙、引水、引沙等条件未发生变化影响，各水沙调控方案的水沙调控效果与以往方案并无差别；但在发电、供水、防洪防凌等调控目标中，各方案均优于同等条件下仅龙羊峡、刘家峡参与水沙调控的方案，从一定程度上说明了黑山峡水库在黄河上游梯级水库群中的贡献和重要地位。

（10）推荐了最佳的梯级水库运行模式，确定了龙羊峡、刘家峡梯级水库的水沙调控潜力，提出了维持黄河上游河道冲淤相对平衡的水沙调控对策。构建了理想模式、以水定电模式、兼顾发电模式和实测模式的4种水库运行模式，设定了3种计算情景。推荐以水定电为最优模式，各情景下龙羊峡、刘家峡梯级水库多年平均可调水量分别是33.65亿m3、19.85m3和21.07m3，以控制流量为2580m3/s、持续30天为调控强度，不考虑南水北调西线调水条件下2010现状水平年、2020远景水平年和2030远景水平年的水沙调控潜力分别是2.0年/次、3.4年/次和3.2年/次，且随着多年平均可调水量的增加，调控潜力增强，反之亦然。

提出了以减少入黄泥沙量作为水沙调控根本的以“固-拦-放-挖”为主、“调”为辅的综合调控对策，作为维持黄河上游沙漠宽谷河段河道冲淤相对平衡可持续发展的调控策略。