《基于下游河道响应的小浪底水库水沙电生耦合调度技术》

小浪底水库的运行为黄河下游的防洪减淤发挥巨大作用的同时,也兼具供水、发电、生态等功能。随着黄河下游河道发生的深刻变化及国家对区域经济社会发展提出的更高要求,小浪底水库调度也面临新的问题与挑战。20年来下游河道的持续冲刷造成了河道河床组成粗化,河道冲刷效率与水资源利用效率降低;汛前大流量清水下泄造成发电弃水影响发电效益;水库下泄径流趋向均一化,鱼类产卵育幼期缺乏明确的洪水脉冲信号,下泄泥沙含量减少,河道及河口物种生产繁殖缺少足够的营养物质补给与栖息地发育。因此,如何实时考虑大坝发电效益提升、下游河道形态优化、生态环境改善的需求,动态调整水库下泄流量含沙量过程,发挥多沙河流水库水沙电生(供水、排沙、发电、生态)耦合调度的潜力,是亟待研究的重要课题。

黄河水利科学研究院、清华大学、中国水利水电科学研究院等3家单位历时7年联合攻关,突出实地调研、理论研究、数值模拟等多手段融合,实时考虑大坝发电效益,下游河道河床形态调整、生态环境需求等边界条件变化对水库调度提出的反馈要求,提出了小浪底水库水沙电生耦合调度关键技术,取得了如下三方面主要成果:

(1)揭示了变化水沙条件下小浪底水库—黄河下游河道系统洪水演进与冲淤演变规律,提出了有利于下游河道演变与水库排沙的调度指标:基于历史含沙洪水资料分析,揭示了进入小浪底水库—黄河下游河道系统的水沙关系变化特征;鉴于含沙洪水在黄河下游的冲淤特性,建立了漫滩洪水滩地淤积量与水力因子间的定量关系,提出了洪水分类标准及各类洪水条件下有利于河道形态改善的水库调度指标体系;识别了小浪底库区持续淤积趋势与周期性冲淤调整过程并存规律,建立了水库排沙比与综合壅水指标的定量关系,提出了为改善出库水沙搭配关系的水库优化调度指标体系。

(2)构建了基于统一时间尺度的多沙河流水库排沙—河床演变—水库调度耦合计算模型,提出了典型年条件下小浪底水库水沙电生多目标优化调度方案:研发了能够模拟异重流演进与高含沙洪水剧烈冲淤过程的多沙河流水库水沙动力学模型;基于冲积河流线性理论构建了黄河下游日时间尺度的河床演变模型,成功模拟了下游典型断面平滩特征值长时段的变化过程;考虑包含下游河道及河口生态需求在内的多维约束,集成水库排沙、大坝发电、河道河床演变等计算模块,构建了多沙河流水库多目标耦合计算模型;提出了典型年条件下小浪底水库水沙电生多目标优化调度方案。

(3)提出了水库下游河道生态系统效益能值评价指标体系与方法,定量评价了小浪底水库修建以来对黄河下游河道系统产生的生态环境影响:以河流健康为目标,从可动性、组织性、弹性三个维度构建多沙水库调度的生态环境效益评价指标体系与评价模型;系统定量评价了小浪底水库修建以来对黄河下游河道系统产生的生态环境影响,结果表明黄河下游河道系统处于结构不稳定与弹性较低状态。

成果直接及推广应用于小浪底水库、三门峡水库、万家寨水库等黄河干流水库的汛期排沙调度实践,社会经济与生态环境效益巨大。相关理论成果被武汉大学、河海大学、郑州大学、华北水利水电大学等应用于研究生教学,有力推动了学科发展。

发表论文66篇(SCI/EI检索32篇),授权国家发明专利7项,形成了一支在水库水沙调控方向有强大竞争力的专业研究团队。

成果说明

项目成果推广应用情况如下: (1)在黄河治理开发工程实践中得到广泛应用 该项目在水库调度、洪水演进、河床演变等方面取得多项创新性成果,整体研究成果自2016年起,已被黄河水利委员会水旱灾害防御局在黄河干流多水库的洪水调度、汛期排沙中广泛应用。构建的多沙河流水库排沙-河床演变-水库调度耦合计算模型、水库调度评价技术等相关研究成果已被水利部小浪底水利枢纽管理中心、三门峡黄河明珠集团有限公司和黄河万家寨水利枢纽有限公司在汛期洪水调度与水库排沙实践中得到有效应用。 其中在2018年利用有利的来水来沙条件,小

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