黄河中下游水沙的时空调度理论与实践

利用小浪底水库不同泄水建筑物的组合，塑造一定历时、流量、含沙量及泥沙颗粒级配的下泄水流与下游伊洛河、沁河的“清水”对接，在花园口站形成协调的水沙关系，实现既排出小浪底水库的库区泥沙，又不淤积下游河道的目标。2003年9月6～18日，黄河水利委员会就该理论开展了原型试验，试验结果表明：①利用异重流排沙和浑水水库排沙的特点，达到了小浪底水库拦沙初期“拦粗排细”、减缓库区淤积的目的；②利用小浪底-花园口区间的洪水资源，将小浪底水库排出的细泥沙输送入海，并且不增加下游河道淤积，提高了水流的输沙效率；③实现了下游河道减淤与减灾的统一。     

基于空间尺度的黄河调水调沙

基于空间尺度的黄河调水调沙即利用小浪底水库不同泄水孔洞组合塑造一定历时和大小的流量、含沙量及泥沙颗粒级配过程,加载于小浪底水库下游伊洛河、沁河的"清水"之上,并使其在花园口站准确对接,形成花园口站协调的水沙关系,实现既排出小浪底水库的淤积泥沙,又使小浪底-花园口区间"清水"不空载运行,同时使黄河下游河道不淤积的目标.实施基于空间尺度的黄河调水调沙要重点解决三大关键问题:一是确定小浪底水库不同泄水孔洞组合,二是小浪底-花园口区间洪水、泥沙的准确预报,三是准确对接(黄河干流)小浪底、(伊洛河)黑石关、(沁河)武陟三站在花园口站的水沙过程.通过基于空间尺度的调水调沙试验,进一步深化了对黄河水沙规律的认识,探索了人工调控黄河洪水流量、含沙量、泥沙颗粒级配等协调水沙关系的可行性,为充分利用自然力量治理黄河泥沙寻找了一条新的途径.     

基于水库群联合调度和人工扰动的黄河调水调沙

为减少小浪底水库及下游河段的淤积，通过水库群的联合调度充分利用万家寨、三门峡、小浪底等干流水库汛前蓄水，在小浪底库区人工塑造异重流，加大小浪底水库的排沙量。同时辅以人工的泥沙扰动措施，调整了库尾段不利的淤积形态。利用进入下游河道水流富余的挟沙能力，在黄河下游“二级悬河”及主槽淤积最为严重的卡口河段实施河床泥沙扰动，减轻下游淤积并扩大下游河道的主槽过洪能力。试验取得了预期效果，小浪底库区淤积三角洲冲刷泥沙1.329亿m3，设计淤积平衡纵剖面以上淤积的3850万m3泥沙全部冲刷消除，小浪底库尾淤积形态得到合理调整；下游卡口河段扰起泥沙164.13万m3，扰沙河段的平滩流量增加了510～640m3/s；下游河道利津以上各河段均发生冲刷，小浪底～利津河段共冲刷0.665亿t。说明通过调水调沙塑造适当的水沙过程，可以遏制黄河下游河道形态恶化的趋势。     

黄河第三次调水调沙试验

黄河第三次调水调沙试验于2004年6月19日-7月13日进行。这次试验利用汛前的水库蓄水，并充分借助自然的力量，通过万家寨、三门峡、小浪底干流水库群的联合调度，辅以人工的泥沙扰动措施，在小浪底库区人工塑造了异重流，调整了其库尾段不利的淤积形态，加大了小浪底水库排沙量，减少了水库淤积；同时，利用进入下游河道水流富余的挟沙能力，在黄河下游“二级悬河”及主槽淤积最为严重的卡口河段实施了河床泥沙扰动，减轻了下游淤积并增强了下游河道的主槽过洪能力。试验取得了预期效果，小浪底库区淤积三角洲冲刷泥沙1．329亿m^3，设计淤积平衡纵剖面以上淤积的0．385亿m^3泥沙被全部冲走，小浪底库尾淤积形态得到了合理调整；下游卡口河段扰起泥沙164．13万m^3，扰沙河段的平滩流量增加了510-640m^3／s；下游河道利津以上各河段均发生冲刷，小浪底一利津共冲刷泥沙0．6422亿t。     

黄河下游非漫滩高含沙洪水的沿程淤积分布

小浪底水库即将由拦沙初期转入拦沙后期,水库降水排沙会使黄河下游河道发生不同程度的淤积,给维持下游一定过流规模的主槽带来困难。通过对比4个不同含沙量与泥沙级配方案下游河道的冲淤量及泥沙沿程淤积情况,认为:1含沙量低且悬沙粒径细的非漫滩高含沙洪水在黄河下游河道淤积量相对较少,且各河段淤积较为均衡;2非漫滩高含沙洪水含沙量沿程调整迅速,含沙量越高,衰减幅度越大,中粗沙含量沿程明显减少,细沙含量沿程衰减得少;34个方案均以中粗沙淤积为主,淤积主要发生在花园口以上河段,粗沙淤积量占总淤积量的比例分别为58.0%、46.9%、48.5%、58.8%,花园口—夹河滩河段内各粒径泥沙淤积分配比例基本均等,夹河滩—高村河段淤积量小,粗沙淤积量相应较小,细沙淤积比例稍大。建议在小浪底水库降水冲刷期尽量避免下泄小流量、高含沙量的水沙过程,若不可避免,则应考虑尽可能减小悬沙粒径。     

小浪底水库运用对下游水污染分布影响研究

黄河小浪底库区及下游小浪底-花园口区间，是河南省沿黄地区和城市供水的主要水源地。通过对2002年以来小浪底库区及其下游小花区间水质监测资料的统计，从水质方面分析了小浪底水库运用初期对下游河道水环境的影响；结合小浪底水库调水调沙运用方式，对调水调沙期间库区及下游河道水质变化、泥沙对污染物的影响进行了分析。结果表明，调水调沙对小浪底库区水质的改善有利于优化下游河道的水体质量。     

小浪底水库汛期低水位排沙调度实践分析

截至2018年汛前,小浪底水库已淤积泥沙33.3亿m~3,水库综合调控能力及其对下游滩区防洪保安能力逐步减弱。在保证下游主河槽过流能力条件下,小浪底水库依据洪水预报降低水位排沙,对减少水库淤积、延长水库拦沙年限具有重要意义。2018年和2019年汛前预报黄河汛期来水偏丰,小浪底水库以控制花园口站流量不超过4 200 m~3/s为约束,提前预泄,同时联合调度上中游水库群,充分利用上游来水冲刷小浪底库区,达到了排沙减淤、输沙入海的效果。2019年、2018年汛期小浪底水库出库沙量分别为水库运用以来汛期排沙量的第一、第二位,库区淤积形态得到了调整改善,下游主槽过流能力得到维持并略有增大。小浪底水库低水位排沙运用调度是上中游水库群联合水沙调控模式的探索,为今后水库群调度运用积累了宝贵经验。     

小浪底水库拦沙对黄河下游河道的减淤作用

在小浪底水库蓄水拦沙期,进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,含沙量急剧降低,中水流量持续时间增长,水库调水调沙提高了河道输沙能力,改善了泥沙淤积部位。拦沙期(1999年10月—2018年10月),黄河下游河道共计冲刷21.015亿m~3。分析小浪底水库运用以来黄河下游河道泥沙冲淤时空变化特性及水库对水沙的调控效果,对比计算有、无小浪底水库两种工况下黄河下游河道冲淤量变化及减淤作用。水库拦沙期黄河下游河道减淤比为1.373∶1,其拦沙减淤效果与水沙条件、水库运用方式及河道边界等因素有关。     

前汛期中小洪水小浪底水库调水调沙方式

小浪底水库运用进入拦沙后期以来水沙偏枯,洪水期多采用蓄水拦沙方式运用,2007—2016年水库整体排沙较少,排沙比为26.7%,细沙排沙比约38.7%。前汛期是水库的主要排沙时段,排沙比为29.4%。分析认为,前汛期潼关站出现流量大于等于1 500 m~3/s持续2 d且含沙量大于50 kg/m~3的洪水过程时,小浪底入库沙量较多,2007—2016年满足条件的洪水仅出现5场,入库沙量占前汛期的72.5%;数学模型计算结果表明,上述洪水期间通过优化水库调度,可有效减缓水库淤积,同时下游河道淤积主要集中在小浪底—夹河滩河段,实测资料及前期研究表明淤积在小浪底—夹河滩河段的泥沙对河道影响不大,且在下次汛前调水调沙或者小浪底水库清水下泄过程中能够冲刷并向下游输送。     

小浪底水库清淤与黄河下游减淤分析

分析了黄河下游清淤方式和已有的研究成果,表明增大水流悬移质泥沙中细颗粒含量,并且颗粒级配合理,就可能形成利于泥沙输移的高含沙水流。提出采用管道排沙将小浪底水库内淤积的细颗粒泥沙排向下游的方案,一方面可以增大小浪底水库拦粗沙库容,另一方面可以提高黄河下游河道水流挟沙能力。     

黄河调水调沙

黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多，水沙不平衡”，按照黄河下游河道冲淤规律，只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为协调的强大功能。小浪底水库位于控制进入黄河下游河道水沙的关键部位，该水库控制了黄河径流量的91％，控制了近100％的黄河泥沙，2002年7月4日进行的黄河首次调水调沙试验控制花园口断面流量不大于2600m^3/s，平均含沙量不大于20kg/m^3，小浪底水库泄流历时不少于10天，黄河下游河道共冲刷泥沙0．362亿t，试验达到了预期的目的。通过这次试验，共取得测验数据520万组，这为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数，试验证明，利用水库调水调沙，将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系，是有利于输沙入海、减轻下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一。     

2003年黄河调水调沙试验

2003年的黄河调水调沙试验开始于9月6日9时,至9月18日18时30分结束,历时12．4天。通过以小浪底水库为主的四库联合调水调沙,有效地利用小浪底一花园口区间的清水,与小浪底水库下泄的高含沙水流进行水沙“对接”。在试验过程中,采取了陆浑水库适时调控、故县水库控泄运用,尽量拉长、稳定小花问的流量过程,以利于小浪底水库配沙;以小浪底水库的实时水沙调控,稳定花园口站水沙过程的调度方式。通过前期实测资料分析、数学模型计算和实体模型试验,紧紧围绕这次调水调沙试验的主要目标,控制花园口流量2400m3／s、含沙量30kg／m3。这次调水调沙试验使下游主河槽过流能力得到进一步恢复,下游河道总冲刷量0．456亿t,全河段大都发生了冲刷,从而为今后实施水库多目标调度、兼顾各方面效益积累了新的经验。     

2013年汛前调水调沙期小浪底水库排沙特性分析

依据实测资料,从洪水过程、边界条件、水库运用等方面分析了2013年汛前调水调沙小浪底水库异重流排沙比偏高的原因如下:(1)三门峡水库蓄水量大,塑造的洪水过程流量大、历时长;(2)对接水位接近小浪底水库淤积三角洲顶点,使得三角洲顶坡段发生沿程冲刷及溯源冲刷;(3)在三门峡水库泄空期间,潼关断面流量较大历时较长。     

从水库形态和调度方式看三峡工程泥沙处置

水库形态及水库高度方式对于水利工程的泥沙处置有显著的影响。一些库容相对很大而入库泥沙量相在的水库通常按“蓄水拦沙”方式运用，不专门控制泥沙。入禀尼沙星厢对很大的水颤是需要选择合适的调度攻有效的工程措施来控制泥沙；改建后的三门峡水库采用“蓄清排浑”的调度方式，葛洲坝工程顺应河势布置多种防淤冲沙建筑物，都成功地控制了泥沙。在比较世界上有代表性的几座大水库的形态、特征、调试方式、设计的运行的实足经验的基     

基于三门峡水库反馈效应的古贤水库调控指标分析

调水调沙是协调黄河水沙关系的重要途径之一。在对黄河潼关站1974-2017年汛期日均洪峰流量超过1 500 m³/s的162场场次洪水进行系统分析的基础上,筛选出82场以龙门来水为主的非漫滩洪水作为古贤水库调水调沙期近似下泄的水沙过程。通过对场次洪水在三门峡水库的沿程冲淤调整分析,从有利于三门峡库区河段冲刷、潼关高程降低和洪水冲刷效率等多方面综合考虑,提出调水调沙期间古贤水库适宜下泄的流量和含沙量等水沙调控指标为:洪峰流量2 000～4 000 m³/s,且在小北干流河段不漫滩,含沙量低于30 kg/m³,持续时间3～10天。     

黄河水沙过程调控与塑造下游中水河槽

随着黄河流域来水来沙过程的大幅变化及人类活动的加剧，黄河的健康状况日趋恶化。通过对黄河健康的内涵、维持黄河健康生命的理论与技术支撑、流域水沙资源优化配置数学模型、大型水利枢纽联合运用对黄河下游河道的减淤作用、塑造黄河下游河道中水河槽等方面的研究，提出了对黄河水沙调控体系的认识，并认为在目前实际的黄河水沙条件下，通过小浪底水库的调节，黄河下游河道经过5—8年的努力，是可以塑造出一个平滩流量为4000m^3／s左右的中水河槽的。     

浅谈小浪底水库泥沙问题

小浪底水库已于2000年1月下闸蓄水，其入库水少过程受制于三门峡水库出库水沙过程。因此，小浪底水库的运用必须考虑入库的水沙特点，水库泥沙问题也应结合库区其他条件来研究。制订水库运用方案时应充分吸取三门峡、官厅、巴家嘴等水库的经验教训，以期达到合理的目标。建议对富裕输沙能力问题、异重流排沙问题进行深入研究，多年调节泥沙问题应当慎重对待。     

黄河泥沙研究重大科技进展及趋势

从黄河水沙情势变化、黄河水沙运动基础理论、黄河水沙调控理论与技术、河床演变与河道整治,以及黄河下游河道滩槽协同治理、泥沙综合处理与利用方略等方面,概要地介绍了黄河泥沙研究的重大科技进展,展望了黄河泥沙研究的发展趋势,提出了未来一段时期在“黄河流域生态保护和高质量发展”重大国家战略指引下应关注的重大科学问题。     

论黄河小浪底水库拦沙后期的运用及水沙调控

小浪底水库是确保黄河下游防洪、减淤的关键性工程,2007年已进入拦沙后期。为了尽可能地延长水库的使用寿命和减少下游河道的淤积,以最大限度地发挥小浪底水库的作用,制定合理的水库运用方式是非常重要的。回顾了小浪底水库运用以来的贡献和新情况,评述了拟定的水库运用方式的研究成果,根据三门峡水库和黄河下游河道数十年来的冲淤变化的实践经验,提出了小浪底水库拦沙后期运用方式的原则和水沙调控的建议。     

黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水研究

输沙需水是维持主槽不萎缩的重要条件。本文在考虑黄河下游非汛期冲刷、大漫滩洪水淤滩刷槽冲淤特点的基础上,根据非漫滩洪水水、沙及河道冲淤关系,研究提出了维持主槽不萎缩的输沙需水计算方法,并结合小浪底水库典型水沙调节方案,分析计算了黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水量变化范围。研究表明,主槽维持规模、来沙量、水沙过程是维持主槽不萎缩输沙需水的重要影响因素,小浪底水库合理调控黄河下游水沙搭配关系后,维持主槽不萎缩的输沙需水可明显减少。