黃河上游沙漠寬谷河段水沙調(diào)控初步研究

白 濤 王義民 金文婷 李 強(qiáng) 黃 強(qiáng)(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

黃河上游沙漠寬谷河段水沙調(diào)控初步研究

白 濤 王義民 金文婷 李 強(qiáng) 黃 強(qiáng)(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

針對(duì)黃河上游沙漠寬谷河段的水沙調(diào)控問(wèn)題，分析上游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行前后下游河道水沙關(guān)系變化；構(gòu)建并求解復(fù)雜梯級(jí)水庫(kù)群水沙調(diào)控模型，獲得了沙漠寬谷河段不同水沙調(diào)控方案的結(jié)果；闡明了參與水沙調(diào)控的梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控水沙的能力，研究成果可為黃河上游沙漠寬谷河段河道水沙調(diào)控科學(xué)對(duì)策的提出提供技術(shù)支撐;對(duì)維護(hù)寧蒙河段沖淤的相對(duì)平衡、保障凌洪安全，以及豐富梯級(jí)水庫(kù)群水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度理論，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

寬谷河段;水沙調(diào)控;調(diào)控研究;黃河上游

1 研究背景

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也導(dǎo)致極端氣候頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境愈加脆弱、水資源供需矛盾日益突出，黃河上游沙漠寬谷河段河槽萎縮、河道淤積嚴(yán)重，形成長(zhǎng)達(dá)268km的“新懸河”。河床高程比沿黃城市地面高3～5m，甚至在“十大孔兌”處形成高約4m的“支流懸河”，不僅造成了過(guò)流能力下降、寧蒙河段“小水致大災(zāi)”、洪凌災(zāi)害頻發(fā)的嚴(yán)峻局面[1]，更嚴(yán)重影響到重大水利工程的布局和實(shí)施，甚至是全流域水資源的開(kāi)發(fā)利用，危及黃河下游河道及人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。

因此，利用龍羊峽的多年調(diào)節(jié)性能和龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)群(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“龍劉兩庫(kù)”)的聯(lián)合調(diào)度，開(kāi)展黃河上游沙漠寬谷河段的泥沙治理研究工作，防治黃河上游的“新懸河”，維護(hù)黃河健康，促進(jìn)黃河上游水能資源的開(kāi)發(fā)利用，保障寧蒙河段和下游河段的洪凌安全，具有重要的實(shí)際意義。

本文研究黃河上游沙漠寬谷河段水沙調(diào)控，旨在通過(guò)黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群水沙聯(lián)合調(diào)度，人工塑造適宜于沖刷河道的洪峰過(guò)程，遠(yuǎn)距離沖沙輸沙，改善上游河道不和諧的水沙關(guān)系，減緩河道淤積。

2 梯級(jí)水庫(kù)群對(duì)下游河道水沙關(guān)系影響分析

為分析龍劉兩庫(kù)運(yùn)行前后對(duì)下游寧蒙河段水沙關(guān)系的影響[2]，根據(jù)兩庫(kù)不同的投運(yùn)時(shí)間，將1954～2006年系列分為1968年以前(天然)、1969～1986年(劉家峽單庫(kù)運(yùn)行)、1987年以后(龍劉兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行)3個(gè)時(shí)段[3]。分析不同時(shí)期黃河上游沙漠寬谷河段河道實(shí)測(cè)水量、沙量的變化情況后可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 1954～1968年下河沿、石嘴山、頭道拐各水文站汛期水量占全年徑流量的60%以上，而沙量占全年輸沙量的80%以上，說(shuō)明該河段的泥沙輸送主要發(fā)生在汛期，也驗(yàn)證了黃河干流“大水挾大沙”的泥沙輸移規(guī)律。

(2) 1987～2006年龍劉兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，各斷面的水量和沙量均明顯減小，下河沿、石嘴山、頭道拐各水文站多年平均水量較1954～1968年分別減少28.7%、32.7%和43.3%，沙量分別減少66.1%、60.2%和78.2%。黃河上游龍劉兩庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)行，改變了黃河上游沙漠寬谷河段各站年內(nèi)的水沙分配。

根據(jù)建庫(kù)前后各水庫(kù)下游控制水文站歷年水量、輸沙量數(shù)據(jù)，分別點(diǎn)繪劉家峽下游控制水文站(小川站)、龍羊峽下游控制水文站(貴德站)年水量與輸沙量關(guān)系曲線，如圖1～2，分析水庫(kù)建成前后下游水文站的水沙關(guān)系變化。

由圖1、2分析可知：

(1)劉家峽水庫(kù)建庫(kù)前，小川站年水量與輸沙量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，1952～1968年年均輸沙量為0.81億t，年平均流量為925m3/s；自1969年劉家峽水庫(kù)蓄水投運(yùn)后，小川站年水量與輸沙量的線性關(guān)系發(fā)生改變。1969～1986年年均輸沙量為0.16億t，年均流量為910m3/s，在相同流量下,建庫(kù)前后輸沙量減少80%左右，說(shuō)明小川站的水沙關(guān)系在劉家峽建庫(kù)前后發(fā)生了明顯變化。

(2) 與劉家峽建庫(kù)前后的情況類(lèi)似，龍羊峽建庫(kù)前貴德站年水量與輸沙量呈指數(shù)關(guān)系，建庫(kù)后趨于線性關(guān)系，且多年平均輸沙量由建庫(kù)前的0.25億t減少到建庫(kù)后的0.03億t，減幅達(dá)88%；多年平均流量由建庫(kù)前的698m3/s減少到建庫(kù)后的547m3/s，減幅為22%。

可見(jiàn)，龍劉兩庫(kù)相繼投運(yùn)后，減少了站點(diǎn)年徑流量和汛期徑流量，對(duì)下游河床的沖淤帶來(lái)不利影響，使黃河上游沙漠寬谷河段河道的沖淤局勢(shì)進(jìn)一步惡化。

3 水沙規(guī)律分析

為研究水沙規(guī)律[4]，將研究區(qū)域劃分為下河沿至青銅峽、青銅峽至石嘴山、石嘴山至巴彥高勒、巴彥高勒至三湖河口、三湖河口至頭道拐5個(gè)河段,并針對(duì)不同河段水沙規(guī)律進(jìn)行分析。將各河段的含沙量分為4個(gè)區(qū)間，即0～3，3～7，7～15kg/m3和大于15kg/m3，點(diǎn)繪各站洪水期平均流量與各區(qū)間河段的沖淤量關(guān)系散點(diǎn)圖，將各區(qū)間水沙規(guī)律總結(jié)、歸納，可得出以下規(guī)律。

(1) 寧夏河段各站的含沙量分布較為均勻，雖以0～3，3～7kg/m3為主，但其他含沙量區(qū)間均有出現(xiàn)。內(nèi)蒙古河段主要以3～7，7～15kg/m3為主，0～3kg/m3以及大于15kg/m3的情況極少。下游河段的含沙量較上游河段明顯增大，含沙量隨河道下移有增大趨勢(shì)。即下河沿至青銅峽區(qū)間平均含沙量最小，三湖河口至頭道拐區(qū)間含沙量最大。

(2) 在洪水期,寧夏河段各站流量在1 000～3 000m3/s內(nèi)，內(nèi)蒙古河段各站流量有所減少，基本在500～2 500m3/s以?xún)?nèi)。

(3) 寧夏河段水沙沖淤規(guī)律較內(nèi)蒙古河段呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。當(dāng)流量在1 000m3/s左右時(shí)，寧夏河段有沖有淤，沖淤基本平衡，只有在大含沙量時(shí)淤積明顯；內(nèi)蒙古河段呈現(xiàn)明顯淤積形態(tài)，在小流量時(shí)就產(chǎn)生淤積。

(4) 各站沖刷效果較好的區(qū)域集中在含沙量3～7kg/m3、流量2 000～3 000m3/s的區(qū)域內(nèi)。隨著流量增大，部分站點(diǎn)在流量大于4 000m3/s時(shí)可獲得區(qū)間的最大沖刷量。

(5) 當(dāng)含沙量大于15kg/m3以后，無(wú)論區(qū)間河段流量多少，河道基本處于嚴(yán)重淤積狀態(tài)。換言之，在研究區(qū)域的泥沙含量超過(guò)15kg/m3以后，基本不具有沖沙輸沙條件。

根據(jù)各區(qū)間河段的水沙規(guī)律，得到了不同區(qū)間河段、不同含沙量情況下的水沙閾值系列，以塑造能使河道沖刷的人造洪水流量過(guò)程，滿足水沙調(diào)控的流量要求。

4 多目標(biāo)水沙調(diào)控模型建立及求解

黃河上游水沙聯(lián)合調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控目標(biāo)可分為4類(lèi)，即防凌、防洪目標(biāo)，維持河道沖淤相對(duì)平衡目標(biāo)，水資源供需平衡目標(biāo)以及發(fā)電目標(biāo)。

(1) 防凌、防洪目標(biāo)[5]

防凌目標(biāo)為

(1)

式中，QC(劉家峽，t)指劉家峽水庫(kù)t時(shí)段的出庫(kù)流量，m3/s；Qf1(t)為t時(shí)段劉家峽水庫(kù)為滿足防凌要求的流量閾值，m3/s。

防洪目標(biāo)為控制水庫(kù)防洪水位及下泄流量，確保大壩水庫(kù)及下游地區(qū)安全。

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(2)

式中，Z(m,t)為第m水庫(kù)t時(shí)段的水庫(kù)水位，m。 Zmin(m,t)、 Zmax(m,t)分別是第m水庫(kù)t時(shí)段的最小、最大控制水位,m。

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(3)

式中， QRc(m,t)為第m水庫(kù)t時(shí)段的下泄流量，m3/s, QRcmin(m,t),QRcmax(m,t)分別為第m水庫(kù)t時(shí)段的最小、最大控泄流量，m3/s。

(2) 維持河道沖淤相對(duì)平衡目標(biāo)

(4)

式中， W為河段輸沙量,t;T為調(diào)度周期，a；N為輸沙斷面數(shù)目；w(i,t)為i斷面t時(shí)段的輸沙量，t，由各斷面的輸沙率確定；Δt為調(diào)度時(shí)段長(zhǎng)度，月。

(3) 水資源供需平衡目標(biāo)

QSmin(t)≤QC(蘭州,t)

(5)

式中， QSmin(t)為斷面的最小供水量，m3;QC(蘭州,t)為蘭州斷面t時(shí)段的流量，m3/s。

(4) 發(fā)電目標(biāo)

(6)

式中，E為梯級(jí)總發(fā)電量，kW·h；N(i,t)為第i個(gè)電站在第t時(shí)段的平均出力，kW;Δt為調(diào)度時(shí)段長(zhǎng)度。

考慮的約束條件有節(jié)點(diǎn)水量平衡、節(jié)點(diǎn)間水流連續(xù)性、水庫(kù)水量平衡、水庫(kù)庫(kù)容、防凌、出庫(kù)流量、出力和變量非負(fù)約束[7]。

本文采用自迭代模擬優(yōu)化算法求解模型[6-8]。

5 水沙調(diào)控成果及其分析

5.1 方案制定

選取2010年作為現(xiàn)狀年[9,10]，從來(lái)水、調(diào)控流量、水資源供需要求、龍羊峽起調(diào)水位和可調(diào)沖沙水量等多方面設(shè)置了水沙調(diào)控方案，根據(jù)最小棄水原則,對(duì)水沙調(diào)控方案集進(jìn)行了修正。其中，在方案1中，設(shè)定控制流量為2 240m3/s,可供沖沙水量為97億m3，沖沙用水量為58億m3；在方案2中，設(shè)定控制流量為2 580m3/s,可供沖沙水量為97億m3，沖沙用水量為67億m3；初始方案中無(wú)設(shè)定。

5.2 計(jì)算結(jié)果

將2010年各水庫(kù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況及各相關(guān)斷面流量、沙量的實(shí)測(cè)值作為初始方案，以便與其他調(diào)控方案進(jìn)行對(duì)比分析。在2010年各水沙調(diào)控方案中,龍羊峽起始水位為2 591.4m，可供沖沙的水量為97億m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

以初始方案為參照，分別對(duì)各優(yōu)化方案的發(fā)電量、水庫(kù)水位、各斷面沖淤效果進(jìn)行系統(tǒng)分析。

(1) 優(yōu)化調(diào)度方案的梯級(jí)發(fā)電量均比初始方案的多。對(duì)比分析后可知，隨著水沙調(diào)控控制流量的增加，梯級(jí)發(fā)電量雖有增加，但龍羊峽水庫(kù)的蓄能電量減小，棄水損失電量增加，造成發(fā)電效益的巨大損失，不利于梯級(jí)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2) 各優(yōu)化方案中劉家峽水庫(kù)汛期來(lái)臨前將水位控制在1 726m以下，預(yù)留了足夠的防洪庫(kù)容，可保證汛期防洪安全。各優(yōu)化方案能夠保證汛期劉家峽水庫(kù)的防洪安全，且增加了水沙調(diào)控的控制流量，更有利于保證劉家峽水庫(kù)汛期的防洪安全。

(3) 在初始方案中,沙漠寬谷河段有沖有淤，總體上微淤，區(qū)間河段的淤積量為0.053 1億t，主要淤積發(fā)生在青銅峽至石嘴山區(qū)間河段。隨著各斷面輸沙流量的增加，方案2的頭道拐站輸沙量和區(qū)間輸沙量均大于方案1,河道沖刷效果也較方案1更為顯著。本文推薦方案2作為優(yōu)選方案。

注：龍羊峽蓄補(bǔ)水量為正值,表示水庫(kù)蓄水；反之表示水庫(kù)補(bǔ)水；區(qū)間沖淤量為正值,表示區(qū)間河段淤積，反之表示區(qū)間河段沖刷。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，黃河上游沙漠寬谷河段的水沙聯(lián)合調(diào)度還處于理論研究探討階段，并未進(jìn)入試驗(yàn)階段，缺乏水沙調(diào)控過(guò)程中水沙關(guān)系變化、河道沖淤演變等第一手實(shí)測(cè)資料，特別是對(duì)于大流量水沙調(diào)控流量對(duì)應(yīng)的水沙關(guān)系變化過(guò)程不詳。下一步預(yù)備開(kāi)展黃河上游沙漠寬谷河段的原型或模型實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證各水沙調(diào)控方案的調(diào)控成果。

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(編輯：唐湘茜)

2015-04-09

白濤, 男, 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，講師，博士.

技術(shù)研究

1006-0081(2015)04-0034-04

P332.5

A