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流域水沙资源优化配置理论与模型及其在黄河下游的应用.pdf

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流域水沙资源优化配置理论与模型及其在黄河下游的应用 胡春宏，陈绪坚 （中国水利水电科学研究院，北京100044） 摘要：本文在分析流域水沙资源利用现状、水沙灾害性及水沙优化配置必要性的基础上，构建了流域水沙资源 联合多目标优化配置理论框架，它由河床演变均衡稳定理论和水沙资源联合多目标优化配置理论组成，进而建 立了流域水沙资源优化配置数学模型，该模型包括河床演变均衡稳定模型和水沙资源多目标优化配置模型两个 子模型。应用模型计算分析了黄河下游主河槽的均衡稳定断面尺寸和输水输沙优化的临界指标，提出了强化非 恒定流调水调沙、调控含沙量60～100kg/m3之间的不利水沙条件等改善小浪底水库调度运用的措施，并进一步 提出了黄河下游水沙资源多目标优化配置的模式,应用模型计算分析了不同水沙条件的水沙资源优化配置方案, 为黄河下游河道的科学治理提供了新的思路。 关键词：水沙资源；优化配置理论；数学模型；水库运用；黄河治理 中图分类号：TV文献标识码:A 人类对河流的开发治理改变了流域水沙资源自然的时空分布,以水资源开发为中心的治河模式 虽然使水资源和水能资源得到了充分利用，但也出现了水库淤积、河槽萎缩、水沙灾害加剧、河流 健康状况恶化等问题，我国的长江、黄河及世界上的很多河流都出现了类似的问题。在当前社会系 统、经济系统及环境系统与河流系统高度依存的条件下，河流系统回归自然已不可能，江河治理只 能向建立全流域甚至跨流域的人与自然和谐的水沙调控体系发展，但建立全面的流域水沙调控体系 需要相应的理论和技术支撑[1-2]。随着社会经济发展对资源和环境的要求不断提高，流域内的水沙灾 害对社会经济发展的影响越来越突出，流域水沙资源联合优化配置势在必行，通过水沙资源联合配 置和泥沙资源化利用实现水沙灾害治理，达到兴利除害和合理利用水沙资源的目的，将对社会经济 发展产生深远的影响并带来巨大的经济、社会和环境效益。本文以改善河道输水输沙能力和维持河 道稳定为基础，建立了流域水沙资源联合多目标优化配置理论和模型，并针对当前黄河下游主河槽 淤积萎缩、“二级悬河”形势严峻的现实，探讨了黄河下游的水沙资源优化配置模式，对水少沙多的 黄河流域治理和水沙资源利用具有重要的理论意义和应用价值。 1流域水沙资源优化配置理论和数学模型框架 流域系统已经形成了以水沙运动为联系纽带、自然流域和人类工程相互影响的复杂系统，流域 水沙资源优化配置是一项难度很大的复杂系统工程，它涉及产流产沙、水土保持、水库运用、水沙 运动、河床演变和河道治理等多方面的理论。进行流域水沙资源优化配置的原因，主要还是由于随 着人类活动的加剧，河道输水输沙能力出现问题，导致频繁的水沙灾害，但河道水沙灾害治理需要 站在流域面上来考虑问题，通过多措施统筹、多目标兼顾、水沙联合配置和泥沙资源化利用等解决 问题[1]。流域水沙资源优化配置包括改善河道输水输沙能力和流域水沙资源综合利用两个相互关联 的方面，是以改善河道输水输沙能力和维持河道稳定为基础的水沙资源联合多目标优化配置，要达 到两个重要目的：一是优化配置水沙资源，改善河道输水输沙能力和维持河道稳定；二是合理利用 水沙资源，创造最大的社会、经济和生态多目标综合效益。流域水沙资源优化配置理论由以下两方 面的理论构成：一是冲积河流河床演变均衡稳定理论；二是流域系统水沙资源总量平衡的水沙资源 联合多目标优化配置理论，在上述两方面理论研究的基础上，可建立相应的数学模型，作为分析研 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目；国家自然科学基金项目（50479069） 作者简介：胡春宏（1962－），男，汉族，浙江慈溪人，博士，教授级高工，主要从事水力学及河流动力学 研究。E-mail:huch@iwhr.com 1 究实际问题的工具，该理论和数学模型框架如图1所示。 流域水沙资源优化配置(涉及产流产沙、水土保持、水库运用、水沙运动、河床演变和河道治理等) 改善河道输水输沙能力流域水沙资源综合利用 河床演变均衡稳定理论流域水沙资源联合多目标优化配置理论 河流熵理论及其它水沙优化配置优化配置层次分析 运动和河床演变的理论水资源泥沙资源专家调查 河床演变均衡稳定数学模型配置约束条件综合目标函数 河床演变均衡稳定断面和维持河槽稳定其它约束条件 河道输水输沙优化临界指标 流域水沙资源多目标 维持河槽措施及冲淤调整量维持河槽约束条件优化配置数学模型 图1流域水沙资源优化配置理论和数学模型框图 流域水沙运动过程是在人类活动影响和工程措施作用下水流搬运泥沙的复杂过程，虽然通过水 库调水调沙运用在一定程度上可实现河道水沙运动过程的优化配置，将优化配置理论与水沙数学模 型相结合，以水库运行、水沙运动及河床变形方程为约束条件也可以构造河道范围内的水沙优化配