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黄河调水调沙(1)程力学毕业论文网(3)

2014-01-08 01:05 四、人工塑造协调的水沙关系——调水调沙
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相协调的水沙关系，完全可以使黄河下游河道实现不淤积。那么，如何才能对不平衡的水沙关系进行调节呢？关键的手段就是在下游河道之首建设具有足够库容的控制性水库，２００１年底竣工的黄河小浪底水库具备对不平衡水沙关系进行调节的强大功能。
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。水库总库容１２６．５亿ｍ３，长期有效库容５１亿ｍ３。小浪底水库的调水调沙功能是长期可以发挥的。因为，在水库运用的初期，也就是蓄水拦沙期，水库有足够的调水调沙库容。３０年后，拦沙库容淤满，水库转入正常运用期，在５１亿ｍ３的有效库容中，有１０．５亿ｍ３是作为调水调沙库容而设计的。
基于黄河下游河道的冲淤规律，小浪底水库的调水调沙运用一般采用以下两种方式：
一是控制出库含沙量、流量及其历时三要素。
对小浪底水库不同高程泄流设施（如排沙洞、明流洞等）进行组合，对水库出流要素进行控制，人工塑造一种适合于下游河道输沙特性的水沙关系，充分发挥使下游河道不淤积或冲刷条件下单位水体的输沙效能。
二是控制出库泥沙颗粒级配——“拦粗排细”。
既然颗粒直径小于０．０２５ｍｍ的细泥沙一般都能输送入海，将其蓄在水库中则没有任何好处。相反，若通过控制运用，只拦对下游危害严重的颗粒直径大于０．０５ｍｍ的粗泥沙，则水库不仅可以延长拦沙运用时间，而且可以收到明显的减淤效果。
（一）黄河首次调水调沙试验水库运用方式的确定
小浪底水库的运用分为以下几个阶段：第一阶段是起调水位以下死库容蓄水拦沙淤积阶段。第二阶段是逐步抬高汛期运用水位拦沙阶段，即在起调水位以下死库容淤满后，逐步抬高汛期运用水位拦沙运用，坝前淤积面基本以平行抬高的形态逐步淤高至２４５ｍ高程。第三阶段是高滩深槽拦沙运用阶段，即在坝前滩面淤高至２４５ｍ以后，继续将滩面淤高至２５４ｍ，丰水年份冲刷下切河槽并使之降至２３０ｍ高程，使库区形成高滩深槽淤积形态。第四阶段是利用水库５１亿ｍ３长期有效库容中的１０．５亿ｍ３的槽库容进行多年调水调沙运行。 本文来自中国科教评价网
目前，小浪底水库刚投入运用不久，正处于死库容蓄水拦沙运用阶段，该阶段水库蓄水体较大，不易做到“拦粗排细”。因为，“拦粗排细”运用方式的核心是要求水库维持较小的蓄水体，水流进入蓄水体，基本呈明流输沙状态，提高排沙比，达到多拦粗沙少拦细沙的目的。因此，黄河首次调水调沙试验小浪底水库的运用采用控制出库含沙量、流量及其历时方式。
（二）沙量、流量及其历时三要素的确定
１．含沙量
当前正处于死库容蓄水拦沙运用阶段的小浪底水库，为充填起始运用水位以下的死库容，水库运用必然要经过一段相对清水下泄时期，在此期间，水库排沙方式以异重流排沙为主，不同水沙条件的平均排沙比为１０％～２０％，出库含沙量较低。因此，根据黄河下游河道冲淤变化的年平均含沙量临界阈值２０～２５ｋｇ／ｍ３，确定本次试验的出库平均含沙量为小于２０ｋｇ／ｍ３。
２．流量
根据大量的实测统计资料分析，在水流含沙量小于２０ｋｇ／ｍ３的情况下，当花园口断面流量为８００ｍ３／ｓ，黄河下游河道冲刷可发展到高村以上；当花园口断面流量为１７００ｍ３／ｓ时，黄河下游河道冲刷可发展到艾山附近；当花园口断面流量为２６００ｍ３／ｓ时，黄河下游河道可全部冲刷，此即黄河下游河道冲淤变化的临界流量；当花园口断面流量为３７００ｍ３／ｓ时，黄河下游河道冲刷效率最高。
本次试验确定控制花园口断面流量２６００ｍ３／ｓ（相应控制艾山断面２３００ｍ３／ｓ，利津断面２０００ｍ３／ｓ）。
理由如下：
（１）本次试验属首次调水调沙试验，试验的目的之一就是寻找黄河下游河道冲淤变化的临界流量，而大量的实测统计资料认为，２６００ｍ３／ｓ即为下游河道冲淤变化的临界流量。

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（２）１９８６年以来，汛期进入黄河下游河道的主体流量小于３０００ｍ３／ｓ，下游河道，特别是主河槽淤积严重，局部河段（如高村以上）平滩流量已降至３０００ｍ３／ｓ左右。
（３）近一个时期，河道整治工程多是为了适应小水上提河势而续建的，黄河下游游荡性河道的河势尚未得到有效控制。物理模型试验结果表明，当控制花园口断面流量３７００ｍ３／ｓ时，下游部分河段的河势发生了明显变化。同时，考虑到下游河道局部河段的整治工程，因其未受长时期中等以上洪水考验，根石可能会有走失现象，并由此造成重大险情，对防洪带来不利影响。
３．历时
从花园口断面至黄河入海口，每个断面都有一个冲淤变化的临界流量，若泄流历时太短，则会因下游河道的槽蓄作用而使行进流量衰减太快，以致于无法满足下一个河段的冲刷流量要求。
本次试验前的理论分析，在含沙量２０ｋｇ／ｍ３、泄放流量２６００ｍ３／ｓ时，从小浪底水库至黄河入海口的临界时间是６ｄ。
试验开始时确定的泄放２６００ｍ３／ｓ流量的历时为不少于１０天。
理由如下：
（１）理论上提出的６ｄ历时，是在水流不漫滩的情况下计算出来的。由于近些年来黄河下游河道一直未有遇到过大洪水，长期的小流量下泄致使部分河段的主河槽淤积严重，局部河段的平滩流量已降至３０００ｍ３／ｓ以下，下泄２６００ｍ３／ｓ很有可能在局部河段出槽漫滩，若出现这样的情况，６ｄ的临界历时就很难保证把人造洪峰携带的泥沙送至大海，部分河段还将发生严重淤积。
（２）试验开始时的小浪底水库蓄水位为２３６．４２ｍ，而汛限水位为２２５ｍ，水库蓄水位超出汛限水位１１．４２ｍ，超蓄水量１４．６亿ｍ３，且预报小浪底入库流量为１０３０ｍ３／ｓ。若按下泄２６００ｍ３／ｓ历时６ｄ考虑，试验结束时，小浪底水库蓄水位仍将超过汛限水位。若按历时１０ｄ考虑，试验结束时，小浪底水库水位为２２５．５２ｍ。试验采用历时不少于１０ｄ，即可以在试验结束时，小浪底水库水位降至汛限水位２２５ｍ以下。 （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）
（３）通过对１９６０年９月～１９９６年６月黄河下游发生的含沙量小于２０ｋｇ／ｍ３的１１０场洪水统计，历时共９３７ｄ，平均每场洪水９．４ｄ。其中，流量大于２５００ｍ３／ｓ的洪水共发生了３５场，历时３４２ｄ，全下游河道发生冲刷２１．５８亿ｔ，平均每场洪水冲刷０．６２亿ｔ。平均每场洪水的时间约为１０ｄ。
（三）小浪底水库库区及下游河道测验断面的布设
在小浪底水库库区共布设１９７个测验断面，其中布设淤积测验断面１７４个，库区水沙因子断面２个，坝前漏斗测验断面２１个。在小浪底坝下至黄河入海口共布设２９７个测验断面，其中，下游河道布设淤积测验断面１１６个，滨海区地形测验断面８１个。
（四）试验过程及结果
试验从２００２年７月４日９时开始，小浪底水库蓄水位２３６．４２ｍ，蓄水量４３．５亿ｍ３。７月１５日９时，小浪底水库放水结束，水位降至２２３．８４ｍ。试验下泄总水量２６．１亿ｍ３（其中水库补水１５．９亿ｍ３，汛限水位以上补水１４．６亿ｍ３）。试验过程中，小浪底水库入库沙量１．８３１亿ｔ，出库沙量０．３１９亿ｔ，水库淤积１．５１２亿ｔ，排沙比１７．４％，控制在设计排沙比１０％～２０％以内。
１．试验参数控制
花园口断面平均含沙量为１３．３ｋｇ／ｍ３，设计值为小于２０ｋｇ／ｍ３；
花园口断面平均流量为２６４９ｍ３／ｓ，设计值为２６００ｍ３／ｓ；
小浪底水库泄流历时１１ｄ，设计值为不少于１０ｄ。
２．测验情况
（１）小浪底水库库区
河床采样１５７次；
实测坝前漏斗３次，累计长度９０ｋｍ；
实测一次完整的异重流过程，累计测量断面长度１２７ｋｍ。
（２）下游河道 （科教作文网http://zw.ΝsΕac.cOM编辑）
流量测验３１０次；
水位测验１１２９０次；
报汛２８５０次；
输沙率测验１１５次；
单沙１０９５次；
留取颗分沙样４７００个；
过水断面测验３８３个；
河床质采样２０００个。
（３）测验数据
本次试验，共取得测验数据５２０万组。
３．试验结果
（１）黄河下游河道共冲刷０．３６２亿ｔ
以河段分，艾山以上冲刷０．１３７亿ｔ。 其中，夹河滩以上冲刷０．２０２亿ｔ，夹河滩－孙口河段淤积０．０８２亿ｔ，孙口－艾山河段冲刷０．０１７亿ｔ。艾山以下冲刷０．２２５亿ｔ。以滩槽分，滩区（仅在白鹤－花园口，夹河滩－孙口河段）淤积０．２００亿ｔ，河槽（全下游河段）冲刷０．５６２亿ｔ。
（２）主河槽冲刷平均深度
夹河滩以上０．１６～０．１８ｍ，夹河滩－孙口０．２４～０．２６ｍ，孙口－艾山０．０７ｍ，艾山以下０．１２～０．１６ｍ。
（３）主河槽增加过流能力
夹河滩以上２４０～３００ｍ３／ｓ，夹河滩－孙口３００～５００ｍ３／ｓ，孙口－艾山９０ｍ３／ｓ，艾山－利津８０～９０ｍ３／ｓ，利津以下２００ｍ３／ｓ。
（４）对河道整治工程的适应性检验
白鹤－京广铁桥河段，河势总体上向好的方向发展；京广铁桥－东坝头河段，明显地暴露出由于河道整治工程不配套，河势变化虽然较小，但流路很不规顺，长期以来小水形成的不利河势没有改变；东坝头以下河段，河势比较规顺，流路比较稳定。
（５）对各河段河槽平滩流量的检验
近几年，由于来水严重偏枯，小浪底水库只下泄满足下游工农业用水要求的小流量过程，致使下游河道的主河槽淤积萎缩，平滩流量大幅度减小。但具体到某一河段的主槽平滩流量到底是多少，却不好估计出来。本次试验用花园口断面平均流量２６００ｍ３／ｓ下泄１１ｄ，在夹河滩－孙口河段表现出明显的高水位（如苏泗庄断面的水位甚至超过了“９６?８”洪水６８１０ｍ３／ｓ的水位０．２８ｍ），并出现漫滩情况，实际检验高村上下河段二级悬河形势加剧，平滩流量已降至２０００ｍ３／ｓ左右。
（６）对洪水演进时间的检验
本次试验，自小浪底水库下泄最大流量３４８０ｍ３／ｓ（７月４日１０：５４）至黄河入海口出现最大流量２４５０ｍ３／ｓ（７月１９日１０：００），历时１５ｄ，较一般情况下洪峰演进历时加长了约１倍。特别是夹河滩－高村河段，一般情况下，该河段１８００ｍ３／ｓ流量演进时间为３０ｈ，而本次试验中２５００ｍ３／ｓ流量的演进时间却长达８２ｈ。高村－孙口河段，一般情况下，１７００ｍ３／ｓ流量的演进时间为３１ｈ，而本次试验中２３００ｍ３／ｓ流量的演进时间却长达１１８ｈ。究其原因，一方面是洪水漫滩，另一方面说明长时间小流量下泄后，嫩滩已被垦殖，由此增大了河道糙率。
（７）对数学模型和实体模型参数进行率定
目前已投入运行的数学模型和实体模型均是在过去统计资料的基础上建设起来的，通过本次试验中对数学模型和实体模型的同步操作，发现模拟的结果与原型试验有许多不相符的方面，说明完全有必要而且也有条件利用本次原型试验所取得的宝贵资料对数学模型和实体模型的参数进行率定，以便进一步提高模型对原型的模拟精度。
总之，黄河首次调水调沙试验达到了预期的目的。本次试验所取得的结果不仅仅反映在黄河下游河道０．３６２亿ｔ的冲刷量上，更为重要的是，通过本次试验，积累了对黄河测验的海量数据（５２０万组），加深了我们对黄河河床演变及水沙规律的认识，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。同时，也让我们进一步认识到黄河治理的复杂性和艰巨性。
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。今后，还应该积极创造条件，继续进行调水调沙试验。当然，试验的参数、小浪底水库的运用方式等试验条件，都将会有所变化。

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