荆江河段泥沙冲淤对三峡水库汛期排沙的响应

三峡水库汛期排沙研究大多关注库区的减淤效应,对坝下游河道的冲淤影响尚需进一步研究,对优化水库调度和河道保护利用具有重要意义。以三峡水库下游荆江河段为对象,建立了荆江长河段二维水沙数学模型,并结合实测资料分析,基于三峡水库2018年7月排沙调度,通过设置不同的排沙比(7%～100%),计算分析了荆江河段冲淤对三峡水库排沙比的响应。结果表明：虽然荆江河段全年总体冲刷,但排沙比较大时汛期仍可能淤积,上荆江河段受排沙调度影响相对较大;总体而言,2018年汛期水沙条件下,30%左右的排沙比是荆江河段洪季冲淤的临界点;排沙比提高后,汛期淤积部位大部分为边滩等缓流区,以及弯曲河段凹岸等,主槽仍冲刷,对维护滩槽高差具有积极意义。     

三峡水库1990—2021年洪峰沙峰异步特性分析

泥沙淤积问题是水库能否长期运行的关键，根据洪峰沙峰异步特性进行沙峰排沙调度是减少水库淤积、保持水库库容的有效手段，研究水库洪峰沙峰异步特性具有重要意义。针对现有分析异步特性的方法存在不能反映整体水沙过程异步情况、异步类型分类不明确等局限性，本文基于动态时间规整(DTW)算法，将洪峰沙峰过程图形特征数值化，进而计算异步时长并判断异步类型，以三峡水库1990—2021年的洪水过程为研究对象分析其洪峰沙峰异步特性。研究结果表明：三峡水库与金沙江下游梯级水库修建后，三峡水库坝前沿程各站的沙峰滞后比例增加，且距坝里程越近异步时长减小越多；与传统方法相比，DTW算法考虑了完整的场次洪水水沙变化过程，能有效处理复杂洪水过程，适用性良好，在水库运行管理与排沙调度方面具有应用潜力与发展前景。     

基于微分对策理论的多沙河流水库调度

水库的排沙问题一直是多沙河流水库调度研究的重点之一。由于大部分多沙河流的来水来沙主要集中于汛期,因此水库汛期的蓄水兴利与泄水排沙的矛盾十分突出,具有典型的博弈关系,该关系可以利用博弈的相关理论进行描述。基于微分对策理论,将多沙河流水库汛期的供水兴利与泄水排沙看作博弈的双方,建立起以排沙和供水的综合效益作为性能指标函数的多沙河流水库汛期调度模型,研究了多沙河流水库汛期的调度问题,并通过陕西黑河某水库的实测资料对该模型进行了验证计算。计算结果表明,建立的调度模型能够较好地反映多沙河流水库汛期调度中的主要矛盾,实现对供水与排沙综合效益的优化。     

基于投影寻踪和粒子群优化算法的洪水分类研究

洪水分类实际上是洪水强度大小辨别的优化问题。洪水分类不仅影响着水库的实时调度，而且也影响着洪水灾害危险评估。对利用降水预报进行洪水资源利用的水库来说，洪水分类对水库实时调度规则的建立有着重要的作用。因此，洪水分类是一个重要的理论和实践问题。本文以长江三峡水库代表性水文站——宜昌站为研究对象．基于投影寻踪方法建立了洪水分类的优化模型，并利用粒子群优化算法对所建模型进行求解。结果表明了投影寻踪方法和粒子群优化算法在洪水分类研究中的有效性和合理性．     

三峡库区汛期洪峰和沙峰异步运动特性的三维数值模拟

三峡水库蓄水后水深的增加导致洪水传播过程中沙峰滞后于洪峰的时间增加,利用洪峰和沙峰异步运动特性进行沙峰排沙调度是减缓水库淤积的重要手段之一。采用三维数值模型SCHISM（Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model）研究三峡库区洪峰和沙峰的异步运动规律,基于2013年的汛期水沙传播过程验证模型的可靠性和准确性,初步分析不同洪水位下洪峰和沙峰的异步运动特性。结果表明:数值模型能够准确地模拟三峡水库汛期洪峰和沙峰长距离的传播过程;坝前蓄水位对洪峰传播时间的影响不大,但是对沙峰传播时间的影响较为显著;坝前水位增加使水流的流速减小和挟沙能力降低,沙峰传播速度减慢且峰值沿程不断降低,最终导致库区中沙峰滞后于洪峰出现的时间沿程越来越长。研究结果可为进一步优化三峡水库的沙峰排沙调度等提供科学依据。     

基于相似性的多沙水库坝址含沙量预测

坝址含沙量过程是合理进行水库水沙调度的重要依据.在浑水总流模型的基础上,提出了基于洪水相似性的多沙水库坝址含沙量预测方法.通过聚类分析将洪水案例分组,并分别率定模型参数;根据洪水相似性动态选择未知洪水模型参数;进行模型计算.结果表明,分组率定参数一定程度上能够提高坝址含沙量预测精度,尤其是沙峰出现时刻.这对指导水库水沙调度具有实际意义,有助于决策者制定合理的排沙时机,提高排沙效率.     

基于优化-模拟技术的生态库容

为发挥水库在水资源开发利用与河流生态环境问题之间的协调作用,以丹江口水库为例,探讨了综合利用水库生态库容划分方法。以丹江口水库下游襄阳和仙桃为控制断面,采用Tennant法计算下游河道生态流量的参考值。在考虑丹江口水库的防洪、生态、供水、调水、发电、航运等综合任务和汉江中下游水量联系的基础上,建立了综合利用水库的生态库容优化模型,拟定了4组调度规则,应用自适应遗传算法和模拟调度方法进行求解。计算结果表明:设置生态库容后的调度图能较好地满足控制断面对生态流量的需求,获得较佳综合利用效益。     

基于优化-模拟技术的生态库容

为发挥水库在水资源开发利用与河流生态环境问题之间的协调作用,以丹江口水库为例,探讨了综合利用水库生态库容划分方法.以丹江口水库下游襄阳和仙桃为控制断面,采用Tennant法计算下游河道生态流量的参考值.在考虑丹江口水库的防洪、生态、供水、调水、发电、航运等综合任务和汉江中下游水量联系的基础上,建立了综合利用水库的生态库容优化模型,拟定了4组调度规则,应用自适应遗传算法和模拟调度方法进行求解.计算结果表明:设置生态库容后的调度图能较好地满足控制断面对生态流量的需求,获得较佳综合利用效益.     

灌溉水库水资源综合利用的多目标决策模型

以湖南龙源水库为例,应用系统分析方法,建立了以灌溉为主综合利用水库优化续建规划和调度运用的大系统多目标决策模型,并提出用带有变动惩罚项的动态规划法求解多目标动态规划模型.实例研究表明:数学模型和求解方法是可行的,优化调度所取得的效益是显著的.     

面向生态的额尔齐斯河水库群中长期调度

为解决水库群中长期生态调度问题,以新疆额尔齐斯河流域为研究对象,构建了水库调度的网络节点图,建立了面向生态的水库群中长期调度模拟和优化两种模型,分别采用历时水量平衡的自迭代模拟优化算法和大系统协调的动态规划方法求解。结果表明,中长期模拟和优化调度结果均满足流域水资源综合利用、生态供水及相应保证率要求,且优化调度模型计算的河道内外生态供水、北疆供水、农业供水等均优于模拟模型。同时,揭示了来水与生态供水的关系,制定了关键水库的生态调度图,建立了调度函数并通过合理性检验。研究成果对额尔齐斯河水资源综合利用、保障河道鱼类栖息地、河谷林草的生态安全提供了中长期战略支持,具有重要的理论意义与应用价值。     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。     

黄河中下游水库群-河道水沙联合动态调控

为优化黄河中下游水库群运行方式,充分发挥水库群-河道联合调控水沙的优势和潜力,以黄河中下游水库群和河道为研究对象,研究水库群-河道水沙联合动态调控方法,构建水库群-河道水沙联合动态调控互馈指标、互馈模式、调控原则和调控方式,研发水库群-河道水沙联合动态调控模拟模型,分析黄河中下游现状工程调控效果。结果表明,未来黄河来沙量8亿~3亿t情景下,水库群-河道水沙联合动态调控方法综合兼顾水库和河道减淤,可延长水库拦沙年限4~9 a,在较长时期内改善进入下游的水沙关系协调度,下游河道总淤积量较少,河槽最小平滩流量增大200~250 m3/s。     

水库拦沙对长江水沙态势变化的影响

为探讨水库建设对水沙变化态势的影响,通过引入来沙系数、输沙模数和流域水库调控系数,深入分析了长江水库拦沙对水沙态势变异的作用。长江干支流水沙参数与流域水库库容参数之间有重要关系,主要水文站年输沙量随流域累积库容增加而逐渐减少,来沙系数和输沙模数随流域水库调控系数成指数关系衰减,表明水库蓄水拦沙是长江水沙态势变异的主要因素。长江干支流输沙量衰减规律有一定差异,支流来沙系数和输沙模数衰减规律相对独立,而干流上游站衰减幅度大于下游水文站,且干流各站输沙模数的衰减规律比较接近。     

Large-scale simulation of watershed mass transport: a case study of Tsengwen reservoir watershed, southwest Taiwan

We present the large-scale simulation of watershed mass transport, including landslide, debris flow, and sediment transport. A case study of Tsengwen reservoir watershed under the extreme rainfall triggered by typhoon Morakot is conducted for verification. This approach starts with volume-area relation with landslide inventory method to predict temporal and regional landslide volume production and distribution. Then, debris flow model, Debris-2D, is applied to simulate the mass transport from hillslope to fluvial channel. Finally, a sediment transport model, NETSTARS, is used for hydraulic and sediment routing in river and reservoir. Near the water intake at the reservoir dam, the simulated sediment concentration is in good agreement with the measured one. The proposed approach gives good prediction and should help the management of reservoir operation and disaster prevention.     

钱塘江河口一维盐度动床预报模型及应用

钱塘江河口为强涌潮、高含沙量、河床冲淤剧烈的河口,其盐度输移时空变化受河床冲淤的反馈影响十分显著。建立了考虑河床冲淤变化的一维盐度动床数学模型,耦合求解水沙运动、河床冲淤及盐度输移过程,数值计算方法采用守恒性较好的有限体积法。验证结果表明:河床冲淤对氯度的影响非常显著,动床模型的结果与实测基本吻合,在长历时盐度预报中采用动床模型是必要的。应用该模型分析了钱塘江河口咸水入侵对上游建库、治江缩窄工程等人类活动的响应,探讨了杭州城市供水水源保证率。结果表明,新安江水库、河口治理缩窄工程对改善河口淡水资源利用、保障杭州市供水安全显著;供水保证率要达95%以上,需采取上游水库泄水调度和新建备用水库等措施。     

小浪底水库“腾库迎洪”期异重流形成分析

小浪底水库异重流的形成与运行规律是关系黄河调水调沙方案拟定的重要指标。基于现场调研、理论探讨与预测分析结合等手段,明晰了2018年"腾库迎洪"期小浪底水库来水来沙过程,根据水库调度与库区淤积形态等边界条件,观测了异重流的形成与运行,采用基于流速分布的水库异重流潜入点预测公式进行了计算分析。结果表明:2018年7月库区产生的剧烈冲刷,在潜入点处发生大量淤积,水深大幅减小,引起潜入点下移;潜入点位置随入库水沙增大、坝前水位降低及库区淤积的推进向坝前移动,计算与实测结果反映了该变化过程。     

水库调度的新阶段——生态调度

现行水库调度方式以防洪调度与兴利调度为主,从保护河流生态系统的观点看,没有涉及生态因素,调度应兼顾河流生态系统需求.分析了生态调度的内涵,介绍了国内外大型水利工程生态调度的进展情况,分析了生态调度包含的内容.在此基础上,提出了生态调度的专项调度:生态需水量调度、生态洪水调度、泥沙调度、水质调度、其他生态因子调度和涉及几个专项的综合调度.