江恩慧 王遠見 李軍華 田世民

摘要：黃河水沙聯(lián)合調(diào)控經(jīng)過幾代人的共同探索，已在防洪防凌安全和水量統(tǒng)一調(diào)度等方面發(fā)揮了巨大作用。然而，流域來水來沙條件是動態(tài)變化的，庫區(qū)一河道邊界約束條件是動態(tài)調(diào)整的，區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)健康維持的需求是動態(tài)增長的，特別是針對黃河水少沙多的現(xiàn)實狀況，黃河水沙調(diào)控不僅要注重水量的適應性調(diào)度，更要突出泥沙的動態(tài)調(diào)控，實現(xiàn)行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境等河流系統(tǒng)功能多維協(xié)同的目標，探索水動力一強人工措施有機結合的調(diào)控技術，突破“調(diào)水容易調(diào)沙難”的瓶頸。在系統(tǒng)梳理過去數(shù)十年多沙河流水庫泥沙調(diào)控主要研究進展的基礎上，提出了當前黃河泥沙動態(tài)調(diào)控的關鍵科學技術問題，闡明了未來開展相關基礎理論與應用基礎研究的方向，包括黃河泥沙動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)理論的構建、水庫泥沙高效輸移機制與下游河流系統(tǒng)多過程綜合響應機理的揭示、提出黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模式與技術、建設黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模型與智慧決策平臺等，進一步的研究成果可為完善當前黃河水沙調(diào)控工程體系建設、實現(xiàn)黃河長治久安提供堅實的科技支撐。

關鍵詞：系統(tǒng)理論;泥沙動態(tài)調(diào)控;水庫群;黃河

中圖分類號：TV212.4;TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05.007

1 研究進展

大型水利樞紐是調(diào)節(jié)河流水沙資源時空分布的重要工具。早期的水沙調(diào)控多處于盲目無序的狀態(tài)，往往是人類在開發(fā)利用水資源的過程中發(fā)現(xiàn)了泥沙對水庫與河道的影響，進而被動地采取相應的應對措施[1]。20世紀以來，隨著壩工技術的發(fā)展和水資源開發(fā)需求的增長，世界上不少國家開始了流域尺度的綜合治理與系統(tǒng)開發(fā)，其一般模式是以高壩大庫為“龍頭”實施梯級開發(fā)，調(diào)節(jié)天然的徑流泥沙過程，以最有效地利用水沙資源，實現(xiàn)流域自然功能和社會功能的協(xié)同發(fā)揮，包括密西西比河[2]、田納西河[3]、萊茵河[4]、尼羅河[5]等河流均取得了不少成功的流域開發(fā)和水沙調(diào)控的實踐經(jīng)驗。

新中國成立以來，興建了一大批水利水電工程，諸如水庫、堤防、分蓄洪區(qū)、取水工程、航運工程、跨流域調(diào)水工程等，已經(jīng)基本構成了各大流域防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運等工程體系。這些水利水電工程在造福社會的同時，也帶來了一系列新的科學問題和社會問題。從科學意義上看，大壩的修建破壞了河流的連續(xù)性，大型控制性水庫改變了下泄水沙過程，引起了上下游河流（湖）系統(tǒng)長時間、大范圍的自適應調(diào)整，這種庫區(qū)一河道一河口全河流系統(tǒng)對水沙過程變化的宏觀調(diào)整規(guī)律、微觀響應機理都是研究者關注的熱點問題。另外，現(xiàn)有和在建的各類水利水電工程分屬不同的利益主體，既有國家和地方政府，也有發(fā)電企業(yè);既有國企，也有民企甚至外企。因此，從工程意義上就需要從流域系統(tǒng)整體的高度統(tǒng)籌考慮，實行流域綜合管理和工程的統(tǒng)一調(diào)度，發(fā)揮流域梯級水庫及區(qū)域水庫群的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)勢[6].否則若各自為政，必將導致資源的無序和低效利用，社會的和諧和流域生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)也無法保證。

流域的梯級開發(fā)和全流域的水沙調(diào)度是我國水電建設和管理的必然趨勢。目前，我國的流域梯級水庫群建設已初具規(guī)模，已建成或正在建設黃河上游、黃河中游、長江上游等12個重點水電基地，已形成了黃河、長江上游、清江、烏江等梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度格局。表1為黃河流域干流和主要支流的大型水庫（庫容大于1億m³）的建設情況和串并聯(lián)關系。

根據(jù)ICOLD 2012年發(fā)布的研究報告[9].全球已建水庫總庫容共7 000 km³，過去35 a（1975-2009年）已淤積庫容為2 000 km³，年均水庫庫容淤損比為0.8%。隨著水庫建設速度的逐漸放緩，水庫泥沙淤積速度反而呈現(xiàn)明顯加快的趨勢。在美國，過去1個世紀有超過1 200座大壩因泥沙淤積嚴重而被拆除，在區(qū)域尺度上，干旱區(qū)的水庫淤積速度最快，尤以中東、非洲和亞太地區(qū)面臨的挑戰(zhàn)最為嚴峻[10]。我國的水庫泥沙平均年淤損率更高達2.3%，每年因淤積而損失的庫容約為100億m³[11]。

水庫泥沙淤積的嚴重挑戰(zhàn)和水庫群建設運行的實際需求，促使水庫泥沙調(diào)控的理論與實踐研究蓬勃開展。國外最早針對水庫泥沙的可持續(xù)管理理念從20世紀50年代開始出現(xiàn)，到80年代相關研究開始顯著增長[12]。當前，水庫泥沙淤積處理、泥沙調(diào)控和可持續(xù)管理已成為水庫規(guī)劃、設計、建設與運行階段必須考慮的關鍵因素之一，大量相關研究成果已能夠?qū)こ處熖幚硭畮炷嗌硢栴}提供較為全面的技術支撐[13-19]。在泥沙調(diào)度模型構建方面，Carriaga C C等[20]提出以水庫下游河道形態(tài)變化最小為水庫優(yōu)化調(diào)度目標：Nicolow J W等[21]進一步提出以所在河網(wǎng)中水庫群的泥沙沖淤量最小為最優(yōu)化控制目標，并探索使用離散型最優(yōu)化控制方法解決泥沙淤積問題。在實踐方面，為解決科羅拉多河下游棲息地侵蝕、魚類營養(yǎng)供給等問題，多次采取降水拉沙試驗，改善了下游生態(tài)環(huán)境等[1]：密西西比河流域的開發(fā)與治理越來越強調(diào)構建系統(tǒng)治理工程體系，兼顧防洪、航運、生態(tài)及娛樂等多方面的功能[2]。

我國受多沙河流游蕩遷徙之苦，在水庫泥沙調(diào)度的研究方面開展較早，整體處于國際領先水平。從20世紀50年代的官廳水庫[22]、60年代的三門峽水庫[23]開始，積累了大量水庫泥沙淤積觀測資料：在不平衡輸沙[24-27]、水庫異重流[28-30]、大壩下游河床演變與河道整治[31-33]、多沙河流水庫泥沙數(shù)學模型[34-36]與實體模型模擬技術37-38]等方面均取得了顯著進展。然而，受多種因素制約，水庫修建后的社會問題和生態(tài)問題研究與發(fā)達國家相比一直處于“跟跑”狀態(tài)。值得欣喜的是，近期有關生態(tài)系統(tǒng)響應[39-41].河口地貌[42-44]、濕地演化[45-47]等方面的研究也逐漸取得了不少成果。

黃河是全世界泥沙問題最突出的河流，針對其水庫群泥沙調(diào)度的研究也最為充分。早在20世紀60年代，以王化云為代表的老一代治黃專家即提出了“蓄水攔沙”的水沙調(diào)控思路[48]：錢寧[49]提出在黃河治理中應利用水庫合理調(diào)節(jié)水沙過程，改變河流邊界：王士強50]提出了考慮對黃河下游減淤效果較好的水庫水沙調(diào)控方式：21世紀初，結合小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙試驗，李國英[51]提出了基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙的調(diào)控理念，并進一步指出，追求小浪底水庫異重流的較高排沙比是黃河汛前調(diào)水調(diào)沙的重要目標[52]：江恩惠等[53]應用壽命周期模式思考了三門峽水庫的運用問題，提出了發(fā)揮三門峽水庫與小浪底水庫聯(lián)調(diào)作用的運用建議：胡春宏等[54-55]系統(tǒng)總結了“蓄清排渾”運用方式在實踐中得到的優(yōu)化和完善，提出了黃河三門峽水庫、小浪底水庫等工程運行方式進一步優(yōu)化的建議;談廣鳴等[56]構建了基于水庫一河道耦合關系的水庫多目標優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型，并將該模型應用到黃河小浪底水庫水沙聯(lián)合調(diào)度的研究中，取得了顯著的優(yōu)化效果。

需要特別指出的是，由于黃河稀缺的水資源和巨量的泥沙，因此黃河泥沙調(diào)度的目標與思路與一般河流顯著不同，其基本出發(fā)點是在盡可能保障水資源充分利用的基礎上，改善庫區(qū)與河道的淤積環(huán)境，其主要矛盾是在水庫淤積與河道淤積之間兩害相權：而一般河流的泥沙調(diào)度則只需盡可能提高水庫排沙能力，減輕水庫泥沙淤積與下游持續(xù)沖刷之害，并不存在兩難局面。因此即使從世界范圍看，黃河的泥沙調(diào)控也具有其獨特性。1956-2000年多年平均進入黃河下游的沙量為11.2億t[57]，黃河下游河道持續(xù)淤積抬升，在該階段黃河下游的防洪減淤是水庫泥沙調(diào)控的重中之重。而進入21世紀以來，黃河水沙條件發(fā)生了深刻變化[58-59]，黃河水沙調(diào)控體系初步建成[57]。特別是隨著綜合國力的提升和國家區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略、生態(tài)安全戰(zhàn)略的推進，黃河流域“防洪安全一社會經(jīng)濟發(fā)展一生態(tài)環(huán)境改善”之間的關系亟待平衡與協(xié)調(diào)。在此背景下，黃河泥沙調(diào)度應在空間上覆蓋全流域、功能上覆蓋全維度，時間上覆蓋短、中、長期，以實現(xiàn)黃河流域全河“行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境”多功能協(xié)同發(fā)展為目標，建立全流域完整的泥沙動態(tài)調(diào)控理論、技術與工程體系。

2 需解決的關鍵科學技術問題

2.1 關鍵科學問題

（1）多維協(xié)同的泥沙動態(tài)調(diào)控序貫決策理論。過去幾十年，黃河泥沙調(diào)控關注的焦點主要是黃河下游防洪減淤。近年來的水量統(tǒng)一調(diào)度和調(diào)水調(diào)沙，兼顧了河口生態(tài)恢復和兩岸乃至外流域社會經(jīng)濟發(fā)展需求，但調(diào)控時機、清水下泄造成的河勢劇烈變化和取水困難等一系列自然與社會問題，引起了社會與學界的廣泛關注。同時，水庫淤積進程不可逆轉(zhuǎn)，綜合效益的發(fā)揮受到嚴重制約，特別是隨著國家和社會對黃河治理提出更高要求，保障黃河行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境等功能多維協(xié)同發(fā)展應成為水沙調(diào)控的主要目標。在水庫調(diào)度中如何衡量水庫一河道間、多維目標間的損益權衡關系，形成系統(tǒng)理論支撐水庫群全局可行、總體較優(yōu)的序貫決策，成為黃河泥沙動態(tài)調(diào)控的首要科學問題。

（2）多沙河流水庫高效輸沙的水一沙一床互饋動力學機理。泥沙調(diào)控和水庫淤積形態(tài)調(diào)整的互饋機理研究缺失，導致無法預測水庫淤積形態(tài)演變和高效輸沙的動力過程。目前，對庫區(qū)溯源沖刷的認識主要基于經(jīng)驗判斷及定性描述，牛頓流體理論無法完全適用異重流輸移過程。因此，建立具有嚴格力學機理及物理意義的跌坎形成臨界條件，闡釋急緩流交替的水流流態(tài)與泥沙輸移耦合關系，確定高含沙異重流運動長距離運移的動力學機制，揭示水庫高效輸沙的水一沙一床互饋動力學機理，是黃河泥沙動態(tài)調(diào)控的關鍵科學問題之二。

（3）下游河流系統(tǒng)行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境多過程耦合響應機理。泥沙調(diào)控直接影響下游水沙動力過程、河床形態(tài)與洲灘演變，進而影響生源物質(zhì)、污染物質(zhì)的時空分配和河漫灘土地利用方式等。多要素間有單向傳遞效應、雙向互饋機制、多組分多過程耦合網(wǎng)絡關系。這些復雜多過程耦合響應關系的解析與定量表達既是水沙、水環(huán)境、水生態(tài)等學科交叉的前沿問題，又是水庫群泥沙調(diào)控下邊界約束條件確定的關鍵。因此，在原型觀測和數(shù)值模擬基礎上，系統(tǒng)揭示泥沙調(diào)控與下游河流系統(tǒng)行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境多過程耦合響應機理，是黃河泥沙調(diào)控的關鍵科學問題之三。

2.2 關鍵技術問題

（1）黃河泥沙動態(tài)調(diào)控指標體系構建技術。泥沙調(diào)控綜合效益的影響因素錯綜復雜，調(diào)控效果的“時一空一量”尺度效應強烈且存在滯后響應。因此，要實現(xiàn)行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境多維功能協(xié)同，必須統(tǒng)籌考慮變化的水沙過程、動態(tài)調(diào)整的邊界約束條件、水庫群組合方式，突破以防洪減淤為主的水沙調(diào)控指標體系構建方法，建立多目標多層次多組合的泥沙動態(tài)調(diào)控指標網(wǎng)絡架構與指標體系，結合關鍵科學問題的突破，確定調(diào)控指標閾值。

（2）水動力一強人工措施有機結合的泥沙動態(tài)調(diào)控技術。黃河水沙的嚴重不協(xié)調(diào)性導致單靠水動力無法完全解決水庫淤積問題，水庫泥沙處理和資源利用等強人工措施必須作為泥沙動態(tài)調(diào)控的有效補充手段。因此，急需耦合水動力調(diào)控技術、清水期泥沙負載技術、強人工措施處理水庫泥沙成套技術，提出基于泥沙資源利用的水庫與下游河道有效減淤技術路徑，確定水動力一強人工措施有機結合的方式和時機。

（3）泥沙動態(tài)調(diào)控模擬仿真系統(tǒng)多模型多尺度自適應耦合技術。泥沙動態(tài)調(diào)控是由水量調(diào)度、水庫沖淤及河道輸沙等多物理過程緊密耦合的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的多模型松散耦合方式無法真實反映各模型在不同尺度下數(shù)據(jù)間的傳遞與反饋關系，導致模型計算效率低、適應性差。因此，解決多模型耦合時空尺度轉(zhuǎn)換準則及數(shù)據(jù)交換問題，構建多模型多尺度自適應耦合技術集成的泥沙動態(tài)調(diào)控模擬仿真系統(tǒng)，是實現(xiàn)水沙情勢、工程情境與調(diào)度方式的智能識別和泥沙動態(tài)調(diào)控智慧決策的關鍵。

（4）泥沙動態(tài)調(diào)控的防洪減淤一發(fā)電供水一生態(tài)環(huán)境等綜合效益定量評價方法。傳統(tǒng)泥沙調(diào)控效益評價多局限于水庫安全、經(jīng)濟效益等，對防洪減淤、發(fā)電供水的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益評價多停留在定性分析層面。因此，針對黃河特點，引入并發(fā)展國際先進的社會、生態(tài)價值定量評估方法，辨識和量化泥沙動態(tài)調(diào)控綜合效益評價代表性指標，提出多層次多維度流域泥沙動態(tài)調(diào)控綜合效益評估指標體系與評價方法，是實現(xiàn)水庫群泥沙動態(tài)調(diào)控綜合效益科學評價的關鍵。

3 需開展研究的重點內(nèi)容

3.1 構建黃河泥沙動態(tài)調(diào)控的系統(tǒng)理論

分析黃河水庫群泥沙淤積的時空演變特征與調(diào)控能力;厘清行洪輸沙、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等多維協(xié)同的泥沙動態(tài)調(diào)控軟硬約束條件;構建東莊一渭河下游、萬家寨（古賢）一北干流、干流龍劉萬三?。堁驆{、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底）一黃河下游河道、全流域干支流骨干樞紐群一下游河道一河口系統(tǒng)不同時空尺度的泥沙動態(tài)調(diào)控目標函數(shù)：提出基于河流系統(tǒng)治理的黃河泥沙動態(tài)調(diào)控序貫決策理論。

3.2 闡明水庫泥沙高效輸移機制

建立水庫溯源沖刷過程中急緩交替的水流運動控制方程，揭示溯源沖刷水沙動力過程及其對泥沙動態(tài)調(diào)控的響應機制：探明清水與異重流交界面處紊流摻混特征、異重流與床面交界面處泥沙起動與阻力關系，建立水一沙一床耦合的動力學控制方程，闡明異重流長距離穩(wěn)定運移的動力學機制和臨界條件：量化串并聯(lián)水庫蓄泄時序?qū)靺^(qū)和下游河道水沙輸移的疊加效應，明晰水沙過程整體優(yōu)化的水庫群時空對接時機及調(diào)控效應。

3.3 揭示下游河流系統(tǒng)對泥沙動態(tài)調(diào)控的多過程綜合響應機理

闡明下游河道物質(zhì)組成與能量耗散沿程分布對泥沙動態(tài)調(diào)控過程的響應規(guī)律，揭示下游河道演變對泥沙動態(tài)調(diào)控的多時空尺度響應機理，提出下游河勢控導工程優(yōu)化布局：揭示下游河流生態(tài)系統(tǒng)對多重脅迫泥沙動態(tài)調(diào)控的響應機理：厘清泥沙動態(tài)調(diào)控對灘區(qū)土地利用方式的影響機制：構建水沙一水質(zhì)一水生態(tài)一社會經(jīng)濟多過程耦合的網(wǎng)絡模型系統(tǒng)，預測不同泥沙動態(tài)調(diào)控情景下下游河道行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的演變趨勢。

3.4 提出黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模式與技術

建立黃河泥沙動態(tài)調(diào)控指標體系，確定不同水庫運行階段和不同水沙條件下調(diào)控指標閾值：構建中長期和場次洪水條件下多維功能協(xié)同共贏的黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模式：提出基于水動力一強人工措施有機結合的單一多庫泥沙動態(tài)調(diào)控技術。

3.5 建設黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模型與智慧決策平臺

研究泥沙動態(tài)調(diào)控多模型耦合的時空尺度轉(zhuǎn)換準則和數(shù)據(jù)交換機制，構建多模型自適應模擬仿真系統(tǒng)：設計水庫（群）不同運用階段、不同調(diào)控目標、不同水沙條件和不同工程布局情境下場次洪水和系列年調(diào)控方案：辨識泥沙動態(tài)調(diào)控防洪減淤一發(fā)電供水一生態(tài)環(huán)境等綜合效益評價代表性指標，構建綜合效益評價指標體系和評價模型：開展方案對比計算，量化不同調(diào)控方案的綜合效益;建設黃河干支流水庫水文泥沙、經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境基礎數(shù)據(jù)庫，構建泥沙動態(tài)調(diào)控智慧決策平臺。

4 結語

黃河流域水沙調(diào)控“調(diào)水容易調(diào)沙難”，難在動態(tài)變化，難在系統(tǒng)治理，即流域的來水來沙條件是動態(tài)變化的，庫區(qū)一河道邊界約束條件是動態(tài)調(diào)整的，區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)健康維持的需求是動態(tài)增長的。特別是針對黃河水少沙多的現(xiàn)實狀況，黃河水沙調(diào)控今后不僅要注重水量的適應性調(diào)度，更要進一步突出泥沙的動態(tài)調(diào)控，以水文學、水力學及河流動力學、河床演變學等傳統(tǒng)學科為基礎，綜合運用系統(tǒng)論、社會學、經(jīng)濟學、生態(tài)學、信息學等多學科的交叉前沿，從河流系統(tǒng)的層面構建完整的黃河泥沙動態(tài)調(diào)控理論與技術體系。注重時空尺度、功能維度上宏觀與微觀的結合、局部與整體的協(xié)調(diào)，將空間上上一中一下游、時間上短一中一長期、功能上行洪輸沙一社會經(jīng)濟一生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌兼顧，最大程度地發(fā)掘已建和在（待）建水庫群的泥沙動態(tài)調(diào)控潛力，為進一步完善當前水沙動態(tài)調(diào)控工程建設體系，協(xié)調(diào)水沙關系，實現(xiàn)黃河長治久安提供堅實的科技支撐。

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【責任編輯翟戌亮】