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

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1、水利学报年月第卷第期文章编号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?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

2、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文献标识码人类对河流的开发治理改变了流域水沙资源的自然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本

3、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

4、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收稿日期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作者简介胡春宏男浙江慈溪人博士教授级高级工程师主要从事水力学及河流动力学研究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

5、究的基础上可建立相应的数学模型作为分析研究实际问题的工具该理论和数学模型框架如图所示图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置非线性动态规划模型但从全流域角度优化配置水沙运动过程是很困难的因此流域水沙资源优化配置的重点是在流域面整体上长时段以年计水沙资源总量的宏观优化配置和利用流域水沙资源优化配置的方法采用多目标规划法其优化配置模型目前宜采用多目标线

6、性规划数学模型一是因为非线性多目标动态规划数学模型在流域整体上数学求解困难二是流域水沙资源优化配置的水沙量是宏观近似的河道范围内的水沙资源优化配置是研究的重点之一可采用多种配置方法包括实测资料分析和水沙数学模型计算等本文重点研究冲积河流河床演变均衡稳定理论引入河流熵理论封闭河床演变方程组建立河床演变均衡稳定数学模型利用该模型计算河槽均衡稳定的断面和河道输水输沙优化的临界指标确定维持稳定河槽的措施及冲淤调整量为水沙资源多目标优化配置模型提供维护河槽稳定的约束条件根据流域水沙资源多目标优化配置理论联合水资源优化配置以泥沙资源优化配置为重点结合专家调查和层次分析数学方法构造综合目标函数深入研究水沙

7、资源优化配置的各种方式确定配置约束条件建立流域水沙资源多目标优化配置数学模型河床演变均衡稳定理论及其数学模型河床演变均衡稳定理论河流熵理论流域水沙资源优化配置的重要目的之一是改善河道输水输沙能力和维持河道稳定河道范围内的水沙资源优化配置应深入分析河床演变的机理河床演变均衡稳定是指输沙相对平衡河道相对稳定其过程符合河床演变自动调整作用原理河床演变物理量的调整遵循一定的规律许多学者也曾从能耗和熵的角度出发研究河床