黄河水库水沙联合调度问题研究
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摘要
河流是有生命的。河流的高程度开发利用,带来了灌溉、供水、发电、防
洪等巨大经济效益,但是,天然洪水消失了,水库淤积了,河床抬高了,河道断
流了……,这种现象在多泥沙河流上尤为严重。
黄河的河流生命因其多沙而更为脆弱,人们在长期治黄实践探索中,提出
了处理和利用泥沙的五项措施即“拦”、“排”、“放”、“调”、“挖”。“拦”,就是
充分利用水土保持措施和干支流枢纽拦减泥沙;“排”,就是利用黄河下游河道尽
可能多地排沙入海;“放”,就是利用黄河两岸合适的地形放淤;“挖”,简单地说
就是人工挖河;“调”,就是调水调沙,在充分考虑黄河下游河道输沙能力的前提
下,利用干支流水库的调节库容,对水沙进行有效的控制和调节,适时蓄存或泄
放,调整天然水沙过程,使不适应的水沙过程尽可能协调,以便于输送泥沙,从
而减轻下游河道淤积,甚至达到不淤或冲刷的效果。
水库群(串、并联)调度技术是开发程度较高河流所面临的难题之一,而多
泥沙河流上水库群、河道水沙联合调度更是当前优化调度学科前沿课题,也是水
库泥沙、河道泥沙、优化调度、洪水预报等学科相结合的边缘学科。本文在黄河
两次调水调沙试验实践的基础上,针对水沙联合调度所涉及的有关问题,从水沙
预测、泥沙频率曲线建立、黄河中下游来水来沙特性、高含沙洪水运动特征分析、
高含沙洪水揭河底机理、水库泥沙淤积的相关分析与神经网络快速预测模型建
立、水库异重流调度、水库汛期浑水发电与优化调度、水沙联合调度实例分析及
对下游河道的影响、水沙联合调度方式等方面进行了研究,主要成果包括:
1) 提出了黄河水沙联合调度所涉及的环节和问题。
2) 运用神经网络方法和自相关-滑动平均模型对潼关站的月库水沙量进
行预测分析,提出建立泥沙频率曲线的构想,并对潼关水文站来水来沙
的频率进行了预测。
3) 提出了高含沙洪水“揭河底”现象发生的河床边界条件的假定,即河床
质分层假定,并在实际观测中得到了验证。导出“揭河底”厚度的理论
公式,揭示了高含沙水流“揭河底”现象的基本机理,将渭河下游、小
北干流河段分别使用的“揭河底”计算公式统一在一起;最后,利用该
理论分段预测了黄河小北干流河段发生“揭河底”现象的可能性;2002
年 7 月 4 日高含沙洪水局部“揭河底”现象验证了该理论的合理性。
4) 采用综合物理成因分析法及逐步线性、非线性回归模型计算,对汛期潼
关高程与各影响因子间的相关度问题,做出了定量的研究和定性分析。
利用非汛期和汛期不同的淤积量影响因子分析结果,建立库区淤积量模
糊神经网络快速预测模型,采用非线性预测的方法对库区总体淤积量进
行即时模拟和快速预测。
5) 简要分析了洪水期水库排沙特性,研究了水库明流、异重流输沙特点和
水库回水淤积、异重流淤积特点,对小浪底水库异重流形成(潜入)条
件、持续条件、持续时间、淤积量进行了研究,结合库区地形特点,根
据小浪底水库初期蓄水渗漏较大需尽快形成坝前泥沙淤积铺盖的要求,
设计了三门峡、小浪底水库异重流联合调度方案,达到了增加小浪底水
库坝前泥沙淤积铺盖的调度效果。
6) 对黄河三门峡水库六年浑水发电进行了总结,分析了汛期水库运用水位
控制指标、排沙流量级、排沙时间、枢纽泄流分流分沙对水轮机过流部
件减磨蚀影响、浑水发电时间、水量利用率、调沙库容的有效使用等方
面指标。分析几年的运用实践,认为“洪水排沙、平水发电”的运用原
则和方式,能比较好的解决了排沙与发电的关系,在减少过机含沙量、
改善机组工况,增加发电时间,提高水量利用率等方面取得较好效果,
增加了发电效益,每年汛期的发电量也有较大幅度的提高。针对三门峡
水库汛期多目标综合化调度,将遗传优化算法与神经网络快速预测淤积
量计算模型相结合,建立了水库多目标优化调度计算模型。将遗传算法
和神经网络相结合来寻求在满足防洪限制水位的要求下发电与排沙的
协调关系。
7) 提出了黄河水沙联合调度水库群等的多种基本联合模式和调度关键技
术路线。
With the advanced developing and utilizing of the river, the economic benefits of
irrigating, water supplying, power generating and flood preventing have been brought.
However, natural flood is disappearing, but the reservoirs are filling up, riverbeds are
rising, rivers are setting off… These phenomena are even worse for the Sandy River.
The life of Yellow River becomes weaker for the water flow containing a lot of
sand. In the long course of regulating Yellow River, five measures of disposing and
utilizing sand named intercepting, flushing, discharging, operating and digging.
Intercepting means preventing sand by way of water and soil conservation as well as
key water control project. Flushing means making use of downstream course to flush
sand to sea as much as possible. Discharging means washing sand out according to
proper geographic situation. Digging, in other words just means to dig the river by
manpower. Operating is to operate sand and water: under consideration of
downstream sand discharge capacity, make use of main and branch reservoirs to
control and adjust sand, save or release water properly to regulate water-sand process,
coordinate improper process to discharge sand as to reduce downstream deposit, even
achieve no silting or scouring.
Reservoir Group series-parallels operation is difficult problem faced by the
highly developed rivers. And water-sand joint operation (WSJO) of reservoir group on
Sandy River is considered as an advance task in optimization field. It is also regarded
as marginal subject combines with other subjects such as Reservoir Sand, River Sand,
Optimization Operation, and Flood Forecast. Based on the actual two-times water
operation, aimed at solving the relative problem on WSJO. This paper studies on
water-sand prediction, sediment rating curve determination, the characteristics of
Yellow River downstream sand, the analysis of hyper-concentration flood (HCF)
movement, HCF riverbed blowing up scouring theory, relevant analysis on reservoir
silting, also studies on Neural Network of its quick prediction model. Reservoir
density flow operation, flood season, power generation by muddy water and
optimization operation, the analysis of actual project in WSJO, and its influence on
downstream river course, and the methods of WSJO, etc. The main achievements are
summarized as the following.
Provide the concerned periods and relevant problems of the Yellow River
WSJO.
Apply NN and ARMA(1,1)to predict Tongguan Station monthly reservoir
and inflow, and put forward the idea of setup the sediment rating curve, and
the frequency of water inflow and outflow of Tongguan hydrometric
station.
Advance the hypothesis riverbed boundary condition leading to HCF
riverbed blowing up scouring (RBS), which is called bed material
stratification hypothesis. This hypothesis is verified in the practical
observation. Deduce the Function of RBS thickness, disclose the basic theory
of hyper-concentration stream riverbed blowing up scouring, and combine
together the two Functions used to calculated RBS of Wei River and Xiaobei
River main stream. Then use the theory periodically predicted the possibility
of RBS in Xiaobei River Main stream. The local HCF RBS took place on
July 4, 2002 proved the rationality of this theory.
Utilize synthesized actual cause analysis and gradual linear, non-linear model
to perform quantity study and quality analysis on relative degree between
flood season Tongguan elevation and influential parameters. Using the results
of different sedimentation storage affected parameters in flood season and
non-flood season, build the model of Fuzzy Neutral Network on reservoir
sedimentation amount, and the non-linear model to make real-time
simulation and quick prediction.
Analyzes briefly the characteristics of flood season sand flushing, studies the
characteristics of reservoir free flow, density flow and bac
洪等巨大经济效益,但是,天然洪水消失了,水库淤积了,河床抬高了,河道断
流了……,这种现象在多泥沙河流上尤为严重。
黄河的河流生命因其多沙而更为脆弱,人们在长期治黄实践探索中,提出
了处理和利用泥沙的五项措施即“拦”、“排”、“放”、“调”、“挖”。“拦”,就是
充分利用水土保持措施和干支流枢纽拦减泥沙;“排”,就是利用黄河下游河道尽
可能多地排沙入海;“放”,就是利用黄河两岸合适的地形放淤;“挖”,简单地说
就是人工挖河;“调”,就是调水调沙,在充分考虑黄河下游河道输沙能力的前提
下,利用干支流水库的调节库容,对水沙进行有效的控制和调节,适时蓄存或泄
放,调整天然水沙过程,使不适应的水沙过程尽可能协调,以便于输送泥沙,从
而减轻下游河道淤积,甚至达到不淤或冲刷的效果。
水库群(串、并联)调度技术是开发程度较高河流所面临的难题之一,而多
泥沙河流上水库群、河道水沙联合调度更是当前优化调度学科前沿课题,也是水
库泥沙、河道泥沙、优化调度、洪水预报等学科相结合的边缘学科。本文在黄河
两次调水调沙试验实践的基础上,针对水沙联合调度所涉及的有关问题,从水沙
预测、泥沙频率曲线建立、黄河中下游来水来沙特性、高含沙洪水运动特征分析、
高含沙洪水揭河底机理、水库泥沙淤积的相关分析与神经网络快速预测模型建
立、水库异重流调度、水库汛期浑水发电与优化调度、水沙联合调度实例分析及
对下游河道的影响、水沙联合调度方式等方面进行了研究,主要成果包括:
1) 提出了黄河水沙联合调度所涉及的环节和问题。
2) 运用神经网络方法和自相关-滑动平均模型对潼关站的月库水沙量进
行预测分析,提出建立泥沙频率曲线的构想,并对潼关水文站来水来沙
的频率进行了预测。
3) 提出了高含沙洪水“揭河底”现象发生的河床边界条件的假定,即河床
质分层假定,并在实际观测中得到了验证。导出“揭河底”厚度的理论
公式,揭示了高含沙水流“揭河底”现象的基本机理,将渭河下游、小
北干流河段分别使用的“揭河底”计算公式统一在一起;最后,利用该
理论分段预测了黄河小北干流河段发生“揭河底”现象的可能性;2002
年 7 月 4 日高含沙洪水局部“揭河底”现象验证了该理论的合理性。
4) 采用综合物理成因分析法及逐步线性、非线性回归模型计算,对汛期潼
关高程与各影响因子间的相关度问题,做出了定量的研究和定性分析。
利用非汛期和汛期不同的淤积量影响因子分析结果,建立库区淤积量模
糊神经网络快速预测模型,采用非线性预测的方法对库区总体淤积量进
行即时模拟和快速预测。
5) 简要分析了洪水期水库排沙特性,研究了水库明流、异重流输沙特点和
水库回水淤积、异重流淤积特点,对小浪底水库异重流形成(潜入)条
件、持续条件、持续时间、淤积量进行了研究,结合库区地形特点,根
据小浪底水库初期蓄水渗漏较大需尽快形成坝前泥沙淤积铺盖的要求,
设计了三门峡、小浪底水库异重流联合调度方案,达到了增加小浪底水
库坝前泥沙淤积铺盖的调度效果。
6) 对黄河三门峡水库六年浑水发电进行了总结,分析了汛期水库运用水位
控制指标、排沙流量级、排沙时间、枢纽泄流分流分沙对水轮机过流部
件减磨蚀影响、浑水发电时间、水量利用率、调沙库容的有效使用等方
面指标。分析几年的运用实践,认为“洪水排沙、平水发电”的运用原
则和方式,能比较好的解决了排沙与发电的关系,在减少过机含沙量、
改善机组工况,增加发电时间,提高水量利用率等方面取得较好效果,
增加了发电效益,每年汛期的发电量也有较大幅度的提高。针对三门峡
水库汛期多目标综合化调度,将遗传优化算法与神经网络快速预测淤积
量计算模型相结合,建立了水库多目标优化调度计算模型。将遗传算法
和神经网络相结合来寻求在满足防洪限制水位的要求下发电与排沙的
协调关系。
7) 提出了黄河水沙联合调度水库群等的多种基本联合模式和调度关键技
术路线。
With the advanced developing and utilizing of the river, the economic benefits of
irrigating, water supplying, power generating and flood preventing have been brought.
However, natural flood is disappearing, but the reservoirs are filling up, riverbeds are
rising, rivers are setting off… These phenomena are even worse for the Sandy River.
The life of Yellow River becomes weaker for the water flow containing a lot of
sand. In the long course of regulating Yellow River, five measures of disposing and
utilizing sand named intercepting, flushing, discharging, operating and digging.
Intercepting means preventing sand by way of water and soil conservation as well as
key water control project. Flushing means making use of downstream course to flush
sand to sea as much as possible. Discharging means washing sand out according to
proper geographic situation. Digging, in other words just means to dig the river by
manpower. Operating is to operate sand and water: under consideration of
downstream sand discharge capacity, make use of main and branch reservoirs to
control and adjust sand, save or release water properly to regulate water-sand process,
coordinate improper process to discharge sand as to reduce downstream deposit, even
achieve no silting or scouring.
Reservoir Group series-parallels operation is difficult problem faced by the
highly developed rivers. And water-sand joint operation (WSJO) of reservoir group on
Sandy River is considered as an advance task in optimization field. It is also regarded
as marginal subject combines with other subjects such as Reservoir Sand, River Sand,
Optimization Operation, and Flood Forecast. Based on the actual two-times water
operation, aimed at solving the relative problem on WSJO. This paper studies on
water-sand prediction, sediment rating curve determination, the characteristics of
Yellow River downstream sand, the analysis of hyper-concentration flood (HCF)
movement, HCF riverbed blowing up scouring theory, relevant analysis on reservoir
silting, also studies on Neural Network of its quick prediction model. Reservoir
density flow operation, flood season, power generation by muddy water and
optimization operation, the analysis of actual project in WSJO, and its influence on
downstream river course, and the methods of WSJO, etc. The main achievements are
summarized as the following.
Provide the concerned periods and relevant problems of the Yellow River
WSJO.
Apply NN and ARMA(1,1)to predict Tongguan Station monthly reservoir
and inflow, and put forward the idea of setup the sediment rating curve, and
the frequency of water inflow and outflow of Tongguan hydrometric
station.
Advance the hypothesis riverbed boundary condition leading to HCF
riverbed blowing up scouring (RBS), which is called bed material
stratification hypothesis. This hypothesis is verified in the practical
observation. Deduce the Function of RBS thickness, disclose the basic theory
of hyper-concentration stream riverbed blowing up scouring, and combine
together the two Functions used to calculated RBS of Wei River and Xiaobei
River main stream. Then use the theory periodically predicted the possibility
of RBS in Xiaobei River Main stream. The local HCF RBS took place on
July 4, 2002 proved the rationality of this theory.
Utilize synthesized actual cause analysis and gradual linear, non-linear model
to perform quantity study and quality analysis on relative degree between
flood season Tongguan elevation and influential parameters. Using the results
of different sedimentation storage affected parameters in flood season and
non-flood season, build the model of Fuzzy Neutral Network on reservoir
sedimentation amount, and the non-linear model to make real-time
simulation and quick prediction.
Analyzes briefly the characteristics of flood season sand flushing, studies the
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引文
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