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利用并优化桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验研究

    责任编辑:裴亮 来源:

  一、成果产生的缘由

  潼关断面位于黄河和渭河汇流区下游,潼关河床的抬升对渭河下游防洪产生着重要影响。因此,潼关高程(指潼关(六)断面1000立方米/秒流量对应的水位)的变化一直为人们所关注。1960年三门峡水库运用后,受运用方式和泄流能力的影响,潼关高程经历了上升和下降的反复过程;1973年实行“蓄清排浑”控制运用以来,在相当一段时间内,潼关高程相对保持稳定。1986年以来,由于龙羊峡、刘家峡水库投入运用,工农业用水增加及降雨偏少等原因,黄河水量特别是汛期水量大幅度减少,潼关以下库区发生累积性淤积,潼关高程再次呈上升趋势,1986至1995年潼关高程累计上升1.64m,1995年以后基本在328.1~328.3m之间变化。因此,寻求降低潼关高程的有效途径则成为一项十分重要的任务。

  潼关高程具有汛期冲刷非汛期淤积,洪水冲刷、小水回淤的演变特点。非汛期的淤积与来水来沙条件、前期河床条件及三门峡水库的运用水位等有关;汛期的冲刷主要取决于流量含沙量过程、洪量、洪水来源,以及前期淤积条件、平面河势等。潼关高程的抬升是多种因素综合作用的结果,只有通过多种措施才能达到降低潼关高程的目的。

  桃汛洪水是宁蒙河道解冻开河形成,具有较大的洪峰,到潼关河段一般出现在3~4月份,洪峰流量一般在2000~3100立方米/每秒,平均洪量约13亿立方米, 期间潼关高程平均冲刷下降约0.19m(1987~1998年),桃汛洪水对冲刷降低潼关高程有一定作用。初步分析表明,潼关高程的冲刷与桃汛洪峰、洪量以及坝前水位等有密切关系,对于同样的坝前水位,洪峰流量小到一定值时潼关高程难以冲刷下降,适当降低坝前水位也有利于潼关高程下降。

  1998年万家寨水库运用以来,桃汛期蓄水削减洪峰,减小了进入潼关站的洪峰和洪量,桃汛期潼关高程由此前的冲刷下降转变为基本不冲或微淤。因此,适当调整万家寨水库运用方式,优化桃汛期洪水过程,充分利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程是十分必要的。

  基于我们对潼关高程的认识和多年的研究基础,2003年向委提出了“调整万家寨水库运用方式、恢复桃汛洪水过程的建议”,这是改善或降低潼关高程的新的尝试措施,2005年开展了此项工作的研究,提出了相关研究成果和技术指标,并直接应用于生产实践。

  二、研发过程

  在黄委组织和直接领导下,开展了相关研究工作,取得了高质量的研究成果。项目开展情况主要体现在以下方面。

  (一)确立了试验研究的指导思想和试验目标

  指导思想:适当调整万家寨水库调度运用方式,尝试优化桃汛洪水过程,探索桃汛期潼关高程冲刷降低的水沙过程塑造手段和方法,为今后合理利用桃汛洪水提供技术依据。

  试验目标:利用并优化桃汛洪水过程,降低潼关高程,改善万家寨和三门峡水库淤积形态,进一步深化对黄河水沙运动规律的认识。

  (二)对关键技术问题进行研究

  潼关高程影响因素复杂,万家寨水库调度涉及发电、防凌运用和供水等,为此,根据多年的实测资料和水库运用情况对关键技术问题开展研究。如万家寨水库对桃汛洪水水沙特征影响分析,桃汛期潼关高程变化影响因素的研究,小北干流平滩流量(过洪能力)分析,桃汛洪水在北干流沿程传播特性,桃汛期潼关高程冲刷降低条件和试验指标确定,以及本年度桃汛水沙条件分析。提出了综合分析报告。

  (三)进行了广泛的技术咨询和讨论

  工作期间项目组内部多次进行讨论,1月18日黄委组织黄河系统内有关专家对试验研究方案进行了技术咨询。3月8日在北京组织中国工程院、清华大学、中国水科院、山西水利厅、陕西水利厅、山西省电网公司、内蒙古电网公司和水库调度单位等各方面资深专家召开咨询会议,对成果的必要性、可行性、调控指标、试验方案、试验风险等技术问题进行咨询。

  (四)试验准备

  为保证试验的成功,成立了试验总指挥部和相关工作组,编制了有关试验技术方案,与有关方面进行了沟通,取得上级部门的支持。

  (五)研究成果直接应用于治黄生产中

  研究成果得到了专家的一致肯定,提出的桃汛期潼关高程冲刷的水沙条件和三门峡水库运用水位,为控制和降低潼关高程提供了新的治理措施;提出的冲刷降低潼关高程的万家寨水库出库控制指标,在2006年3月优化桃汛洪水冲刷降低潼关高程的原型试验中直接采纳,并取得了良好效果。

  三、成果主要创新点

  利用并优化桃汛洪水过程冲刷降低潼关高程试验,是黄委会探索降低潼关高程的综合措施之一,也是黄委为维持黄河健康生命的又一举措,同时深化了对黄河水沙运动规律的认识,取得的主要成果及创新点如下:

  (1)首次建立了桃汛期潼关高程变化与桃汛洪峰流量、三门峡水库运用水位的相关关系,给出了潼关高程下降的条件。即在同一洪峰流量下,起调水位较低时潼关高程下降值较大,起调水位高到一定值还会加速潼关高程抬升;在同一起调水位下,洪峰流量大时潼关高程冲刷下降值大,当洪峰流量小到一定值时,即使起调水位很低,潼关高程也不会发生冲刷。桃汛期三门峡水库起调水位在316m至312.5m之间时,潼关高程的冲刷下降主要受洪峰流量的影响,洪峰流量为1500立方米/秒时,潼关高程基本不发生冲淤变化;洪峰流量2000立方米/秒时,潼关高程可下降0.15m左右;洪峰流量2500立方米/秒时,潼关高程可下降0.2~0.3m。

  (2)首次建立了潼关站桃汛期10日洪量与洪峰流量之间的相关关系,在没有人工干预的情况下,洪峰流量的大小基本上决定了洪量的大小。洪峰流量1500立方米/每秒时相应洪量约9亿立方米;洪峰流量2000立方米/每秒时相应洪量约12亿立方米;洪峰流量2500立方米/秒时相应洪量约12~14亿立方米。

  (3)较大的桃汛洪水对潼关高程具有一定的冲刷作用。第一次提出要保证桃汛期间潼关高程有20cm的下降幅度,潼关站的径流条件为:洪峰流量不小于2500立方米/每秒,相应10日洪量在13亿立方米左右。

  (4)综合考虑桃汛期洪水在北干流河段的传播规律以及小北干流河段的平滩流量的限制,首次提出要满足潼关高程冲刷下降20cm的万家寨水库的调控指标为:出库最大日均流量2500立方米/每秒左右,历时不少于1天;最大9日洪量11.5亿立方米左右。

  (5)优化桃汛洪水过程冲刷降低潼关高程试验,首次改变了万家寨水库桃汛期的设计运用方式,将入库流量过程平稳、洪峰流量小的洪水过程进行了优化。试验期间入库流量在1200立方米/每秒以上持续11天,最大流量只有1430立方米/每秒,经过水库的蓄水和补水运用,出库瞬时最大流量3160立方米/每秒、日均最大流量2600立方米/每秒、最大10日洪量为13.2亿立方米,满足了调控指标的要求。

  (6)通过洪水过程的优化,达到了冲刷降低潼关高程的目的,实现了潼关高程冲刷下降20cm的目标,同时万家寨和三门峡水库淤积形态得以有效改善。万家寨水库排沙比增加40%,淤积三角洲顶点向坝前推进了约8km,实现了三角洲顶坡段的冲刷,对减轻水库淤积、延长水库拦沙库容使用寿命具有重要的意义;三门峡水库按较低水位(313m)控制,实现了黄淤22断面以上冲刷、淤积物向下推移的目的,有利于汛期冲刷出库,维持年内的冲淤平衡或实现年内冲刷。

  (7)首次在桃汛期开展了万家寨、天桥、三门峡水库的联合调度,在实现潼关高程冲刷的同时,深化了桃汛洪水在北干流河段的水沙运行规律,初步探索了水库生态调度方式。

  四、在实践中应用情况

  项目针对桃汛期潼关高程变化特点和规律,提出了潼关高程冲刷的水沙条件和三门峡水库运用水位,以及相应万家寨水库出库水沙控制指标。这为控制和降低潼关高程提供了新的治理措施;可直接指导万家寨等水库调度,因此成果具有极大的实用性和应用价值。

  在2006年3月优化桃汛洪水冲刷降低潼关高程的原型试验中,直接采纳了提出的相关指标。如三门峡水库按提出的水位指标进行控制运用,万家寨水库调整运用方式,按成果提出的控制指标控泄流量,结果达到了预期目标,试验取得了圆满成功,并得到黄委的通令嘉奖。

  五、产生的效益

  2006年3月桃汛期改变万家寨水库运用方式、优化桃汛洪水过程的试验结果表明,1.冲刷降低潼关高程达到了预期目标;2.改变了万家寨水库淤积形态,对减轻水库淤积、延长水库拦沙库容使用寿命具有重要的意义;3.有利于扩大小北干流河槽行洪能力;4.改善三门峡水库淤积部位,有利于三门峡库区年内的冲淤平衡;5.水库群联合优化调度保证了水库发电总量不减少。可见,研究成果为黄河治理提出了新的治理措施,在2006年试验中产生了巨大的社会效益和一定的经济效益,对延长水库的使用寿命具有长远的意义。

  六、主要完成单位

  黄河水利委员会防汛办公室

  黄河水利委员会黄河水利科学研究院

  黄河水利委员会水文局

  七、主要完成人

  侯素珍  张金良  江恩惠  谷源泽  翟家瑞  李旭东  林秀芝  常温花  

  张  永  毕东升  霍世青  曲少军  季  利  李世明  张翠萍  王艳平 

  李  勇  余  欣  钱云平  金双彦  王  平  胡耀斌  王玉明


发布时间:2011年08月13日
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