《黄河骨干枢纽群泥沙动态调控模式与技术》重点介绍黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控的研究进展，梳理动态调控的关键指标和指标阈值，提出场次洪水和中长期时间尺度下黄河流域泥沙调控的技术框架和理论模式，介绍几种典型的基于水动力和强人工措施的泥沙调控技术，探讨其中一些关键的技术问题，*后将水动力与强人工措施相结合的泥沙调控技术应用于小浪底水库泥沙调控，并给出技术方案的应用效果。

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 黄河流域水沙及水库建设概况 1
1.1.1 黄河流域水沙概况 1
1.1.2 黄河流域水沙调控工程体系建设概况 3
1.1.3 黄河水沙动态调控在黄河治理中的作用 6
1.2 国内外研究现状 7
1.2.1 基于水动力的黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控技术 8
1.2.2 基于人工干扰的黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控技术 9
1.2.3 黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控指标阈值 10
1.3 本书主要研究内容 12
第2章 黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控指标体系与阈值 14
2.1 黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控指标体系 14
2.2 行洪输沙调控指标阈值分析 15
2.2.1 黄河干流水沙变化特点 15
2.2.2 黄河干流河道冲淤演变特点 32
2.3 防洪调控指标阈值分析 37
2.3.1 宁蒙河段防洪调控指标分析 37
2.3.2 黄河下游河段防洪调控指标分析 39
2.4 防凌调控指标阈值分析 41
2.4.1 宁蒙河段防凌调控指标分析 41
2.4.2 黄河下游防凌调控指标分析 44
2.5 输水输沙调控指标阈值分析 44
2.5.1 宁蒙河段输水输沙调控指标阈值分析 44
2.5.2 小北干流河段输水输沙调控指标阈值分析 52
2.5.3 黄河下游输水输沙调控指标阈值分析 61
2.6 场次洪水调控指标阈值的确定 69
2.6.1 宁蒙河段场次洪水调控指标阈值的确定 69
2.6.2 小北干流河段场次洪水调控指标阈值的确定 72
2.6.3 黄河下游场次洪水调控指标阈值的确定 75
2.7 社会经济调控指标阈值分析 78
2.7.1 黄河上游社会经济调控指标分析 78
2.7.2 黄河中游社会经济调控指标分析 79
2.7.3 黄河下游社会经济调控指标分析 80
2.8 生态环境调控指标阈值分析 81
2.8.1 河道内生态环境用水量调控指标分析 81
2.8.2 断面下泄水量调控指标分析 81
2.8.3 断面流量调控指标分析 81
2.9 小结 82
第3章 中长期黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控理论模式 86
3.1 黄河流域水沙分布特征 86
3.1.1 黄河水沙量随时间变化过程 86
3.1.2 黄河水沙量的空间分布 87
3.2 中长期泥沙动态调控模式的科学基础 89
3.2.1 多目标调控指标 89
3.2.2 优化调度理论模型 90
3.2.3 多目标水沙动态优化调度结果 93
3.3 中长期泥沙动态调控模式 99
3.4 特枯年份满足下游河道系统基本功能的年度调度过程 102
第4章 场次洪水黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控理论模式 106
4.1 洪水水沙特征分析 106
4.1.1 宁蒙河段 106
4.1.2 北干流 110
4.1.3 黄河下游 113
4.1.4 典型洪水选取 114
4.2 场次洪水泥沙动态调控 123
4.2.1 约束条件 123
4.2.2 不同类型洪水调控过程 127
4.3 场次洪水泥沙动态调控模式 132
4.3.1 基于防洪减淤的洪水泥沙动态模式 132
4.3.2 基于水库泥沙资源利用的高含沙洪水泥沙动态调控模式 133
第5章 基于水动力的黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控技术 136
5.1 异重流相机排沙技术 136
5.1.1 异重流形成影响因素 136
5.1.2 异重流排沙出库水沙塑造技术 140
5.2 溯源冲刷技术 144
5.2.1 黄河骨干枢纽溯源冲刷研究 144
5.2.2 黄河骨干枢纽溯源冲刷技术 148
5.3 基于中短期径流泥沙预报的水库动态汛限水位控制技术 149
5.3.1 水库汛期水位动态控制实时调度研究 149
5.3.2 水库动态汛限水位控制调控关键技术 150
5.3.3 小浪底水库实际调度运用 151
5.4 干支流已建水库群高效排沙的时空叠加技术 155
5.4.1 多沙河流大型水库泥沙调控作用分析 156
5.4.2 水库群高效排沙的时空叠加技术 157
5.4.3 水库群高效排沙的时空叠加调度计算 159
5.5 待建水库建成后泥沙动态调控蓄泄对接技术 163
5.5.1 古贤水库及其运用指标 163
5.5.2 古贤水库与已建水库联合调度运用 163
第6章 基于强人工措施的黄河干支流水库泥沙动态调控技术 166
6.1 黄河汛前调水调沙下泄清水期泥沙负载技术 166
6.1.1 射流扰沙负载技术 166
6.1.2 气动扰沙负载技术 173
6.2 基于泥沙资源利用的水库与下游河道有效减淤技术路径 196
6.3 强人工措施处理水库泥沙的系列技术与装备 196
6.3.1 泥沙无堵塞泵装置和输送技术研究 196
6.3.2 气动冲沙系统装备研制 206
6.4 黄河干支流水库泥沙动态调控的强人工干预配套方案 210
6.4.1 射流冲刷方案 210
6.4.2 抽吸输送方案 211
第7章 水动力-强人工措施有机结合的泥沙动态调控技术 213
7.1 下泄清水期泥沙负载与水库群联合调度技术配合时机 213
7.1.1 泥沙负载与水库群联合调度方案设计 213
7.1.2 下泄清水期联合调控方案计算 214
7.2 洪水期水动力-强人工措施结合的泥沙动态调控 218
7.2.1 场次洪水调控方案设计 218
7.2.2 场次洪水调控方案计算 219
参考文献 223

第1章 绪论
　　1.1 黄河流域水沙及水库建设概况
　　1.1.1 黄河流域水沙概况
　　黄河是中国的第二大河，发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，蜿蜒东流，穿越黄土高原及黄淮海大平原，注入渤海。黄河流域是指黄河水系从源头到入海这条河流所影响的地理生态区域，该流域从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原四个地貌单元，干流全长5464km，水面落差4480m，流域面积79.5万km2（包括内流区面积4.2万km2）。黄河上、中游的分界点在内蒙古河口镇，河口镇以上为黄河上游，河道长3472km，流域面积42.8万km2；中、下游的分界点在河南省桃花峪，桃花峪以下为下游，河道长786km，流域面积只有2.3万km2。黄河的入海口河宽1500m，一般为500m，较窄处只有50m，水深一般为2.5m，有的地方深度仅1.2～1.3m。
　　黄河是世界上输沙量*大、含沙量*高的河流。1919～1960年黄河流域受人类活动影响较小，基本可代表天然情况，三门峡站多年平均实测输沙量约16亿t，其中粗泥沙（d>0.05mm，以下同）约占总沙量的21%，其淤积量约为下游总淤积量的50%。据1956～2000年统计，黄河龙门、华县、河津、状头水文站共计平均实测输沙量12.44亿t，平均含沙量34.4kg/m3；三门峡站平均实测输沙量11.2亿t，平均含沙量31.3kg/m3。黄河泥沙具有地区分布相对集中、年内分配集中、年际变化大的特点，90%的泥沙来自中游河口镇至三门峡，7～10月的来沙量约占全年来沙量的90%。中游多粗沙区面积为7.86万km2，仅占黄土高原地区水土流失面积的17.4%，输沙量占黄河总沙量的62.8%，其中粒径大于0.05mm的粗泥沙输沙量占全河粗泥沙量的72.5%。
　　2013年发布的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》是我国目前黄河流域水沙调控体系布局和关键工程规划的主要依据（水利部黄河水利委员会，2013），据其预测，到2030年进入黄河的泥沙量（潼关水文站断面）将为9×10？～1×10？t/a。但近年来，受气候变化和水土保持减沙、水库拦沙等强人类活动影响，黄河来沙量远低于预期，如潼关水文站2001～2010年实测年均输沙量为3×10？t/a，2011～2020年实测年均输沙量为1.78×10？t/a。另外，从我国大江大河长系列来沙量来看，黄河来沙量总体呈显著性减少趋势。
　　20世纪60年代以来，黄河流域逐渐建成了相对完善的水沙调控体系（水利部黄河水利委员会，2013；刘立斌等，2008）。黄土高原实施了大规模的水土流失治理，黄河干支流建成了以龙羊峡、刘家峡、万家寨、小浪底、陆浑、故县水库为重点的水沙调控工程，水沙调控效益显著。入黄泥沙由1919～1959年的1.6×10？t/a减少至2005～2020年的1.93×10？t/a，减少了约88%。小浪底水库连续开展了20年的调水调沙工程，黄河下游河道主槽不断淤积萎缩的状况得到初步遏制，主河槽*小过流能力从2002年汛前的1800m3/s恢复到2020年汛后的4500m3/s；黄河下游河道累计冲刷泥沙约2.98×10？t，下游河道主河槽平均降低了2.6m（胡春宏等，2022）。尽管黄河流域水沙调控效益显著，但近年来受气候变化、水资源开发利用以及其他人类活动影响，黄河流域水资源总量持续减少，中上游输沙量持续降低，水资源短缺问题越发突出（黄河流域生态保护和高质量发展战略研究综合组，2022）。人类活动对输沙量减少的作用越来越大，特别是生态建设工程的减沙作用不断增强，黄河流域水沙调控措施与来沙量趋势不协调。黄河流域水沙调控面临诸多亟须解决的问题与挑战，如江河口水沙关系变化、水库淤积、坝下游河道冲刷、江河关系变化、河道萎缩与断流等，直接影响黄河流域生态保护和高质量发展、水沙调控重大工程布局等，黄河流域水沙调控面临的主要问题（胡春宏等，2012）包括以下4个方面。
　　（1）黄河上游河道淤积萎缩与新“悬河”问题。黄河上游宁夏河段由峡谷河段与平原河段构成，其中巴彦高勒至头道拐河段（统称内蒙古河段）是典型的平原冲积性河段。20世纪80年代以来，因河段淤积萎缩，河床平均高出背河地面4～6m，内蒙古河段主槽过流能力减小，先后发生了6次凌汛决口和1次汛期决口，防凌防洪形势十分严峻（贺顺德等，2009）。为解决黄河流域的水资源供需矛盾，黄河上游修建了龙羊峡（1986年汛后下闸蓄水）、刘家峡（1968年汛后下闸蓄水）等控制性水库。这些水库投入运用后蓄丰补枯，显著改变了黄河上游的水沙过程，汛期有利于输沙的大流量过程锐减。1968年刘家峡水库运用前，黄河上游兰州断面汛期与非汛期水量比为6：4；到1986年龙羊峡水库蓄水运用后，兰州断面汛期与非汛期水量比变为4：6；兰州断面年均大流量过程（大于2000m3/s）的天数也从1985年之前的29.5天，降低至1986～1999年的3.7天，2000～2017年兰州断面几乎未出现过大流量过程。进入宁蒙河段的大流量过程减少，水流输沙动力减弱，导致内蒙古河段淤积萎缩。在1986年龙羊峡水库下闸蓄水前，内蒙古河段总体冲淤平衡；从1987年开始内蒙古河段持续淤积萎缩，1987～2020年，黄河流域内蒙古河段累计淤积泥沙约1.75×10？t，年均淤积约5.1×10？t。与之相应，三湖河口断面的平滩流量从1986年的4400m3/s降低至2020年的1600m3/s。
　　（2）小北干流河道淤积严重，潼关高程居高不下。由于黄河流域水资源开发利用过度，进入黄河中游小北干流的汛期水量明显减少，1990年以后汛期水量占全年的比例明显减小，绝大多数年份都小于50%，平均值只有44%，而汛期泥沙占全年的比例减少到77%，汛期泥沙减少的比例小于汛期水量减少的比例。由于进入该河段漫滩洪水的概率明显减小，中游河道输沙能力明显降低，多年未产生揭河底等大幅冲刷的现象，主河槽淤积比重增加，达到40%以上，滩槽高差进一步减小，加之小北干流上游河槽沿程淤积和三门峡水库溯源淤积的共同影响，潼关高程居高不下，一直在328m左右，引起黄河洪水顶托和倒灌汾河、渭河等支流，加剧了支流的洪涝灾害。
　　（3）支流主河槽淤积，行洪输沙能力下降。黄河支流的来水量和洪水历时显著下降，含沙量明显增大，导致支流下游河床冲刷机会减少，主河槽淤积严重。以黄河的**大支流渭河为例，1986年以来，渭河下游年平均来水来沙量比1986年以前减少约1/3，滩槽淤积比由1986年以前的4：1变为目前的2：3，主河槽严重淤积萎缩，过水断面锐减，目前渭河下游主河槽平均断面面积比1986年汛后减小44%，其中萎缩*严重的河段断面减小70%，主河槽宽度由1986年以前的300～1000m减小到几十米，主河槽行洪能力锐减，导致渭河下游出现了1996年、1998年、2000年和2003年的小水大灾，洪水灾害频繁（张琼华和赵景波，2006）。
　　（4）防洪防凌形势依然严峻。下游洪水泥沙威胁依然存在，黄河下游河道不仅是“地上悬河”，而且是槽高、滩低、堤根洼的“二级悬河”。20世纪80年代中期以来，受来水来沙条件、生产堤等因素影响，下游河道70%的淤积泥沙集中在主槽内，“二级悬河”态势加剧，一旦发生较大洪水，增加了主流顶冲堤防、产生顺堤行洪，甚至发生滚河的可能性，严重威胁黄河下游防洪安全。小浪底水库运用后，使进入下游的稀遇洪水得到有效控制，同时通过水库拦沙和调水调沙遏制了河道淤积，河道*小平滩流量由1800m3/s提高到目前的4000m3/s，但小浪底水库拦沙库容淤满后，若无后续控制性骨干工程，已形成的中水河槽将难以维持，下游河道将再次严重淤积抬高，河防工程的防洪能力也将随之降低。目前，黄河下游标准化堤防建设尚未全部完成，“二级悬河”态势仍很严峻，河道整治工程尚不完善，高村以上游荡型河段河势仍未得到控制，东平湖滞洪区运用及安全建设等遗留问题较多。
　　近20年来，随着水资源和水能资源开发利用的快速发展，以及自然气候条件的变化，黄河流域来水来沙量、汛期来水比例、汛期有利于输沙的大流量历时和水量明显减少，黄河流域水沙情势发生明显变化。黄河流域泥沙空间分布发生了重大变化，干流河道泥沙的空间分布更加趋于不合理。特别是入黄泥沙量的锐减，使黄河流域水沙运动和河道演变规律发生了新的变化，且这种变化是确定的、趋势性的，直接影响到黄河流域水沙调控策略制定（胡春宏，2016）。
　　1.1.2 黄河流域水沙调控工程体系建设概况
　　大型水利枢纽工程是调节河流水沙资源时空分布的重要工具，黄河流域水沙调控工程体系是指对黄河流域洪水、径流、泥沙进行有效调控，且具有相互联系的干支流骨干水库工程体系，也就是利用干支流水库群对进入黄河下游的水沙关系进行调节和控制，塑造出相对协调的水沙关系，以充分发挥下游河道的输沙能力，遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽，合理配置和优化调度水资源，确保河道不断流，保证输沙用水和生态用水，保障生活、生产供水安全等。
　　黄河流域水沙调控工程体系包括上游调控子体系和中游调控子体系（水利部黄河水利委员会，2013）。黄河流域水沙调控体系干流骨干工程中，龙羊峡、刘家峡、黑山峡水库主要构成黄河上游调控子体系的主体，以调节水量为主，联合对黄河水量进行多年调节和水资源优化调度，并满足上游河段防凌、防洪、减淤要求。碛口、古贤、三门峡和小浪底水库主要构成黄河洪水泥沙调控子体系的主体，管理黄河中游洪水，拦沙和调水调沙，协调黄河流域水沙关系，并进一步优化调度水资源。
　　黄河干支流泥沙调控骨干枢纽群主要包括11座水库，分别为龙羊峡、刘家峡、海勃湾、万家寨、古贤、东庄、三门峡、小浪底、故县、陆浑、河口村。这11座水库库容较大，且控制了干、支流主要的水沙节点，各水库与关键断面位置如图1-1所示。
　　图1-1 黄河流域干支流水库与关键断面位置
　　各水库的基本情况如下。
　　龙羊峡为多年调节水库，以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、养殖、旅游等综合功能。龙羊峡水利枢纽位于青海省共和县，建成于1986年，上距黄河源头1684km，水库总库容247.00亿m3，调节库容193.6亿m3，正常蓄水位2600m，汛限水位2594m，是黄河上游河段的龙头水库。该水库的主要任务是发电，同时也配合刘家峡承担防洪、防凌等综合运行任务，其调蓄能力提高了黄河遭遇枯水年时的供水保障能力。
　　刘家峡为不完全年调节水库，以发电为主，兼有防洪、防凌、灌溉、养殖、供水等综合功能。刘家峡水库于1968年修建，位于甘肃省永靖县。该水库总库容57.00亿m3，调节库容41.5亿m3，正常蓄水位1735.0m，汛限水位1726m。该水库主要承担发电任务，并有下游防洪、防凌、供水、灌溉的综合任务，对宁蒙河段的防凌工作具有巨大作用。
　　海勃湾为年调节水库，具有防凌、发电等综合功能。海勃湾位于内蒙古自治区乌海市，总库容4.87亿m3，调节库容0.91亿m3，正常蓄水位1076.0m，防洪限制水位1071m，是一座以防凌为主要任务的水库，主要用于配合上游龙羊峡、刘家峡水库进行流凌封河期的调节运用和开河期的应急防凌运用，并兼有发电和防洪的效益。
　　万家寨为季节调节水库，供水结合发电调峰，兼有防洪、防凌作用。万家寨位于内蒙古自治区托克托县，总库容8.96亿m3，调节库容4.45亿m3，正常蓄水位977m，汛限水位966m，装机容量108万kW。该水库运行蓄水，改变了凌汛洪水过程，使得桃汛洪峰流量削减，洪水双峰现象增加、持续时间增长、洪峰值减小。
　　古贤为多年调节水库，以防洪减淤为主，兼顾发电、供水和灌溉等综合功能。古贤水库尚处于论证阶段，水库位于山西省吉县，水库正常蓄水位627m，汛限水位619m，总库容133亿m3，调节库容34.6亿m3。该水库建成后具有综合效益，其中水库防洪减淤能力突出，可有效降低黄河小北干流洪水流量，并拦蓄大量泥沙，加大