黄河和永定河治与管的异同及战略思考

黄河和永定河自然禀赋相似,在我国经济社会高质量发展和生态安全战略实施中地位重要,在治理中存在相通之处。系统阐述了黄河、永定河自然禀赋的相似和差异,分析了二者系统治理的战略需求,对标黄河流域系统治理的战略布局和成效,提出了永定河流域综合治理提升的战略思考,以期为促进黄河和永定河流域系统治理和高质量发展提供参考。

基于黄河流域系统治理的水库多目标调度约束阈值研究

水库是流域水沙调控以及水资源优化配置的重要抓手,黄河流域的水库调度最初以防洪减淤为目标。新形势下,黄河流域面临不断变化的来水来沙条件、库区-河道边界约束、区域社会经济发展和生态环境需求等,黄河流域亟需基于系统治理理念,突出流域系统可持续运行的水库多目标协同调度。本文依据流域系统科学理论和方法,通过资料分析、数据挖掘、关联度识别、回归分析等方法,筛选了黄河流域系统中行洪输沙、社会经济、生态环境各子系统表征指标,阐明了黄河上、中、下游不同河段多维约束因子的演变过程,揭示了黄河干流调控体系主要约束因子的相互作用关系,提出了基于多目标协同的黄河干流水库调度约束因子阈值,为黄河流域水库多目标协同调度提供科技支撑。

万家寨水库运行以来调洪库容变化规律及恢复措施研究

为了给万家寨水库调洪库容有效恢复提供科技支撑,系统梳理了万家寨水库入出库水沙变化情况、库区泥沙冲淤演变规律、调洪库容变化规律以及淤损库容恢复措施,结果表明:1)万家寨水库1999—2023年非汛期运行水位为952~980 m,1999—2010年汛期运行水位为950.9~967.2 m、2011—2023年(除2016年外)汛期降低水位运用后最低水位为921.6 m;2)万家寨水库1999—2023年多年平均入库水量约为185.19亿m^(3)、沙量约为0.501亿t,出库水量约为180.70亿m^(3)、沙量约为0.363亿t;3)万家寨水库2010年汛后淤积纵剖面基本达到设计淤积平衡状态;2011年以来水库排沙运用,截至2023年10月总库容淤损2.859亿m^(3)、调洪库容淤损0.191亿m^(3);4)万家寨水库入库长历时大流量过程有利于降低水位敞泄运用排沙,坝前水位低于952.00 m时出库含沙量迅速增加,降至淤积面以下或泄空敞泄时,产生的溯源冲刷有利于提高输沙效率;5)单纯依靠水力减淤已无法有效恢复万家寨水库调洪库容,可采用水力减淤与机械清淤相结合的方式减淤,清淤泥沙输送至主河槽随水流动力排出库区或输送至岸上进行泥沙综合利用。

小浪底水库运行以来对黄河下游河道河床演变特性的影响

小浪底水库自1999年10月下闸蓄水,23年来深刻改变了进入黄河下游河道的径流泥沙过程,进而引起了下游河道的再造床。本研究以1960—2022年长序列水文泥沙、断面地形、遥感影像等多源资料为基础,从径流泥沙、冲淤演变、形态调整三个方面阐明了小浪底水库运行以来对下游河道河床演变特性的影响。结果表明:(1)水库拦沙效果显著,下泄水量在年内分配更加均匀、沙量则向汛期更加集中;大流量和高含沙事件的严重程度和发生频率均有所降低;悬沙调整不明显,床沙粗化显著。(2)扭转了黄河下游河道持续淤积的趋势,冲淤调整主要发生在花园口至高村的游荡性河段;冲刷效率持续下降,主槽过流能力得到显著恢复。(3)游荡性河段横断面形态向窄深发展,二级悬河发育得到有效缓解,整体河势处于相对稳定状态。研究成果丰富了多沙河流修建水库对下游河道影响的科学认识,也可为小浪底水库优化调度提供科技支撑。

小浪底水库对接时机与对接水位的库区调控效应

如何运用水库群联合调度发挥最大的排沙效益是水沙调控的关键技术难题。选择2023年汛前黄河调水调沙时期三门峡水库和小浪底水库联合调度运用为对象,分析两库不同对接时机与对接水位的小浪底水库进出库水沙过程,量化两库间不同对接时机与对接水位的水沙调控效应。三门峡水库自身蓄水量较小、调水能力有限,通过改变三门峡泄流出库时机,产生的小浪底库区冲刷效果差异较大。随着对接水位的降低,库区冲刷量逐渐增加。随着三门峡水库相对起泄时间的推迟,库区冲刷量呈现先增加后减少的趋势。

考虑多源入库水出库水的三门峡-小浪底水库汛期联合优化调控

三门峡-小浪底水库联合运用是黄河调水调沙的关键环节。为更好地发掘三门峡和小浪底水库联合优化调控的潜力,提升水沙调控效果,以汛期来水较多的2020年为例,分析了三门峡和小浪底水库库区降雨、蒸发、支流来水、取用水等入库水和出库水过程,以发电和排沙综合效益为目标函数,建立了考虑多源入库水出库水的三门峡-小浪底水库联合优化调度模型,开展了水沙优化调控研究。研究成果表明:1)库区降雨、蒸发、支流来水及取用水等次要入库水出库水对三门峡水库和小浪底水库水量的贡献分别为2.71亿m^(3)和-0.85亿m^(3)。其中,入库水量主要集中于汛期,而出库水量在全年分布相对均匀。2)三门峡库区的次要入库水出库水量占库容的36%左右,将对三门峡-小浪底水库联合优化调控产生影响。3)考虑多源入库水出库水的三门峡-小浪底水库联合优化调控的排沙量有所增加,小浪底水库的汛期发电效益增加约2599.4万元。

黄河流域水资源-生态-社会系统耦合协调分析

充分认识水资源-生态-社会系统的耦合协调状态,对缓解黄河流域水资源和生态压力、实现流域可持续发展具有重要意义。选取2006—2021年黄河流域九省(区)的面板数据,基于压力-状态-响应理论(PSR)确定各子系统的评价指标,采用主成分分析法、耦合协调度模型分析水资源-生态-社会系统耦合协调状态及其时空变化特征,并利用GM(1,1)灰色预测模型进行协调度预测。结果表明:1)黄河流域水资源-生态-社会系统综合评价指数整体呈上升趋势,各省(区)历年水资源子系统综合评价指数波动较大但整体向好,大多省(区)生态子系统发展情况较好,社会子系统发展在经济和人口大省有较大优势;2)各省(区)的水资源-生态-社会系统耦合协调度在研究期内均逐步上升,但各省(区)发展差距较大,2021年内蒙古和四川已达到良好协调,而宁夏刚迈入中级协调;3)预测显示,2022—2025年黄河流域整体水资源-生态-社会系统耦合协调度会继续上升至0.798,接近良好协调。

为了梦想中的幸福黄河

“我的第一个认识是,比起治河,那发射人造卫星是件简单工作了!”这是1995年,世界著名科学家、两弹一星功勋奖章获得者钱学森先生写给黄河水利科学研究院(以下简称黄科院)科技工作者回信里的一句话。信中,他指出中国的水利建设是一个复杂系统工程,涉及人民生活、国家经济,建议黄河科研工作者用系统科学的观点和方法,讨论全面治河,以及治河与农林生产、治河与人民生活、治河与社会经济建设等的关系问题。

上下“一盘棋” 依法守护母亲河

黄河是中华民族的母亲河,保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计。4月1日,黄河保护法开始实施。这部法对黄河意味着什么?将为保护黄河提供哪些保障?会给黄河带来哪些变化?水少沙多是“疑难杂症”水资源严重短缺是制约黄河流域生态保护和高质量发展的重要因素,“水少、沙多、水沙关系不协调”是黄河复杂难治的症结。

黄河源区生态环境系统格局与服务功能演变

基于2017年以来的水质监测数据、1980—2020年土地利用类型数据以及1956—2020年的水文数据,对黄河源区水资源、水环境、水生态和生态系统格局及服务功能等生态环境全要素演变特征进行了分析研究。结果表明:黄河源区1956—2020年唐乃亥站年径流量呈现不显著波动增加趋势,在整个65 a的研究尺度上,源区径流存在2次较大尺度的丰枯交替变化,即枯(1956—1965年)—长丰(1966—1989年)—长枯(1990—2005年)—偏丰(2006—2020年);近10 a黄河源区水质整体呈良好状况,底栖动物多样性总体表现为α多样性低、β多样性高的特征;黄河源区河流演变丰富了底栖动物栖息地类型,提高了底栖动物的丰度、密度和生物量,且黄河源区河流生态系统处于长期变化的动态平衡状态;1980—2020年黄河源区综合土地利用动态变化幅度较小,景观生态格局总体表现为异质性增强,破碎化程度上升,连通度下降;1980—2020年黄河源区生态系统服务功能整体向好,其水源涵养功能、碳储功能、生境质量和洪水调蓄功能均在稳步提升。

黄河泥沙之变——水库清淤与泥沙资源利用探究

3月31日,由中国水利报社、黄河水利科学研究院、中国大坝工程学会水库泥沙处理与资源利用技术专业委员会联合举办的“黄河泥沙之变”——《中国水利》杂志“玉渊六人谈”主题沙龙第四期在河南省济源市举办。嘉宾与现场观众围绕黄河保护治理面临的机遇与挑战、水库清淤与泥沙资源利用理念的发展、黄河泥沙之变的科技支撑、泥沙资源利用困境与破局展望等议题,展开深入探讨和思想碰撞,共话黄河流域生态保护和高质量发展。本期“行业亮点”栏目将这场历时三个半小时的思想盛宴整合呈现,以飨读者。

黄河流域碳排放状况及“双碳”目标实现路径研究

为探究黄河流域碳排放状况及实现“双碳”目标的路径,并为制定黄河流域碳减排策略等提供参考,通过探究1997—2019年黄河流域九省(区)逐年碳排放量的空间分异格局,判定碳排放趋势及碳达峰状态,并对黄河流域碳排放主要驱动因素进行分析。结果表明:1)1997—2019年黄河流域碳排放量多年平均值为23.61亿t,从各省(区)碳排放量看,山东、河南、内蒙古、山西排放量较大(占比合计达72.95%),四川、陕西、甘肃、宁夏、青海排放量相对较小(占比合计为27.05%);2)研究期黄河流域碳排放量经历了无增长、快速增长、缓慢增长3个阶段,2012年以后增长速率降低,但尚未实现碳达峰;3)黄河流域九省(区)碳排放量变化态势在2011年以前类似,在2012年及以后出现分化,甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、山东碳排放量在高位徘徊,四川、河南分别于2013年、2011年碳达峰,青海碳排放量于2016年达到最大值后呈下降态势但仍属未达峰状态;4)黄河流域碳排放的主要碳源是煤炭消耗,其占比达79.93%,除宁夏和山东外其他7个省(区)源于煤炭消耗的碳排放量占比呈现下降趋势,其中四川、青海、河南下降率较高;5)经济发展是黄河流域碳排放的主要驱动力,能源结构改善、能源消费强度降低、能源利用效率提高是黄河流域碳减排的重要途径。黄河流域各省(区)“双碳”目标的实现路径因其自然禀赋、资源状况、经济发展水平及对能源的依赖程度等差别较大而具有差异性。

基于NSGA-Ⅱ的鄂尔多斯市多目标水量分配结构优化

在水资源短缺背景下,优化区域有限水量分配结构、提高非常规水利用效率对促进西北地区经济社会发展和生态环境保护具有重要意义。结合用水公平系数和供水次序系数等表征参数,以缺水量最小、经济效益最大、水体污染物排放量最小为目标函数,采用第二代快速非支配多目标优化算法(NSGA-Ⅱ),构建了区域水量分配模型,并选取鄂尔多斯市为典型研究区,采用区间估计法预测了鄂尔多斯市供需水量,分析了多种水量分配方案下鄂尔多斯市未来的缺水程度及产业结构变化情况,对区域多目标水量分配结构进行了优化。结果表明:规划年2025年时,鄂尔多斯市的缺水率为31.5%,全市第一产业用水占比降低了12.8%,地下水使用量减少了6.3%,非常规水利用率提高至91.9%,产业用水结构和水源供水结构得到改善。研究结果可为鄂尔多斯市经济社会可持续发展与水资源高效利用提供参考。

基于马斯京根法的多沙河流输沙演算

多沙河流洪水演进中的泥沙输运计算十分重要,水动力学方法复杂且计算量大,水文学方法简单但只针对水流过程计算。为了同步实现水沙过程的快速有效计算,在传统马斯京根流量演算方法的基础上,拓展出马斯京根输沙率演算方法。将该泥沙输运的水文学计算方法应用于黄河中下游河道流量与输沙过程演算,演算得到的泥沙输运结果有一定精度,证实了该方法是可行的,可作为多沙河流水沙计算的一种快速有效的水文学方法。

黄河水沙调控多目标协同模型构建及应用

为促进黄河流域行洪输沙-生态环境-社会经济三大子系统多维功能协同发挥,提出黄河水沙调控多目标协同总体架构。基于系统整体耦合协调度构建黄河水沙调控多目标协同模型,实现了不同来水来沙与工程组合情景下黄河水沙调控目标函数与约束条件灵活选择及权重系数适应性调整。以黄河中游三门峡-小浪底水库群为例,开展丰平枯典型年水沙优化调控。结果表明:排沙与发电目标间存在强竞争关系,生态和发电目标间存在弱竞争关系;系统整体耦合协调度最高的方案均能达到各目标优质协调,并倾向于发挥更大发电效益。模型应用结果启发管理者在实际调度中适当提升发电量,并在枯水年注意增加生态供水。研究成果可为黄河水沙多目标优化调控实践提供科技支撑。

流域系统科学初探

随着人类社会对河流乃至流域影响广度、深度和强度的不断增加,对流域系统内部不同要素之间的互馈关系和博弈关系研究的不断拓展和深入,以致流域系统治理及其战略研究已经超过传统学科的范畴,亟需建立新的学科支撑体系。本文基于近十年的探索研究,提出了流域系统科学的概念,并对其研究对象、科学内涵、科学问题、研究方法及研究前景进行了全面阐释。流域系统科学以物质、能量、信息、价值流动过程为纽带,以行洪输沙-生态环境-社会经济三大子系统组成的流域复杂巨系统为研究对象,其基础研究需求包括各子系统内部演化过程与机理、各子系统间相互作用关系与协同演化机制、流域系统协调发展策略与战略布局3个层面。流域系统科学以传统学科为基础支撑,基于系统理论和方法探索制约流域治理保护和区域社会经济高质量发展的协同博弈关系,通过全流域系统观测网络和大数据平台建设,构建流域系统治理集成研讨厅,为流域系统治理保护与管理的战略研究提供科学的理论方法体系。

黄河泥沙资源利用的长远效应

黄河多沙给两岸人民带来了严重的洪水灾害,因此黄河的治理措施多基于泥沙的灾害性。随着经济社会发展对黄河水资源的需求日益增加,加之黄土高原地区特殊的地理地貌特征等因素,未来黄河仍将是一条少水多沙河流。经过长期的治黄实践,人们逐渐认识到黄河泥沙的资源属性,其在黄河防洪安全、放淤改土与生态重建、河口造陆及湿地水生态维持、建筑材料等方面具有巨大的利用潜力。研究发现,黄河下游的河道淤积泥沙主要来自少数几场高含沙洪水;水库在拦截黄河泥沙的同时,也对泥沙级配进行了自动分选,为泥沙分类利用创造了条件。利用水库拦减高含沙洪水,不仅可减少下游河道淤积和滩区淹没损失,还为泥沙资源的集中利用创造了前提条件,具有巨大的社会和经济效益;同时,树立充分发挥水库的拦沙作用与泥沙资源集中利用有机结合的新理念,不仅能使水库持续发挥其拦沙减淤效益,也将更彰显黄河泥沙资源集中利用的长远效应。为此,必须从政策和管理层面建立良性运行机制,加强舆论宣传,吸引社会资金和广大群众主动参与黄河泥沙资源利用工作,实现黄河的长治久安。

黄河泥沙研究新进展

黄河泥沙问题是治黄的根本问题。一代又一代泥沙科研人员围绕这一主题进行了大量研究,取得了丰硕的成果,直接应用或指导了治黄工程实践,也为泥沙学科的发展做出了应有的贡献。近10 a来,随着科学技术的进步和社会的发展,国家对治黄工作提出了更高要求,黄河泥沙研究迈入了快速发展的阶段,理论研究和定量化成果明显增多。从多沙河流泥沙运动基本规律与基础理论研究、河床演变与河道整治、黄河水沙调控技术、泥沙资源利用等方面简要介绍了黄河泥沙研究的新进展,以期在回顾过往成绩的同时,给未来黄河泥沙研究以启示。

黄河“揭河底”冲刷期河道形态调整规律

为准确预测和有效应对"揭河底"冲刷险情,通过大量挖掘相关水文站1950年以来的原始测验资料,结合概化模型试验,对"揭河底"冲刷期河道断面形态调整过程及洪水位变化情况进行了深入研究。结果表明,"揭河底"冲刷期河道形态调整具有明显的规律性。从过程看,一般可分为4个阶段,即"揭河底"前的一般冲刷阶段、河底高程基本不变阶段、胶泥块揭起河床快速下降阶段和"揭河底"后期持续冲刷阶段及回淤阶段。"揭河底"洪水与非"揭河底"洪水在水位表现上差别较大,非"揭河底"洪水水位流量关系曲线较为平缓,洪水前后水位变化过程呈明显的逆时针绳套;"揭河底"洪水水位流量关系曲线较为陡峭,水位变化过程呈明显的顺时针绳套,"揭河底"发生的瞬时,水位有一个明显的升高和快速下降过程。从流态看,水面紊动剧烈的地方位于发生"揭河底"位置的下游,这也是本次研究的一个重大发现。

基于流域系统科学的黄河下游河道系统治理研究

黄河下游河道治理是一项复杂的系统工程。系统回顾和总结了欧美等发达国家河流治理的发展历程与经验启示,深刻诠释了河流系统治理的必然性和必要性。在此基础上,结合黄河水沙变化、区域社会经济发展情势以及重大国家战略,分析了黄河下游河道治理研究的现状与局限性,明确了新时代河道滩槽协同、上-中-下-河口联动、行洪输沙-社会经济-生态环境协调治理的战略需求,进而阐述了流域系统科学及其在黄河下游河道滩槽协同治理中的应用价值。