基于不同评价方法的小浪底水库水质分析及来源解析

水质评价是水生态系统保护和水污染治理的重要基础。为探究小浪底水库不同水期水质特征,于2021年对3个断面的15个水质指标进行监测与分析。采用三种方法对研究区水环境质量进行评价,厘清水质变化规律,确定最佳的评价方法,探讨不同水期影响水质的关键环境因子并解析其来源。研究表明:库区水质总氮浓度超出地表水Ⅴ类标准,其他水质指标均达到Ⅲ类标准及以上;三种方法受指标权重影响,评价结果存在差异,综合比较与分析,确定基于TOPSIS的信息加权和排序法更适用于评价研究区水质状况;相关性分析表明,不同水期影响水质的环境因子及其来源不同,枯水期受人类活动影响,平水期水质变化与上游输入有关,丰水期受降水和水动力条件影响显著。研究结果可为小浪底水库的水环境治理提供科学依据,为库区水质评价提供新的思路。

小浪底水库减淤调度模式探讨

小浪底水库在黄河中下游防洪格局中发挥着重要作用,长期保持库区较大库容、延长拦沙运用期,对黄河防洪保安具有重大意义。基于小浪底水库运用以来入库水沙条件变化以及调度实践分析,提出了近期小浪底水库减淤调度模式:前汛期洪水期考虑下游河道淤积和主槽过流能力,尽量利用大流量过程开展降低水位排沙运用,冲刷库区河槽新增淤积物,以恢复河槽过流能力,保持库区高效输沙通道;水库排沙运用过后,运用水位宜不高于库区较大滩地滩面,利用河槽输沙调沙能够有效减缓滩面淤积;后汛期在保证防洪安全的前提下,根据上游来沙情况择机开展水库回蓄,尽早将库水位蓄至HH37断面附近滩面以上,利用HH37断面以上库段临时调沙,减缓滩面淤积。

小浪底水库汛前调水调沙模拟与综合效益评估

为提高汛前调水调沙期多目标博弈过程中小浪底水库的综合效益,本文构建了调水调沙模拟与综合效益定量评估数学模型。该模型由3个模块构成,其中:水沙计算模块考虑库区明流与异重流输移及干支流倒回灌过程,水库调度模块衔接库区水沙计算和坝下泥沙冲淤计算,效益评价模块采用经济效益指标衡量水库的综合效益。采用2013年和2014年汛前调水调沙过程对该模型开展了参数率定和验证工作,计算结果可模拟异重流潜入、演进、出库的全过程以及水库调度和发电过程。根据历年调水调沙实践经验选取关键调度参数,最终拟定降低对接水位或减小壅水程度的5种方案,采用模型对各方案展开调水调沙过程计算和综合效益评价。结果表明,调度过程中改变对接水位和壅水程度在减淤效益和兴利效益间存在冲突。通过比较综合经济效益指标,最终推荐对接水位为222.57 m并减小库区壅水的方案作为优选方案,可获得最大的综合效益。

洪水期小浪底水库排沙影响因素及规律研究

小浪底水库排沙主要集中在汛前调水调沙期和汛期洪水期。2000—2022年汛前调水调沙期和汛期洪水期小浪底水库累计排沙分别为4.840亿t和21.546亿t,分别占水库运用以来排沙总量的18.3%、81.5%。研究表明,入库水量与回水长度是影响汛前调水调沙期小浪底水库排沙效果的主要因素;入库水量越大,回水长度越短,排沙效果越好。通过多元回归得到了汛前调水调沙期小浪底水库排沙量与影响因素的关系。汛期洪水期小浪底水库排沙主要影响因素为壅水指标和进出库流量比,通过研究量化了汛期洪水期排沙比与影响因素的关系。

小浪底水库运行下花园口河段黄河鲤生态流量研究

【目的】大坝和水库等水利工程的修建在带来防洪减灾效益的同时,也给所在区域的水生生物栖息繁衍带来了一定影响,诊断关键水生生物的生态流量对大坝下游的生态环境修复工作具有重要意义。【方法】以黄河下游花园口河段为例,探讨了小浪底水库运行下不同流量情景下的黄河鲤栖息地质量情况,并由此推求黄河鲤的生态流量。基于栖息地模拟法,通过构建耦合栖息地适宜度模型的二维水动力模型,分析了黄河鲤鱼苗期、亲鱼期的栖息地适宜度指数空间分布,分别建立了黄河鲤两个生命阶段流量与栖息地加权可用面积关系曲线。【结果】结果表明:随着模拟流量的增大,黄河鲤不同生命阶段的栖息地适宜度指数空间分布及栖息地加权可用面积呈现先增加,达到峰值后逐渐减小的变化规律。【结论】黄河下游花园口河段的最小生态流量为1 150 m~3/s,适宜生态流量为1 450 m~3/s,最适宜生态流量为3 000 m~3/s,研究成果加深了对大流量情景下黄河鲤栖息地质量的认识,对黄河下游生态保护与修复具有重要意义。

小浪底水库淤积形态优选与调控的理论及关键技术

主要完成人:张俊华、夏军强、马怀宝、窦身堂、李书霞、李涛、蒋思奇、王婷、李昆鹏、万占伟、张翠萍、张防修、李元亚、余欣、郜国明。主要完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院、武汉大学、黄河勘测规划设计研究院有限公司。小浪底水库在黄河治理开发的总体布局中具有重要的战略地位。为充分发挥水库的综合利用效益,曾围绕水库调度开展了大量研究。但随着自然条件的巨大改变及人们对水库功能需求的不断增加,例如黄河径流量特别是中长洪水过程与来沙量大幅度减少,黄河下游对水资源的需求不断增加,防断流、水生态与水环境等也对水库调度提出了更高的要求,开展新形势下小浪底水库调度问题研究具有重要的现实意义,是保障水库更好地发挥综合利用效益的重大需求。

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。

小浪底水库水体时空变化特征与驱动因素分析

以2018-2021年Sentinel-2遥感影像为数据源,利用Google Earth Engine (GEE)云平台研究小浪底水库月尺度水体面积的时空变化。结果表明,2018-2021年小浪底水库水体面积月际变化波动较大,每年均呈先降后升的趋势,具有显著的季节性变化规律,夏季汛期防洪降低库容,冬季蓄水增加库容保证生产生活用水;小浪底库区存在约85.29 km2的永久性水体,占总面积的34.84%,出现水陆变化的区域集中于水库边缘区域;气温、降水是水体变化的驱动因素,水体面积与月平均气温、月降水量呈负相关关系。研究结果表明,以GEE云平台为基础的连续时间序列、大范围水体动态变化监测存在可行性。

延长小浪底水库拦沙运用年限对黄河防洪保安的重大意义

小浪底水库是黄河下游防洪保安的核心工程,水库拦沙期是防洪减淤效益发挥最为显著的时期。分析新形势下黄河下游防洪保安对小浪底水库运用的新要求,指出尽可能延长小浪底水库拦沙运用年限,使水库长时期保持较大的有效库容,尤其是防洪库容,具有重大战略意义。研究表明,较大的库容处理大洪水的能力强,有利于预防“黑天鹅”降雨事件;水库防洪运用后滩库容损失小,有利于水库长期保持较强的防洪能力;水库拦沙库容与调水调沙库容结合利用,可明显增强调水调沙活力,为古贤水库投入运用后发挥水沙调控体系整体合力创造库容条件;拦沙库容用于下游滩区防洪,有利于提升滩区防洪标准,降低滩区中常洪水漫滩损失。优化水库调度运用方式、实施水库清淤、尽快建设古贤水利枢纽工程等是延长小浪底水库拦沙年限的重要措施。

小浪底水库调控后黄河下游冲淤规律与水沙调控指标

为科学指导黄河调水调沙调度实践,根据小浪底水库调控后黄河下游冲淤规律对水沙调控指标进行优化。选取2011—2022年黄河下游实测121场不同含沙量级水沙过程,分析黄河下游水沙特点及其冲淤效率与水沙条件的响应关系,以黄河下游不淤积以及主槽过流能力不降低为总体目标提出水沙调控指标。结果表明:①小浪底水库对黄河下游水沙过程具有两极分化的调控作用,高含沙量水流(平均含沙量S av>10 kg/m^(3))的沙量全年占比为94%,清水水流(S av<1 kg/m^(3))的水量全年占比为85%。②高含沙量水流的淤积效率与平均含沙量呈正相关线性关系。③清水水流的冲刷效率与平均流量呈正相关对数关系。④对于高含沙量水流,丰水年调控水量为80亿m^(3),平均流量为2000~4600 m^(3)/s,平均含沙量为50 kg/m^(3);平水年调控水量为10亿m^(3),平均流量为2000~4600 m^(3)/s,平均含沙量为150 kg/m^(3);枯水年水库不排沙。对于清水水流,需要避免下泄平均流量在800~1800 m^(3)/s范围内的水流过程。

小浪底水库2021—2023年排沙过程分析

为了优化小浪底水库排沙孔洞启闭和机组停机避沙时机,对2021—2023年调水调沙运用中小浪底水库开始排沙的必要条件和出库水流含沙量变化过程进行了分析。实践表明,调水调沙过程中小浪底库水位降至高于库区淤积三角洲顶点高程8~13 m时开始排沙,出库水流含沙量从1 kg/m^(3)增加至100 kg/m^(3)用时为8~18.5 h,增加至200 kg/m^(3)用时为10~19 h;出库水流含沙量从100 kg/m^(3)增加至200 kg/m^(3)用时为0.39~2.41 h。建议调水调沙过程中关注开始排沙时机并适时开启排沙孔洞,出库水流含沙量达100 kg/m^(3)时及时安排停机避沙。建议调水调沙结束后延续排沙调度过程至出库水流含沙量降至1 kg/m^(3)。

小浪底水库2018—2020年排沙运用效果研究

2018—2020年为黄河丰水年份,小浪底水库前汛期、洪水期均开展了较长时间低水位排沙运用,取得了较好的排沙效果。3个汛期小浪底水库低水位排沙运用历时合计为95 d,低水位运用期间水库排沙合计为12.272亿t,占水库运用以来排沙量的51.7%。库区干流整体发生强烈冲刷,塑造形成明显滩槽。2018年4月—2020年10月库区干流河槽共冲刷2.823亿m^(3),库区干流滩地共淤积泥沙0.868亿m^(3)。2020年汛后干流最大河槽宽度约930 m,干流槽库容为5.212亿m^(3)。较大的河槽意味着较大的过流能力,后续含沙水流漫滩机会及漫滩量减少。2021年汛期泥沙主要淤积在河槽,淤积量为1.281亿m^(3)。建议洪水期小浪底水库继续开展低水位排沙运用,长期保持库区较大河槽,有利于水库排沙,同时减缓滩面抬升速度。

小浪底水库高水位异重流出库条件及排沙影响因素分析

小浪底水库运用以来,在保障下游防洪减淤及生活、生产、灌溉和生态用水安全等方面发挥了巨大的社会效益和经济效益。基于实测资料,分析了小浪底水库运用以来高水位异重流出库条件及排沙影响因素。结果表明,小浪底水库高水位(235 m以上)运用期间异重流运行至坝前需满足两个条件:(1)入库洪水过程不小于3 d、细泥沙含量高于40%。(2)入库流量Q入≥4 000 m^(3)/s且入库含沙量S入>13.0 kg/m^(3),或者1 700 m^(3)/s<入库流量Q入<4 000 m^(3)/s且入库含沙量S入>86-0.018 Q入。水库排沙比η和蓄水体积与出库流量的比值(■)以及进出库流量的比值(■)成反比关系。最大连续3 d入库输沙率越大,水流动力越强,排沙效果越好。

小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响

小浪底水库运用后,黄河下游河床冲刷粗化严重、水流阻力变化十分明显。为定量描述小浪底水库运用对水流阻力的影响,基于黄河下游水文站流速、河宽、床沙粒径、曼宁系数等实测数据分析,结合床面形态控制数理论及实测床面形态资料,建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式,计算精度得到了黄河下游水文站1508组实测数据的验证。分析计算表明:黄河下游床沙粒径上段粗、下段细的特征更加突出,高村以上游荡型河段沙垄发育、动床阻力增加明显;高村以下河段,河床冲刷粗化程度明显减少,动床阻力变化相对较小,但河槽断面趋于窄深,洪水期岸壁阻力增大明显。小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育,增大了各河段的水流阻力。

小浪底水库横断面冲淤分布规律

开展水库库区横断面冲淤分布规律研究,对合理控制库区淤积形态的发展和长期保持水库有效库容具有重要意义。基于实测资料,分析2000—2020年小浪底水库汛期56个断面的冲淤变化,利用汛前、汛后横断面平均河底高程的差值,并结合形心相对深度判别横断面冲淤类型,得出小浪底水库横断面冲淤类型的时空分布及转化规律。结果表明:汛期小浪底水库横断面的冲淤类型从坝前至库尾依次有水平抬高/主槽冲刷、水平抬高、淤槽为主、主槽冲刷以及冲淤不明显5种,且随着三角洲顶点向坝前推进,横断面冲淤类型沿程转化。

黄河小浪底水库防洪减淤作用与效益跟踪分析

小浪底水库投入运行以来发挥了巨大的防洪、减淤、兴利等作用。系统分析小浪底水库防洪运用情况和作用,基于水库和下游河道泥沙冲淤分析提出水库减淤作用,计算水库防洪减淤效益。结果表明:小浪底水库与中游水库群联合运用,共拦洪削峰15场次,花园口站平均削峰率36%,最大削峰流量7 560 m^(3)/s,有效避免了下游滩区淹没损失;黄河来沙量减少,水库淤积速度小于设计阶段的,水库对下游河道的拦沙减淤比(1.26)小于设计拦沙期的(1.57),减淤效果较优,尤其在艾山以下河段发挥了较好的减淤效果;按照2020年价格水平,水库实际防洪、防凌、减淤效益年值比设计值多59.27亿元,累计效益现值较工程全部投资(含发电分摊投资)多218.73亿元,表明了黄河水沙调节骨干工程建设的经济合理性,为推动古贤等重大水利工程建设提供了成功范例。

考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙优化研究

新时期黄河水沙情势巨变,水库及河道边界条件也发生重大调整,小浪底水库调水调沙需要进一步创新和优化,以便持续发挥其效益。在黄河中游潼关站实测百年水沙系列分析的基础上,提出来水量较多年平均值偏多30%、偏少30%作为丰水年、枯水年的判别标准。对小浪底水库排沙和下游河道输沙规律的分析表明:丰水年具有冲刷能力强和输沙潜力大的优势,水库可多排沙;枯水年具有冲刷能力弱和输沙潜力小的劣势,水库可少排沙。进一步提出考虑黄河来水来沙丰、平、枯变化的小浪底水库调水调沙优化运用方式,采用2000年以来实测水沙系列,分析优化运用方式在当前水沙情势下的适用性。结果表明:优化运用方式可在不淤积下游河道的基础上延长水库拦沙年限8 a,减少水库淤积量8.18亿m3,提高水库多年平均日蓄水量3.99亿m3。

小浪底水库:黄河下游最大“流量阀门”

长期以来,水问题一直是影响中国黄河下游的最紧迫问题之一。一方面,由于对农业灌溉、市政供水和水电的需求不断增长,河水已成为稀缺资源。另一方面,河水泛滥时也会造成可怕的后果。因此,必须合理利用和有效控制居民区的河水。为了防止洪水和干涸现象,近几十年来,沿黄河干流修建了一系列大型水库,使黄河成为世界上受控制程度最高的河流系统之一。

小浪底水库拦沙期应急保滩能力研究

黄河下游滩区防洪是当前中下游洪水调度的难点,研究利用小浪底水库拦沙期较大的库容兼顾滩区防洪安全十分必要。通过实测资料分析、数学模型计算,分析了黄河中游洪水分期特点及近期变化,提出了适宜的保滩流量和分期分级洪水保滩库容需求量,研究以小浪底水库为主的中游水库群应急保滩运用方式,分析了水库应急保滩能力。结果表明:扣除大洪水防洪所需库容,前汛期小浪底水库现状汛限水位235 m以上库容可保证5 a一遇“上大洪水”下游不漫滩,“下大洪水”因小花间无控制区来水量较大,故难以保证下游滩区洪水不漫滩;后汛期现状汛限水位248 m以上库容可保证10 a一遇洪水下游不漫滩。实时调度中结合预报小浪底水库提前预泄腾库,保滩能力可进一步提升。但随着小浪底水库拦沙库容逐渐淤满,水库兼顾下游滩区防洪的能力将逐渐降低。