《变化环境下黄河动态高效输沙模式研究》在国家重点研发计划课题“变化环境下黄河动态高效输沙模式”（2017YFC0404402）资助下，以黄河下游洪水高效输沙和中游水库群塑造高效输沙水沙过程为研究重点，采用历史情况分析、理论推导、物理模型试验、数值模拟计算等手段，研究揭示变化环境下黄河河道高效输沙机理，分析高效输沙洪水的水沙阈值；明晰多库联动的出库水沙过程与入库水沙条件、库区边界条件和库水位的复杂响应关系，创建高效输沙水沙过程塑造技术；研究适应未来水沙情势的泥沙多年调节方法和相应水库运用方式，创新年际变动、丰枯机动的自然变化-人工干预二元作用机制下黄河动态高效输沙模式，提出黄河动态高效输沙需水量，为黄河水量分配优化、实现2030年前减少黄河流域缺水10亿～20亿m3的目标提供重要支撑。

为黄河水量分配优化、实现2030 年前减少黄河流域缺水10 亿~20 亿m3 的目标提供重要支撑。

第1章绪论
　　1.1研究背景
　　黄河泥沙含量世界之*，而黄河的主要问题是水少沙多、水沙关系不协调，使得下游河床不断淤积抬高，形成了著名的地上悬河，进而加大了下游洪水的威胁。黄河流域是典型的缺水型流域，随着社会经济的发展，流域生产、生活需水量显著增加，水资源供需矛盾日益突出。天然时期（1950～1960年），黄河来沙量16亿t，尽可能将泥沙输送入海是黄河径流的重要功能；在《黄河可供水量分配方案》（黄河“八七”分水方案）中，输沙用水量为210亿m3，约占水资源总量的36%，对黄河水资源分配具有较大的影响。
　　黄河“八七”分水方案是我国大江大河首次制定的分水方案，自实施以来，提高了水资源可持续利用程度和利用效率，保障了流域各省（自治区）经济、社会、生态环境等方面的协调（均衡）发展。但随着各省（自治区）对水资源需求的不断增加，天然径流量的显著减少（“八七”分水方案制定时黄河天然径流量为580亿m3，2008年降低为534.8亿m3，近期研究拟修订为480亿m3），输沙及生态环境等河道内用水与经济社会发展之间、不同省份之间的水量分配难度越来越大，矛盾也更为尖锐。而流域环境的巨大变化和南水北调中线和东线的开通，也给黄河水量分配方案的优化调整提供了条件和较多的选择。
　　对黄河演变规律认识水平的提高和小浪底等中游水库群调控水沙能力的增强，对输沙塑槽流量的研究工作也提出了更高的要求。
　　未来输沙水量不仅要满足河道冲淤的要求，而且要满足*小平滩流量的要求。现有输沙水量是指某一来沙量条件下，维持典型河段一定的泥沙淤积量水平所需要的水量，主要是以河道淤积量来衡量河道行洪输沙能力，这是在当时研究水平和认识水平下的结果。近期对河道健康状况的评价引入了一个非常重要的指标——河槽规模，一般用平滩流量作为表征指标，反映河槽的过流和输沙能力，是对河道冲淤量这一单一指标的重要补充，具有非常重大的实际意义。因此在提出变化环境下黄河输沙水量时也必须开展河槽断面形态和过流能力与来水来沙、河道冲淤的关系研究，以得到切实维持河道基本功能的输沙水量。
　　未来输沙水量不仅要满足水量的要求，而且要满足流量级的要求。现有输沙水量指通过利津断面的全年入海水量，但由于流量级不同，相同水量的输沙效率也存在显著差异：大流量级水量具有更加高效的输沙塑槽作用，而工农业和生产生活、生态环境等功能的流量级较小，其输沙塑槽作用要小得多，甚至对艾山以下窄河段、宁蒙的三湖河口—头道拐等冲积性河段的输沙塑槽具有不利的影响。面对洪水水沙显著减少的基本趋势，进一步明确输沙塑槽用水的流量级分布变得十分必要和迫切。
　　进一步优化调整现有输沙水量动态调控模式有利于提高输沙效率及枯水年份其他功能用水保证率。现有水量分配动态调整主要是根据当年来水情况实行丰增枯减、同比例增减，这样丰水年分配的工农业可用水量多、枯水年分配的水量少；但实际上丰水年流域整体降水偏多、用水需求反而少，分配水量用不完；而枯水年流域整体降水偏少、用水需求反而更大，但分配水量少，不能满足需要。这也是水资源分配与地区用水的一个尖锐矛盾。
　　而对输沙水量来说，枯水年一般来沙不多，可以依靠水库拦沙、少输沙甚至不输沙，把来水更多地留给工农业用水，满足经济社会需求；而在丰水年，工农业用水少时，加大输沙水量，把来沙和前期淤积的泥沙通过大流量过程输送入海。
　　中游水库群联合调控、协调水沙关系，为下游河道高效输沙、减少输沙水量提供了可能的条件。根据黄河水沙变化*新研究成果，小浪底水库进入正常运用期后，在无西线南水北调条件下，未来黄河下游的来水量在210亿～220亿m3，来沙量在5.5亿t左右，也就是说在汛期约100亿m3的水需要输送约5.0亿t的泥沙（平均含沙量50kg/m3、来沙系数0.053kg s/m6），与1986～1999年汛期126亿m3水输送7.2亿t沙（平均含沙量57kg/m3、来沙系数0.048kg s/m6）相比，水流输沙条件更为严峻，可以预测，如果依照1986～1999年的实际进入下游河道，下游淤积仍可能接近2亿t，而且主要在河槽中，如果要减少淤积，就需要更多的输沙水量，这会加剧水资源利用的紧张程度。可见，亟须对水沙过程进行再调节、高效输沙、多输沙。
　　2000年以来，小浪底与三门峡等中游水库群联合运用积累了丰富的调度经验，未来古贤、东庄水库建成和联合运用对黄河水沙的调控能力进一步增强，有利于进一步协调进入下游的水沙关系，利用并塑造洪水过程高效输沙、节省输沙水量，显著提高黄河水量分配的灵活性和调度水平等。
　　因此，在流域水沙情势发生巨大改变、流域经济迅速发展、外流域调水增加的变化背景下，黄河输沙水量的变化和以高效输沙为基础的动态调度是关系到黄河分配水量多少，进而关系到流域可持续发展的重大研究课题。
　　要实现2030年前减少黄河流域缺水10亿～20亿m3的目标，减少输沙用水，增加经济社会用水是重要手段之一。近年来，影响黄河输沙用水的外部环境发生了很多变化，一是来水来沙条件发生了剧烈变化，来沙量明显减少；二是小浪底水库已经投入运用20余年，东庄水库已经开工建设即将投入运用，古贤水库进入方案论证阶段，黄河水沙调控体系将逐步趋于完善，为塑造高效输沙的水沙过程提供了工程条件；三是黄河下游河道边界条件发生了变化，河道整治工程布局不断完善，4000m3/s的中水河槽规模已经形成。在这样的背景下，研究水库群驱动的动态高效的输沙模式，可有效减少黄河输沙需水量，为实现2030年前减少黄河流域缺水10亿～20亿m3的目标提供了重要支撑。
　　1.2研究现状
　　输沙水量是关系到河道输沙效果和河道自身健康发展所需水量的一个重要指标。研究输沙水量（输送单位重量的泥沙所需要的水量），就是为了更好地节约输沙用水量，促进水资源的合理利用（岳德军等，1996）。
　　齐璞等（1997）提出输沙耗水量的定义，认为输沙耗水量的取值完全取决于含沙量的高低，采用断面平均含沙量进行表示。严军（2003）在其博士论文中对1950～2000年黄河下游各站汛期、非汛期、全年和洪水期输沙水量和单位输沙水量开展了较为详细的分析工作，并采用黄河下游主要控制站输沙量法和含沙量法的数据对其经验公式的参数进行率定，形成不同河段的参数表。采用假设的较为简化的小浪底水库运用方式，应用一维水沙数学模型，对高效输沙水量和高效输沙水沙组合的设计方案进行了计算。石伟和王光谦（2003a，2003b）从河流输沙水量的概念出发，根据输沙平衡原理推导出考虑河道冲淤、引水引沙情况下河流*经济输沙水量的计算式，其认为输沙水量与含沙量成反比，与流量也成反比，同时提出*经济输沙水量是输沙效率与河道淤积状况综合*优时的输沙水量，即平滩流量时对应的输沙水量。申冠卿等（2006）根据黄河下游1950～2002年水沙、河道冲淤及洪水观测资料，系统分析了黄河下游主要控制站输沙水量与来沙量、洪水量级、水沙搭配区间引水引沙及河道允许淤积度等因子间的相互关系，认为年输沙量、河段冲淤程度、流量级、大流量来水过程持续时间对汛期的输沙水量起到决定因素，并根据黄河下游花园口站、利津站实测资料提出了适用于黄河下游主要控制站汛期、洪峰期和非汛期输沙水量计算的经验公式。潘贤娣等（2006）提出高效输沙洪峰的概念。张原锋等（2007）认为输沙水量的计算思路为，首先确定不同的输沙情况所需的输沙量，再根据流量、含沙量及淤积比关系进行反复试算，使得输沙情况下的淤积量等于允许淤积量，并*终求得输沙水量。例如，以下游来沙量6亿t、平衡输沙占洪水总量18%为例（其中冲刷、淤积分别占25%、57%），当平衡输沙时，输沙量为0.93亿t。根据水沙临界关系式［表1-1中的式（1-4）］，洪水流量为3800m3/s、含沙量为48kg/m3，计算得输沙水量为19.3亿m3。张翠萍等（2007）根据渭河下游水沙条件、河道边界条件等资料对其输沙水量开展研究，分析了汛期和非汛期输沙水量的特点，并采用不同的方法进行了计算，综合确定了汛期、年输沙水量，提出并论证了流量级对输沙水量的重要性。张原锋和申冠卿（2009）针对不同学者对黄河下游输沙需水的不同定义进行了分类讨论，提出了维持主槽不萎缩输沙需水，采用1986～1999年黄河下游实测水沙过程，经验性提出黄河汛期输沙需水的容许淤积量，考虑小浪底水库调节措施以及不同主槽规模、不同水库调节方案的输沙需水计算方法。吴保生等（2011）认为，维持黄河下游主槽不萎缩的需水量需考虑五个方面的因素，包括河道主槽的维持规模、来沙量大小、水沙过程、淤积量大小和分布、前期河床边界条件。李小平等（2010）重点研究了黄河下游1950～2005年发生在汛期的平均流量大于2000m3/s的243场洪水的冲淤特性以及高效输沙洪水过程，建立了洪水淤积比的计算公式，提出了黄河下游实现高效输沙的洪水流量级和含沙量级指标。吴保生等（2012）从能量守恒角度出发分析了挟沙水流能量耗散机理和水流塑槽与输沙能量的分配，通过黄河下游1957～2007年各主要测站长期现场观测资料建立了挟沙水流与塑槽及输沙平衡的经验公式，以三黑小（即三门峡、黑石关和小董）的来水来沙条件计算了黄河下游河道塑槽输沙需水量。李凌云（2010）在其博士论文中对吴保生的能量守恒方法及河道塑槽输沙需水量的工作进行了较为详细的说明。刘小勇等（2002）从上游来水来沙状态、下游河道输沙目标、下游河道水流输沙能力和水利枢纽调控调度四个层次分析了黄河下游河道输沙用水效率。根据1950～1997年的实测资料，分别讨论了黄河下游不同河段在自然、受控、复杂和异常状态下的输沙用水量，在各种状态下根据河道和输沙特性的差异，分别按照均衡和平衡输沙目标计算了下游河道输沙用水量。刘晓燕等（2007）基于黄河下游历史实测资料，分析了流量、水量、含沙量和来沙量等主要因素与主槽形态的响应关系。通过对未来入黄泥沙形势、黄河下游洪水形势、黄河下游不同量级洪水的挟沙能力、不同量级及历时的洪水塑槽机理分析，阐述了小浪底水库运用后进入黄河下游的泥沙将主要在洪水期下泄的特点。在未来下游来沙量8亿～9亿t情况下，维持下游主槽过流能力4000m3/s左右，对应的洪水水量应维持在60亿～70亿m3。
　　吴保生等（2011）根据1964～2007年黄河下游孙口水文站观测数据，以滑动平均水量和滑动平均沙量为参数，建立了黄河下游汛期塑槽需水量的计算公式，包括上限需水量和下限需水量，构成塑槽需水量的变化区间。其资料分析和公式计算结果显示，汛期塑槽需水量与汛期来沙量及平滩流量均成正比关系。林秀芝等（2005）分析了渭河下游汛期输沙水量，利用1974～2002年断面法淤积资料，与汛期进入渭河下游的水沙资料建立相关关系式（表1-1），并对其合理性进行充分论证。
　　费祥俊（1998）从输沙耗水量的定义表达式出发，对以断面平均含沙量与泥沙容重表示的输沙耗水量公式所引发的黄河下游河道长距离高含沙输沙问题开展了讨论。以渠道和黄河下游20世纪80～90年代观测资料对其通过水槽试验得到的高含沙水流不淤流速表达式进行讨论分析，进一步提出高含沙水流长距离输沙所需*小坡度的表达式。费祥俊（1999）应用小浪底水库未投入运用前（1998年之前）的黄河下游水沙资料开展试验研究，得到不同河段河道输沙能力的关系式，提出应采取出库高含沙水流通过渠道向两岸低地放淤的综合减淤措施，并根据其公式认为，放淤浑水含沙量为300kg/m3时输沙水量为3m3/t。
　　白夏等（2015）在分析讨论黄河上游可调输沙水量基本概念的基础上，阐明了可调输沙水量与水库可调水量之间的相关关系，进而通过计算黄河上游龙羊峡水库1987～2010年可调水量，探讨了满足综合用水需求和发电用水需求两种情景模式下的黄河上游历年可调输沙水量及水库水沙调控效益。齐璞和侯起秀（2008）认为可利用高含沙水流输沙入海，节省输沙用水量，减缓河道淤积，并采用黄河下游1970～1996年实测资料设定计算方案，其方案显示水库开始排沙后，年均输沙用水量为43亿m3，丰水年排沙用水量达128亿m3，*小为16亿m3。姜

目录
总序
前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2研究现状3
第2章变化环境下高效输沙机理与水沙阈值9
2.1黄河下游适宜含沙量及高效输沙洪水9
2.2沙质河床水沙运动特性24
2.3沙质河床水沙输运过程制约因素51
2.4小结60
第3章面向高效输沙的水沙过程塑造61
3.1黄河中游水库群基本情况61
3.2三门峡水库排沙规律分析65
3.3小浪底水库排沙规律分析77
3.4黄河小北干流河段洪水演进规律95
3.5古贤水库补水情况下中游水库群高效输沙的水沙过程塑造技术99
3.6塑造高效输沙的水沙过程水库调控指标103
3.7小结106
第4章中游水库群泥沙多年调节方式与下游动态输沙需水109
4.1中游水库群运用现状与效果109
4.2变化环境下水库综合利用多目标需求118
4.3近期水库运用条件变化123
4.4泥沙多年调节方式论证137
4.5黄河下游动态输沙需水方案147
4.6小结153
第5章黄河上游宁蒙河道高效输沙需水量研究158
5.1宁蒙河段河道水沙及河道冲淤159
5.2宁蒙河道不同时段冲淤规律研究172
5.3宁蒙河道洪水期输沙规律177
5.4维持宁蒙河道中水河槽塑槽水量分析180
5.5宁蒙河道输沙水量计算方法184
5.6宁蒙河道不同水沙条件下的输沙水量185
5.7小结189
第6章渭河下游河道输沙塑槽动态输沙需水190
6.1渭河下游年输沙水量分析193
6.2渭河下游汛期输沙水量分析195
6.3渭河下游洪水期输沙水量分析200
6.4渭河下游高效输沙水量分析205
6.5小结208
第7章黄河输沙水量耦合机制与动态输沙水量210
7.1高效输沙的定义与内涵210
7.2基于高效输沙的输沙水量212
7.3全河输沙水量耦合方法224
7.4黄河典型断面高效动态输沙需水量228
7.5小结232
参考文献233