第1章 绪论
水库拦沙导致库区淤积严重，黄河流域许多水库淤积超过总库容一半，大大制约了水库效能的发挥(江恩慧等，2012)。解决或减缓水库淤积造成的有效库容损失问题，是水库水沙调控研究的重要目标。流域来水来沙条件是动态变化的，库区-河道边界约束条件是动态调整的，区域社会经济发展和生态健康维持的需求是动态增长的，特别是针对黄河水少沙多的现实状况，黄河水沙调控不仅要注重水量的适应性调度，更要突出泥沙的动态调控(江恩慧等，2019)。因此，“黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控关键技术”项目组在系统梳理过去数十年多沙河流水库泥沙调控主要研究进展的基础上，提出了当前黄河泥沙动态调控的概念。河道的高效输沙着眼于输沙效率较高和输沙用水较省(许炯心，2009)，水库的高效输沙着眼于提高排沙比(张俊华等，2018)。水库高效输沙是减缓水库淤积、实现水库长期持续利用的实现途径，异重流输沙(张俊华等，2018)、库区溯源冲刷(李涛等，2016)、库区淤积形态(王婷等，2013；张俊华等，2016)是多沙河流水库库区高效输沙三大关键要素(图1-1)，目前黄河中游水库群主要通过异重流输沙和库区溯源冲刷两种水力排沙方式实现水库的高效输沙。研究水库高效输沙机制及其与泥沙动态调控的关系，对已建和在建大型水库动态调控具有很强的指导意义。
图1-1 水库多过程水沙输移物理图景
挟沙水流在库区所形成的浑水异重流，能够有效地输运泥沙，减缓水库淤积。小浪底水库在调水调沙过程中通过塑造异重流将泥沙输送出库，获得较高的排沙比(李国英，2011)，异重流在库区的长距离输运成为异重流排沙出库的关键。前人系统研究了异重流发生条件、输沙公式以及流速、含沙浓度分布等。Parker(1982)理论分析得出长程运动的异重流冲刷床面，有利于泥沙输运；短程运动的异重流沿程减速，导致泥沙落淤。后来，Parker等(1986)定量描述了自加速异重流理论，确定了异重流长距离传播的控制因素。Sequeiros等(2009)通过水槽试验*次塑造了自加速异重流。由于异重流观测困难，其物理机制的研究不完善，国外对异重流加以利用的实例很少( Chamoun et al.，2016)。除了 DNS模型( Cantero et al.，2009)外，现有的异重流数值模型( De Cesare et al.，2006；Hu et al.，2012；Adduce et al.，2012；Cao et al.，2015；Huang et al.，2005)对异重流解析不够，难以直接指导实际调度，原型观测上，Azpiroz-Zabala等(2017)对刚果海底峡谷浊流长距离传播进行了较为系统的监测。为了探明水库异重流长距离输运机理，有必要对水库异重流长距离输运过程进行系统观测。
多沙河流水库在遇到有利的水沙条件时，通过控制坝前水位过程，使库区产生溯源冲刷，恢复部分库容。溯源冲刷是发生在坝前水位较大幅度速降，导致坝前水深或三角洲顶点以上一段水深远小于平衡水深甚至低于淤积面而产生的自下而上的冲刷(韩其为，2003)。溯源冲刷受库区水位下降、入流过程以及库区淤积形态等控制，包含全程剥蚀和局部跌坎两种模式。近年来，黄河中游各水库通过速降水位产生溯源冲刷，库容得到不同程度的恢复。其中三门峡水库和小浪底水库在2018～2020年分别冲刷3.5亿t和2.8亿t，库容得到有效恢复。韩其为(2003)假定冲刷面向上游旋转导出冲刷面的演变方程；范家骅(2011)假定冲刷面平行推进计算出库沙量。目前河道中的跌坎冲刷仍会采用浅水方程进行刻画，不能对跌坎溯源冲刷中的急缓流交替流态进行数值解析；而现有的多沙河流水库库区溯源冲刷计算主要依赖原型观测和物理模型试验(李涛等，2016；王婷等，2014)，缺少对局部跌坎的动力学机理分析和数值模拟，对其水-沙-床耦合的动力过程的认识有待深入。
库区淤积形态是入库挟沙水流与库区河床长期相互作用的结果，取决于入流水沙和库区水位变化。目前关于库区淤积形态的研究较少，假冬冬等(2011)将三峡水库蓄水初期近坝区水平状的淤积形态归因于淤积物浮泥特性；王婷等(2013)分析三角洲和锥体形态与输沙流态的关系，得出三角洲形态更有利于输沙；张俊华等(2016)从水沙组合、支流库容利用、水库淤积量等方面对水库淤积形态进行了初步优选，提出相应的调控手段。每个水库都有不同特性，库区不同边界条件对水沙调控的响应影响了水库有效库容的长期保持。通过数值模拟，细化锥体和三角洲淤积形态对输沙和淤积分布的影响，对淤积形态进行比选，是目前以小浪底水库为代表的多沙河流水库运行管理面临的技术问题。
水库群水沙调控对河道泥沙输移和冲淤有显著的累积效应。目前累积效应的研究多集中在河流生境方面( Cada and Hunsaker，1990)，国内研究以径流、水温、生态基流等因子为主，梯级水库泥沙调控的累积效应鲜有涉及。吴保生等( 2007)认为黄河下游平滩流量的变化反映了一定时期内的水沙条件的累积作用，水库泥沙淤积也存在滞后现象(吴保生和游涛，2008)。黄河中游来沙较多，研究枢纽群泥沙动态调控对单一水库、库群间、水库与下游河道水沙量-质-能交换的影响机理，量化干支流水库蓄泄时序对库区和下游河道水沙输移的叠加效应，对优化水库联合调控方式非常关键。
黄河中游水库来水来沙情势变化剧烈，给原有的水库长期运营调度方式提出了新的要求，迫切需要在掌握水库泥沙高效输移机制的基础上，实现对整个中游水库群的泥沙动态调控。围绕水库泥沙输移机制的研究，本书主要研究内容如图1-2所示，针对多沙河流水库泥沙高效输移机理等关键理论问题开展研究，阐明水库溯源冲刷水动力过程及冲淤效果，提出水库异重流持续运移的动力学机制及临界条件，揭示水库淤积形态调整与泥沙动态调控的互馈关系、枢纽群联合调控对泥沙输移的叠加效应、水库泥沙资源利用与泥沙动态调控的互馈机制，完善多沙河流水库高效输沙的水-沙-床互馈动力学机制。
图1-2 多沙河流水库高效输沙的水-沙-床互馈过程
第2章 水库溯源冲刷水沙动力过程及其对泥沙动态调控的响应机制
溯源冲刷是水库降低水位运用过程中，主槽内的河床自下而上产生的冲刷过程，是水库高效输沙很重要的一种形式。溯源冲刷往往始于淤积三角洲顶点附近，以跌坎冲刷为主要表现形式；跌坎处水流流态表现出急缓流交替特征，上溯的速度和冲刷幅度在向上游的溯源过程中通常逐渐呈减小趋势，直至消失，期间往往伴随着滩地的横向坍塌。跌坎冲刷的水动力过程复杂，其形成和演化与库区淤积形态、床沙组成、水库调控过程等众多因素有关。本节重点根据实体模型试验与原型跟踪观测，明晰了跌坎的形成与演化过程；分别构建了有无跌坎情形下水库溯源冲刷过程水沙运动控制方程，通过理论推导确定了跌坎的形成条件，阐明了跌坎发展演化的动力学机制，并得到了小浪底水库跌坎冲刷实测资料的验证；针对跌坎水流流态急缓交替的特点，建立了水库溯源冲刷过程立面二维水沙演进数学模型，通过模型试验和小浪底实测资料的验证，证明了所建立的数学模型的可靠性。在此基础上，开展了多种情景下的数值模拟，对比分析模拟结果，揭示了跌坎冲刷对泥沙动态调控过程中水库运用水位、前期淤积形态、强人工措施和枢纽群联合调度后续动力加强的响应机制，阐明了溯源冲刷的发展趋势和极限状态。
2.1 水库溯源冲刷水流运动方程及跌坎形成条件与演化机制
溯源冲刷过程中，水流流速较大，河床变形剧烈，具有较强的紊动动能，出现局部跌水，且跌水位置会逆水流向上游快速后退(张俊华等，2016)。近年来，黄河中游万家寨、三门峡、小浪底水库通过速降水位产生溯源冲刷，库容得到不同程度的恢复。其中三门峡和小浪底水库在2018～2020年分别冲刷3.5亿t和2.8亿t，库容得到有效恢复。因此探索水库溯源冲刷的水沙动力过程及动力学机制具有重要的理论和实践意义。本小节在系统分析溯源冲刷过程中跌坎形成与演化过程的基础上，通过理论研究建立了溯源冲刷过程水流流态急缓交替运动方程，进而阐明跌坎的形成条件及演化机制。
2.1.1 水库溯源冲刷跌坎形成与演化过程
1. 模型试验中溯源冲刷跌坎形成与演化过程的观测
黄河水利科学研究院利用现有的小浪底水库模型进行了4个组次的降水冲刷试验(马怀宝等，2011)。初始库区淤积量为32亿m3地形条件下，降水冲刷过程控制坝前水位均为210m，水沙过程分别采用历时16天(过程1)和12天(过程2)的洪水过程，以对比分析在相同的地形和水位条件下不同水沙条件的降水冲刷效果；在初始库区淤积量为42亿m3地形条件下，降水冲刷过程水沙条件均为12天洪水过程，控制坝前水位分别为210m及220m，以对比分析在相同的水沙、地形条件下不同水位条件的降水冲刷效果。各试验组次水沙条件与边界条件特征值统计见表2-1，进口水沙系列见图2-1。
表2-1 降水冲刷试验方案及其特征值统计表
图2-1 降水冲刷试验入库水沙过程1(a)、水沙过程2(b)
试验结果表明，各组次试验在蓄水区缩短至仅在坝前300～800m的小漏斗区范围时，从漏斗上游边缘出现明显的溯源冲刷，局部形成跌水，并向上游发展。某些库段存在多级跌坎，见图2-2。在主槽下切的同时，水位下降，两岸尚未固结且处于饱和状态的淤积物在重力及渗透水压力的共同作用下失稳向主槽内滑塌，使得滩地形成向河槽倾斜的形态，见图2-3。
跌坎上溯伴随着强烈的冲刷过程。四组次试验的冲刷效果见表2-2。四组次试验的排沙比均远超过100%，库区冲刷效果显著，其中相同入库水沙条件(组次2、3、4)下，组次3的排沙效果昀优，说明更大的前期淤积量与更低的坝前控制水位可有效增加排沙效果。而组次1的排沙效果相比于组次2更优，说明更强的入库水动力过程能够产生更显著的冲刷。
图2-2 某库段存在的多级跌坎现象
图2-3 溯源冲刷向上游发展中的跌坎
表2-2 四组次冲刷效果对比表(沙量平衡法)
注：因数据修约表中个别数值存在误差。
进一步分析四组次的逐日水位沿程变化图(图2-4)可以看出，组次1和组次3的跌水长期存在并逐渐向上游移动，其中组次1的跌水高差还呈现不断增大的趋势(表2-3)；组次2和组次4的跌水高差则不断减小并逐渐消亡。这两种模式的观测结果为后期开展理论研究和数值模拟提供了重要的验证资料。
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