目錄
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總序
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1 1 研究背景 1
1 2 研究現狀 2
1 2 1 國內外研究現狀 2
1 2 2 亟待解決的關鍵問題 5
1 3 研究內容與思路 6
1 3 1 研究範圍 6
1 3 2 研究內容 7
1 3 3 技術路線 8
1 4 主要創新成果 11
第2章 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控序貫決策理論 13
2 1 黃河幹支流水庫泥沙淤積時空演變特徵與現行調控能力 13
2 1 1 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙淤積時空演變特徵 13
2 1 2 黃河幹支流水庫及水庫群的現行調控能力 19
2 1 3 黃河幹支流骨幹樞紐群對水沙過程的調控效應 25
2 2 水庫泥沙淤積的河流系統鏈式時空多維災變效應 35
2 2 1 水庫泥沙淤積造成的時空災變累積效應 35
2 2 2 水庫-河道-河口河流系統災變效應時空鏈式傳導機制 43
2 3 黃河幹支流骨幹樞紐群多維協同的泥沙動態調控目標函數 55
2 3 1 黃河流域系統與泥沙動態調控體系 56
2 3 2 黃河流域幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控概念及內涵 58
2 3 3 黃河流域幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控主要約束因子及置信區間 65
2 3 4 黃河流域幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控目標函數構建 80
2 4 基於流域系統科學的樞紐群泥沙動態調控序貫決策理論 96
2 4 1 泥沙動態調控目標的動態協同與博弈關係 96
2 4 2 樞紐群泥沙動態調控合作博弈模型的構建 98
2 4 3 樞紐群泥沙動態聯合調控水沙效益重分配 104
2 4 4 不同水沙情景下樞紐群合作博弈的納什均衡解 107
2 4 5 樞紐群泥沙動態調控序貫決策理論架構 111
第3章 水庫高效輸沙機理及泥沙資源利用與動態調控互饋效應 115
3 1 水庫異重流跟蹤監測及持續運移動力學機制與臨界條件 116
3 1 1 小浪底水庫長距離運行異重流的原型跟蹤觀測 116
3 1 2 異重流長距離穩定運移的動力學機制和臨界條件 124
3 1 3 異重流運動的水-沙-床耦合動力學控制方程 132
3 2 水庫溯源沖刷的水沙動力過程及對泥沙動態調控的響應機制 141
3 2 1 水庫溯源沖刷水流運動方程及跌坎形成條件與演化機制 141
3 2 2 水庫溯源沖刷過程水沙數值模型構建與驗證 152
3 2 3 水庫溯源沖刷多情景模擬及沖刷形態發展趨勢與極限狀態 157
3 2 4 跌坎沖刷過程和沖刷效果與泥沙動態調控的響應機制 160
3 3 水庫高效排沙淤積形態及其對泥沙動態調控的響應機理 163
3 3 1 水庫細顆粒淤積物流變特性與流型特徵 164
3 3 2 考慮細顆粒淤積物失穩滑塌的水庫淤積形態數值模擬方法 165
3 3 3 水庫不同淤積形態對泥沙動態調控的響應 171
3 4 水庫泥沙資源利用與泥沙動態調控的互饋機制 174
3 4 1 新時期維持和優化水庫淤積形態的調控方法 174
3 4 2 庫區粗泥沙動態落淤規律及其力學指標空間分佈特徵 175
3 4 3 泥沙資源利用與水庫泥沙動態調控的互饋機制 180
3 5 樞紐群聯合調控對庫區和下游河道水沙輸移的疊加效應 189
3 5 1 泥沙動態調控對庫區水-沙-床的規律性影響 189
3 5 2 樞紐群泥沙動態調控對水沙量-質-能交換的影響機理 194
3 5 3 水庫群蓄泄秩序的疊加效應 199
3 5 4 水沙過程整體優化的水庫群時空對接時機及調控效應 206
第4章 下游河道河流系統對泥沙動態調控的多過程響應機理 211
4 1 下游河道演變對樞紐群泥沙動態調控的多時空尺度響應機理 211
4 1 1 下游河道物質組成與能量沿程分佈對水沙動態調控的響應規律 212
4 1 2 下游河床演變對泥沙動態調控的響應規律 217
4 1 3 泥沙動態調控黃河下游河床演變趨勢預測 223
4 2 下游河勢控導工程佈局與水庫泥沙動態調控的互饋機制 231
4 2 1 有限控制邊界對遊蕩型河道河勢演變的約束機制 231
4 2 2 河勢控導工程不同佈局方式與水沙調控的互饋效應 238
4 2 3 黃河下游遊蕩型河道河勢穩定控制指標及閾值 244
4 2 4 適應樞紐群泥沙動態調控的黃河下游河勢控導工程優化佈局 251
4 3 下游河流生態系統對多重脅迫下水沙動態調控的響應機理 253
4 3 1 水沙動態調控對下游河道關鍵生境因子時空演變的影響 254
4 3 2 水沙動態調控對下游河道關鍵群落結構的影響 257
4 3 3 下游河道典型生物對環境脅迫的響應規律 260
4 4 樞紐群泥沙動態調控與區域社會經濟發展的相互約束機制 261
4 4 1 泥沙動態調控對灘區土地利用方式的影響機制 261
4 4 2 泥沙動態調控與灘區土地利用格局變化的區域空間制約關係 265
4 4 3 灘區土地利用動態模擬及變化趨勢預測 267
4 4 4 灘區土地利用優化方案及管控措施 273
4 5 下游河流系統行洪輸沙-生態環境-社會經濟多過程耦合機制 275
4 5 1 水沙調控與河床演變-生源物質傳輸-生物演替-社會經濟發展多過程耦合關係 275
4 5 2 黃河下遊行洪輸沙-生態環境-社會經濟多過程耦合機制及模型構建 280
4 5 3 黃河下遊行洪輸沙-社會經濟-生態環境多過程模擬預測 283
第5章 黃河幹支流骨幹樞紐群多維功能協同的泥沙動態調控模式與技術 288
5 1 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控指標體系 288
5 1 1 泥沙動態調控指標體系構建 289
5 1 2 泥沙動態調控指標閾值確定 290
5 2 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控模式 307
5 2 1 黃河典型洪水及水沙特徵 308
5 2 2 泥沙動態調控模式構建的理論依據 317
5 2 3 中長期泥沙動態調控模式 322
5 2 4 場次洪水泥沙動態調控模式 324
5 3 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控技術 328
5 3 1 基於水動力的黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控技術 328
5 3 2 基於強人工措施的黃河幹支流水庫泥沙動態調控技術 336
5 4 水動力-強人工措施有機結合的泥沙動態調控技術 360
5 4 1 清水下泄期泥沙負載與水庫群聯合調度技術 360
5 4 2 洪水期水動力-強人工措施結合的泥沙動態調控方案 365
第6章 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控模擬仿真與智慧決策 371
6 1 泥沙動態調控多模型多尺度自適應耦合技術及模擬仿真系統 371
6 1 1 泥沙動態調控模擬仿真系統內嵌模型 371
6 1 2 泥沙動態調控多模型自適應耦合模式 373
6 1 3 泥沙動態調控模擬仿真系統 378
6 2 中長期洪水泥沙動態調控方案設計與計算 381
6 2 1 動態調控影響因素分析 381
6 2 2 中長期泥沙動態調控方案設計 383
6 2 3 中長期泥沙動態調控方案計算 386
6 2 4 中長期泥沙動態調控效果綜合分析 390
6 3 場次洪水泥沙動態調控方案設計與計算 394
6 3 1 場次洪水泥沙動態調控方案設計 394
6 3 2 場次洪水泥沙動態調控方案計算 395
6 4 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控智慧決策平臺 407
6 4 1 數據庫-模型庫-方案庫設計與構建 407
6 4 2 泥沙動態調控智慧決策模塊開發 409
6 4 3 泥沙動態調控智慧決策平臺構建 416
第7章 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控潛力與應用示範 419
7 1 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控潛力與實現途徑 419
7 1 1 泥沙動態調控潛力概念和內涵 420
7 1 2 泥沙動態調控潛力的計算方法 421
7 1 3 不同調控方案泥沙動態調控潛力評價 428
7 1 4 泥沙動態調控潛力的提升空間與實現途徑 438
7 2 泥沙動態調控技術在桃汛洪水調度中的應用示範 441
7 2 1 基於泥沙動態調控的桃汛洪水沖刷降低潼關高程試驗方案 442
7 2 2 桃汛洪水沖刷降低潼關高程調度方案設計 445
7 2 3 桃汛洪水沖刷降低潼關高程示範運用效果 447
7 3 調水調沙下泄清水期泥沙負載技術示範及效果評價 453
7 3 1 泥沙負載技術示範方案設計 453
7 3 2
第1次現場示範試驗實施效果跟蹤觀測與評價 456
7 3 3
第二次現場示範試驗實施效果跟蹤觀測與評價 457
第8章 樞紐群泥沙動態調控序貫決策技術規程及綜合效益評價 463
8 1 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控技術規程 463
8 1 1 骨幹樞紐群蓄泄補償原則和蓄泄秩序 463
8 1 2 不同情景下單-多庫泥沙動態調控規則 470
8 1 3 黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控技術規程 473
8 2 泥沙動態調控防洪減淤-供水發電-生態環境等效益綜合評估 474
8 2 1 泥沙動態調控多維效益指標及其量化方法 475
8 2 2 樞紐群泥沙動態調控多維效益綜合評估模型 478
8 2 3 骨幹樞紐群中長期泥沙動態調控多維效益綜合評估計算 481
8 2 4 場次洪水調度水庫多維效益計算 487
第9章 結論 500
參考文獻 503
精彩書摘
第1章 緒論
1 1研究背景
黃河是全球泥沙問題*為嚴重和*複雜難治的河流，泥沙調控是長期困擾治黃實踐的關鍵技術難題。自20世紀60年代三門峽水庫運行以來，重點圍繞黃河防洪減淤目標，開展了長期的水沙調控科學研究與工程實踐，創造性地提出了”蓄清排渾”“攔粗排細”等多沙河流水庫調度方式，得到國內外的高度認同。特別是2000年以來，隨著以龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底等骨幹樞紐為主體的黃河水沙調控工程體系初步形成，以小浪底水庫為核心的黃河調水調沙試驗和持續的工程實踐的水沙調控效果得到明顯提升，而且在防洪防淩安全和全河水量統一調度、水資源高效利用等方面發揮了巨大作用。
然而，調水容易調沙難。和所有多沙河流水庫一樣，黃河幹支流水庫多年的持續運行，使泥沙不斷淤積，侵佔水庫有效庫容，造成水庫防洪能力降低、供水發電和灌溉等綜合效益下降。同時，我們還要清醒地意識到，雖然近年來黃河的來沙量大幅度減少，但黃河流域”水少沙多、水沙關係不協調”的特性尚未根本改變。特別是，隨著黃河流域生態保護和高質量發展國家重大戰略的推進，如何有效恢復已建水庫的淤損庫容，提升水庫洪水資源化利用（水資源利用）效率，對水庫淤積的存量泥沙和未來洪水過程中的增量泥沙實施動態調控，成為水沙調控這一難題的新焦點和新熱點。
面對我國區域協調發展戰略、鄉村振興戰略、生態文明建設等新形勢、新要求，面對黃河流域生態保護和高質量發展國家重大戰略與國家水資源高效開發利用的新需求，本就水資源極度貧乏的黃河供水區範圍不斷擴大，黃河流域研究成為一個廣域的黃河流域概念；同時，在當今泥沙資源屬性日益凸顯、泥沙處理與資源利用技術逐步完善的前提下，黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態調控面臨難得的歷史機遇與巨大的理論突破和技術創新的挑戰，黃河水沙調控不僅要注重水量的適應性調度，更要強調泥沙的動態調控，提升調沙的能力和技術水平，為實現河流系統行洪輸沙-社會經濟-生態環境多維功能協同的目標奠定基礎。
在”十三五”國家重點研發計劃項目的支持下，我們緊扣國家重大戰略的迫切需求，融合系統工程、河流泥沙、信息工程等多學科理論研究*新成果，加強跟蹤性原型觀測，以理論研究、模型試驗與數值模擬、地理信息技術等手段為支撐，按照”目標與約束—過程與機理—技術與方案—策略與示範”的總體思路，系統開展了黃河幹支流骨幹樞紐群泥沙動態關鍵技術研究。
1 2研究現狀
1 2 1國內外研究現狀
大型水利樞紐是調節 河流水沙資源時空分佈的重要工具。早期的水沙調控多處於盲目無序的狀態，往