多沙河流的生态环境需水结构研究

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输沙功能是多沙河流要求满足的一项重要系统功能,研究多沙河流的生态环境需水必须考虑河流的输沙用水。一般确定河流生态环境需水量的计算方法因其很少考虑多沙河流的独特的输沙用水需求而往往只适用于少沙河流。本文在研究多沙河流生态环境需水结构特点的基础上,提出通过水沙调控提高输沙效率、改善多沙河流生态环境需水结构的方法;并以黄河下游为例,分析水沙调控过程中输沙用水量和冲淤量的控制规律,阐明了通过水沙调控可以实现提高输沙效率、减轻河道淤积、优化生态环境需水结构的目标。 对于多沙河流来说,输沙用水需求远高于其他功能用水需求,输沙需水占生态环境需水的绝大部分;当汛期输沙需水得到满足时,不仅可以输送全年的大部分泥沙,而且河流其他功能用水需求可以自动得到满足,此时的生态环境需水量与输沙需水量相当;非汛期输沙需水得到满足时,同样可以满足河流其他功能的用水需求,但因输沙效率较低而导致相应的水资源浪费。将汛期输沙需水量占综合生态环境需水量的比重作为反映多沙河流生态环境需水结构优劣的指标,输沙需水比重越低,生态环境需水结构越有利。 根据多沙河流生态环境需水的结构特点,可利用水利枢纽进行适当的水沙组合调控,将小流量集中起来以“人造洪峰”的方式泄放,从而达到减轻河道淤积,降低生态环境需水量,提高水资源利用效率的目的。以黄河下游为例,根据1980~1998年157次洪峰过程实测资料,建立了各河段洪水输沙用水量与水沙因子之间的神经网络模型。在此基础上对各河段输沙用水量随流量增加的变化规律进行了控制模拟。结果表明,黄河下游不同河段不同含沙量条件下,流量对输沙用水量的调控规律差异较大。结合河段间水量、流量变化的统计模型对黄河下游全河段进行水沙调控模拟,根据不同含沙量水平下三门峡泄放流量对黄河下游各河段输沙用水量与冲淤量调控影响的规律,将下游全河段水沙调控中三门峡站的控制含沙量划分为小于22.5kg/m3、22.5~40kg/m3、40~47kg/m3、47~110kg/m3和大于110kg/m3五个级别。其中,在三门峡含沙量小于22.5kg/m3和40~47kg/m3这两个含沙量范围内,通过对三门峡下泄流量进行调节可以实现黄河下游全河段的冲刷。利用黄河下游前两次调水调沙试验实测数据,对各河段洪水输沙用水量的神经网络模型及全河段水沙综合模拟方法进行了验证,说明该模型具有较高的模拟精度,可供水沙调控工程设计参考。 对不同水沙调控方案下输沙需水比重的变化进行分析表明,通过黄河下游的水沙调控提高输沙效率,确能实现降低输沙需水量、优化生态环境需水结构的目的,且在适当的水沙组合下还可能同时实现下游河道不淤积。
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