时间：2020-08-20来源：
河流是有生命的。河流上水利枢纽工程的高程度开发，在灌溉、供水、发电、防洪等方面产生了巨大的社会效益和经济效益，但同时也带来了一些问题，这些问题在多泥沙河流上表现得尤为突出。
黄河的河流生命因其多沙而更为脆弱，人们在长期治黄实践中，探索了处理和利用泥沙的五项措施，即“拦”“排”“放”“调”“挖”。
“拦”，就是充分利用水土保持措施和干支流骨干水利枢纽工程拦减泥沙；
“排”，就是利用黄河下游河道尽可能多地排沙入海；
“放”，就是利用黄河两岸合适的地形放淤；
“挖”，简单地说就是人工挖河；
“调”，就是调水调沙，在充分考虑黄河下游河道输沙能力的前提下，利用干支流水库的调节库容，对水沙进行有效的控制和调节，适时蓄存或泄放，调整天然水沙过程，使不协调的水沙过程尽可能协调，以便于河道输送泥沙，减轻河道淤积，甚至达到不淤或冲刷的效果。
水库群（串、并联）调度技术是开发程度较高河流所面临的难题之一，而多泥沙河流上水库群—河道水沙联合调度更是当前优化调度学科前沿课题，也是水库泥沙、河道泥沙、优化调度、洪水预报等学科相结合的边缘学科。
《黄河水沙联合调度关键问题与实践》（张金良著. 北京：科学出版社，2020.3）一书针对水沙联合调度所涉及的有关问题，从水沙预测、泥沙频率曲线建立、黄河中下游来水来沙特性与高含沙洪水运动特征分析、高含沙洪水“揭河底”机理、水库泥沙淤积的相关分析与神经网络快速预测模型建立、水库异重流调度、水库汛期浑水发电与优化调度、水库群联合调度方式、调水调沙调度实践等方面进行了研究，取得了较为系统的研究成果。
主要成果包括以下几点。
01
通过对三门峡水库的来水来沙特性进行总结，并利用动力系统理论，分析了入库潼关水文站水沙系列的混沌性，计算了潼关站水沙系列的延迟时间，运用神经网络方法和自相关滑动平均模型对潼关站的水沙量进行预测分析，提出建立泥沙频率曲线的构想，并对潼关站来水来沙的频率进行了预测。
02
提出了高含沙洪水“揭河底”现象发生的河床边界条件假定，即河床质分层假定，并在实际观测中得到了验证。导出“揭河底”厚度的理论公式，揭示了高含沙水流“揭河底”现象的基本机理，将渭河下游、小北干流河段“揭河底”厚度计算公式统一起来；利用该理论分段预测了黄河小北干流河段发生“揭河底”现象的可能性；2002年7 月4 日高含沙洪水局部“揭河底”现象验证了该理论的合理性。
“揭河底”问题是一种特殊的河流冲刷现象，其中包含着许多尚未认识到的复杂规律，在河流动力学和泥沙学领域，有待于深入系统地研究。通过此次分析研究和实测资料计算验证，初步认为：当河床因淤积使纵比降和横断面形态调整到一定程度并发生“晾河底”等现象后，可为河床成层成块淤积物的形成及块体边界剪应力和层间咬合力的减弱或消失创造条件。高含沙洪水出现后，水流可能掀起或悬浮的成块淤积物有效重力减小，悬浮功变小。若受河床边界条件影响出现大中尺度涡旋，水体动能向底层传递，底层紊动、脉动特性增强，在忽略层间咬（黏）合力和块体间边界垂向剪应力的条件下，水体可能掀动的河床淤积物块体最大厚度与淤积物容重γm、浑水体容重γs、糙率系数、底层流速或平均流速等有关。当河床淤积物块体厚度小于计算值时，涡旋引起的垂向脉动增强可促发“揭河底”现象。由“揭河底”现象可知：在高含沙水流条件下，泥沙群体组合（片体、块体）起动方式为脉动压力起动。
03
采用综合物理成因分析法及逐步线性、非线性回归模型，对汛期潼关高程与各影响因子间的相关度问题，进行了定量的研究和定性分析。利用非汛期和汛期不同的淤积量影响因子的分析结果，建立库区淤积量模糊神经网络快速预测模型，采用非线性预测方法对库区总体淤积量进行即时模拟和快速预测。
04
简要分析了小浪底水库洪水期水库的排沙特性，研究了水库明流、异重流输沙特点和水库回水淤积、异重流淤积特点，对小浪底水库异重流形成（潜入）条件、持续条件、持续时间、淤积量进行了研究。结合小浪底库区地形特点，根据水库初期蓄水渗漏较大，需要尽快形成坝前泥沙淤积铺盖的要求，设计了三门峡、小浪底水库异重流联合调度方案，达到了增加小浪底水库坝前泥沙淤积铺盖的调度效果。
05
对黄河三门峡水库浑水发电进行了总结，认为“洪水排沙、平水发电”的运用原则和方式能比较好地协调排沙与发电的关系，在减少过机含沙量、改善机组工况、增加发电时间和提高水量利用率等方面取得了较好效果。针对三门峡水库汛期多目标综合化调度，将遗传优化算法与神经网络快速预测模型相结合，建立了水库多目标优化调度计算模型，寻求在满足防洪限制水位的要求下达到发电与排沙的协调。
通过遗传算法与神经网络相结合的多目标优化调度，可以得到当采用泥沙淤积量与发电量多目标同时调度，即将泥沙作为主要目标调度同时兼顾发电量时，1997～1999年汛期三门峡总体冲刷量3.29 亿t，而汛期总体发电量达到12 亿kW·h 左右；当汛期仅以冲沙为目的进行调度时，三年的汛期冲刷量为4.36 亿t，发电量仅为10 亿kW·h 多，较多目标调度减少近15%。当以排沙为目的进行汛期调度时库平均水位为302.3m，当以发电为目标调度时库平均运行水位达303.9m，这也说明了降低水位排沙的必要性。三门峡库区汛期水沙调度的基本特点是：当来沙量较大时，水库应该降低水位，一般情况下将平稳运行期的水位保持在302m 左右就可以达到汛期排沙的基本要求；当来流含沙量较小时，可以适当提升水库运行水位到304m 左右，在此水位下枢纽有一定的排沙能力，同时也可以兼顾发电效益，同时若短期内关闭发电机，采用大流量冲沙，还可以带动整个库区进行泥沙的输送。
06
研究提出了黄河水沙联合调度的多种调控模式，包括以小浪底水库蓄水为主进行的单库调控方式，三门峡和小浪底两个水库进行的联合调控方式，万家寨、三门峡、小浪底三个水库进行的联合调控方式，小浪底、三门峡、故县、陆浑四个水库进行的联合调控方式以及万家寨、小浪底、三门峡、故县、陆浑五个水库进行的联合调控方式，同时从调控流量、调控历时、调控含沙量、下游河道形态与泥沙冲淤的关系等方面研究了水沙联合调度关键技术，利用实体模型、数学模型和原型实验进行了方案比选。
07
介绍了2002 年以来19 次调水调沙调度实践和效果，黄河下游河道主河槽平均下降2.6m 左右，最小平滩流量从1800m3/s 提高到4200m3/s，黄河下游严峻的防洪形势得到了有效缓解，黄河河口生态环境也得到了明显的改善。
该书作者长期工作在治黄一线，是黄河调水调沙试验方案的主要技术负责人和调度负责人。作者系统剖析总结了黄河水沙联合调度所涉及的各个环节和关键科学技术问题，剖析了黄河中下游来水来沙特性，揭示了黄河特有的“揭河底”现象的机理，分析了潼关高程变化过程及原因，构建了库区泥沙淤积模型，提出了水库排沙和异重流调度方式，以及水库汛期浑水发电和优化调度技术，为黄河调水调沙提供了技术支撑。自2002年黄河首次开展调水调沙调度，至今已经进行了3 次试验调度和16 次生产调度，实现了黄河下游河道的持续冲刷，减缓了小浪底水利枢纽的淤积，有力地保障了黄河中下游的防洪安全、供水安全和生态安全。 黄河治理与保护是一项长期复杂的系统工程，无数治黄工作者为此殚精竭虑，付出了巨大的心血。该书的出版，旨在为从事水沙研究的水利科研、设计、管理及高等院校的教学工作者提供技术参考和实践经验，同时亦将为黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施提供技术支撑。
中国工程院院士
英国皇家工程院外籍院士
南京水利科学研究院名誉院长
2019 年12 月16 日
