水利部人才創(chuàng)新團(tuán)隊之“多沙水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控”團(tuán)隊取得系列創(chuàng)新成果

2021年，正高級工程師牽頭申報的“多沙水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控”團(tuán)隊（簡稱團(tuán)隊）入選水利部水利人才創(chuàng)新團(tuán)隊。近年來，團(tuán)隊面向世界科技前沿和國家重大需求，圍繞不斷完善黃河水沙調(diào)控理論和技術(shù)體系的目標(biāo)，在水庫泥沙運動基礎(chǔ)理論、壩下游河床演變基本規(guī)律、梯級水庫聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)、流域梯級開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃等方面取得了系列研究成果。

一、水庫泥沙運動基礎(chǔ)理論

來揭示水庫異重流排沙出庫的動力學(xué)機理，提出排沙出庫的調(diào)控指標(biāo)及其閾值

人工塑造異重流排沙是黃河調(diào)水調(diào)沙的關(guān)鍵技術(shù)。多年來，治黃前輩圍繞異重流潛入條件、演進(jìn)規(guī)律、排沙條件和調(diào)控技術(shù)等方面取得了豐碩成果。但隨著來水來沙條件和水庫淤積邊界條件發(fā)生顯著變化，原有的半理論半經(jīng)驗公式的適用性受到挑戰(zhàn)。針對新情勢下小浪底水庫異重流排沙出庫的現(xiàn)實需求，團(tuán)隊引入河流功概念，從基礎(chǔ)理論層面揭示了水庫異重流出庫的動力學(xué)機理；進(jìn)而構(gòu)建了判定異重流排沙出庫的二維無量綱指標(biāo)體系，用潛入點至壩前的平均河床縱比降 J₀ 與異重流臨界比降 J_c 的比值 J₀/J_c 表示相對河床縱比降，指示異重流運動的邊界動力因子；用異重流平衡速度 u 和持續(xù)時間 T 的乘積與潛入點至壩前的徑向距離 L 的比值 uT/L 表示異重流持續(xù)運動的相對距離，指示異重流運動的水沙動力因子。確定了邊界動力因子 J₀/J_c 和水沙動力因子 uT/L 雙參數(shù)構(gòu)成的異重流排沙出庫判別圖（見圖1），判別條件為 （J₀/J_c）（uT/L）gt;K，K 為排沙出庫的調(diào)控指標(biāo)閾值。團(tuán)隊?wèi)?yīng)用實測資料率定了小浪底水庫異重流排沙臨界條件，得到 K=12 ，預(yù)測精度超過 84%^[1] 。該判別方法為小浪底水庫異重流高效排沙調(diào)度提供了理論依據(jù)，并展示了應(yīng)用推廣到其他多沙河流水庫排沙調(diào)度的潛力。

圖1小浪底水庫異重流排沙出庫判別臨界條件

米闡明水庫溯源沖刷的水動力過程及對水沙調(diào)控的響應(yīng)機制

溯源沖刷是實現(xiàn)水庫大規(guī)模沖刷的重要方式之一，對溯源沖刷跌坎發(fā)育過程的描述與模擬屬于泥沙運動力學(xué)的經(jīng)典挑戰(zhàn)。對跌坎溯源沖刷進(jìn)行模式概化是水庫沖淤計算中較為成熟的方法，但其無法反映溯源沖刷對于水庫調(diào)度的實時響應(yīng)與發(fā)育過程。因此，團(tuán)隊連續(xù)多年持續(xù)開展小浪底水庫庫區(qū)溯源沖刷原型觀測，并通過水槽試驗、水庫物理模型試驗等手段獲取了大量觀測資料。基于原型觀測與模型試驗結(jié)果，明晰了有無跌坎情況下水庫溯源沖刷過程的物理圖景，建立了有跌坎情況下溯源沖刷過程跌坎演化方程，構(gòu)建了適用于跌坎溯源沖刷的水庫水沙模型，實現(xiàn)了對多沙河流水庫庫區(qū)跌坎發(fā)育與溯源沖刷水動力過程的精細(xì)模擬與預(yù)測。通過原型觀測、模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)水庫溯源沖刷存在增強型和衰減型兩種發(fā)展模式。通過多情景模擬，揭示了兩種發(fā)展模式對水沙調(diào)控過程的響應(yīng)機制[2，確定了兩種發(fā)展模式的轉(zhuǎn)換閾值。結(jié)果表明：跌坎高度、頂坡段坡度、床沙粒徑和入庫單寬流量等控制變量均存在閾值，使得溯源沖刷在衰減型和增強型之間切換。研究成果可為水庫實現(xiàn)高效溯源沖刷的指標(biāo)選取與效果預(yù)測提供基礎(chǔ)支撐。

二、壩下游河床演變基本規(guī)律

米辨識小浪底水庫運行20年黃河下游河道河床演變規(guī)律

壩下游河床演變是河流泥沙研究的經(jīng)典課題。眾多學(xué)者圍繞水庫修建后進(jìn)入下游的水沙過程、河道沖淤、河床粗化等開展了大量研究，取得了豐碩成果。過去20余年，黃河流域水沙情勢發(fā)生深刻改變，小浪底水庫調(diào)度方式不斷優(yōu)化，下游游蕩型河段治理目標(biāo)持續(xù)提升，使得小浪底水庫的調(diào)度運行對下游河道的影響一直是研究熱點。對此，團(tuán)隊以1960—2022年長序列水文泥沙、斷面地形、遙感影像等多源資料為基礎(chǔ)，從徑流泥沙、沖淤演變、形態(tài)調(diào)整三個方面闡明了小浪底水庫運行以來對下游河道河床演變特性的影響（見圖2）[3]。在徑流泥沙層面，與建庫前相比，小浪底水庫修建后攔沙效果顯著，下泄水量在年內(nèi)分配更加均勻、沙量向汛期更加集中；大流量和高含沙事件的嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率顯著降低；懸沙調(diào)整不明顯，床沙粗化顯著；在沖淤演變層面，黃河下游河道持續(xù)淤積的趨勢得到了扭轉(zhuǎn)，沖淤調(diào)整主要發(fā)生在花園口至高村的游蕩河段，沖刷效率持續(xù)下降，主槽過流能力得到顯著恢復(fù);在形態(tài)調(diào)整層面，黃河下游游蕩型河段橫斷面形態(tài)向窄深發(fā)展，二級懸河發(fā)育得到有效緩解，整體河勢處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。研究成果豐富了對多沙河流建庫后下游河床演變的科學(xué)認(rèn)知，為小浪底水庫優(yōu)化調(diào)度提供了科技支撐。

圖2黃河下游河道床沙中值粒徑、河段累計沖淤量、平灘寬深比與灘槽高差（高村斷面）變化趨勢

來提出游蕩型河道河勢穩(wěn)定狀態(tài)量化評價方法

游蕩河流具有“河勢變化頻繁、主流遷徙不定”的特點，對其河勢穩(wěn)定狀態(tài)的評價與預(yù)測一直是河床演變學(xué)中的焦點與難點。針對游蕩河流河勢穩(wěn)定狀態(tài)的傳統(tǒng)評價方法大致可以分為基于水動力學(xué)與河床演變學(xué)指標(biāo)，以及基于形態(tài)學(xué)指標(biāo)兩大類。前者公式形式復(fù)雜，且依賴于實測數(shù)據(jù)的獲取精度；后者形式簡單，但缺乏物理基礎(chǔ)。因此，團(tuán)隊利用泰勒級數(shù)思想，基于主流線擺幅提出了考慮時間累積效應(yīng)的沖積河流河勢穩(wěn)定評價指標(biāo)RSIRR，表示為主流擺動幅度s、擺動速率 v 、擺動加速度 α_a 與河寬 B 的線性組合，并通過對斷面的空間加密將該指標(biāo)由斷面尺度擴(kuò)展到河段尺度。在此基礎(chǔ)上，基于1986—2009年黃河下游主流線實測數(shù)據(jù)，利用聚類分析的方法率定了上述RSIRR指標(biāo)中的待定系數(shù)，提出了適用于黃河下游游蕩段的河勢穩(wěn)定指標(biāo)表達(dá)式，并進(jìn)一步對黃河下游游蕩段河勢穩(wěn)定狀態(tài)的時空格局及其預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了討論與驗證（見圖3）[4]。該方法實現(xiàn)了對黃河下游游蕩型河道任意河段任意時刻河勢穩(wěn)定狀態(tài)的快速評估與預(yù)警，預(yù)警精度在 95% 以上，為黃河下游游蕩段防洪安全與河道整治提供了技術(shù)支撐。

圖3黃河下游游蕩段的河勢穩(wěn)定狀態(tài)時空分布

三、梯級水庫聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

*構(gòu)建全河梯級水庫群水沙調(diào)控序貫決策理論模型，探索基于效益重分配的全河水沙調(diào)控新模式

梯級水庫群水沙調(diào)控是調(diào)節(jié)黃河水沙關(guān)系的重要手段。已有研究大多圍繞黃河上游龍-劉梯級水庫群或中下游萬-三-小梯級水庫群構(gòu)建水沙多目標(biāo)調(diào)控模型，而對全河梯級水庫群水沙調(diào)控理論及模型研究不足，無法充分發(fā)揮黃河水沙調(diào)控體系的整體合力。為此，團(tuán)隊考慮來水來沙的不確定性及各用水主體水沙配置的動態(tài)需求，構(gòu)建了不確定水沙條件下全河梯級水庫群水沙調(diào)控序貫決策理論模型，并以龍羊峽-劉家峽-萬家寨-三門峽-小浪底-下游河道為研究對象，優(yōu)化全河梯級水庫群日尺度的排沙-發(fā)電調(diào)度過程。繼而分析了不同水沙條件下全河梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度綜合效益增量的變化規(guī)律，揭示了全河聯(lián)合調(diào)度效益增量與水文條件之間的響應(yīng)關(guān)系（見圖4）；分別采用Shapleyvalue、Gately point、Nash-Harsanyi等效益重分配方法對全河聯(lián)合調(diào)度產(chǎn)生的效益增量進(jìn)行重分配，提出了汛期全河水沙聯(lián)合調(diào)度效益重分配方案，不僅提高了上游水庫參與全河梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的積極性，而且維持了全河聯(lián)合調(diào)度運行模式的穩(wěn)定性。研究成果表明：現(xiàn)狀條件下全河梯級水庫群聯(lián)合調(diào)控能夠顯著提升水庫群綜合效益，特別是在水少沙多的不利年份，全河聯(lián)調(diào)能夠充分發(fā)揮水工程調(diào)度能力，實現(xiàn)水沙調(diào)控的全面改進(jìn)[5]。

圖4全河梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度效益增量與水文條件之間的響應(yīng)關(guān)系

米構(gòu)建年尺度全河水沙聯(lián)合調(diào)度模型，提出泥沙多年調(diào)節(jié)的調(diào)度策略

多沙河流排沙調(diào)度是梯級水庫群調(diào)度的重要內(nèi)容之一。目前關(guān)于黃河流域梯級水庫群防洪-排沙調(diào)度、發(fā)電-排沙調(diào)度、排沙-生態(tài)調(diào)度、防洪-排沙-供水調(diào)度等多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型研究較多。但是現(xiàn)有調(diào)度目標(biāo)往往聚焦于水沙-經(jīng)濟(jì)或水沙-生態(tài)兩個維度，而對流域水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維調(diào)度需求考慮不足，特別對泥沙調(diào)度的考慮不夠精細(xì)。因此，團(tuán)隊綜合考慮流域系統(tǒng)行洪輸沙、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)多維調(diào)度需求，構(gòu)建了黃河干流梯級水庫群（龍羊峽-劉家峽-海勃灣-萬家寨-三門峽-小浪底）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)了年尺度全河水沙調(diào)控優(yōu)化。利用2014—2022年的優(yōu)化結(jié)果分析了不同水文頻率優(yōu)化調(diào)度提升空間和幅度；厘清了三個目標(biāo)函數(shù)之間的協(xié)同競爭關(guān)系，發(fā)現(xiàn)枯水年調(diào)度目標(biāo)之間存在弱競爭區(qū)和強競爭區(qū)，而平水年、豐水年的競爭協(xié)同關(guān)系相對均衡；由此提出了基于多目標(biāo)權(quán)衡關(guān)系的泥沙多年調(diào)節(jié)的調(diào)度策略：枯水年僅海勃灣、三門峽進(jìn)行排沙，盡可能維持兩水庫的沖淤平衡；豐水年和平水年海勃灣、萬家寨、三門峽、小浪底水庫均排沙，損失一定的發(fā)電和生態(tài)效益，從而實現(xiàn)跨年尺度多目標(biāo)的協(xié)同發(fā)展[6]。研究結(jié)果展示了泥沙多年調(diào)節(jié)的廣闊應(yīng)用前景。

*構(gòu)建基于MCPT的水庫調(diào)度多屬性決策模型，破解從Pareto前沿選取最優(yōu)方案的難題

從梯級水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型生成的眾多方案集中尋找最優(yōu)調(diào)度方案一直是水庫調(diào)度決策的研究熱點。前人在多維評價指標(biāo)和多屬性決策方法兩方面開展了大量研究，并取得了重要進(jìn)展。但是針對多沙河流水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的多維評價指標(biāo)考慮不足，同時難以有效量化表達(dá)決策者的不同風(fēng)險偏好。因此，團(tuán)隊考慮梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度對流域水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維功能子系統(tǒng)的復(fù)雜影響，確定了梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度方案的評價準(zhǔn)則：行洪輸沙通暢，生態(tài)環(huán)境健康，社會經(jīng)濟(jì)增長。據(jù)此建立水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維評價指標(biāo)體系，并將調(diào)度模型的Pareto解集作為評價指標(biāo)?；诟倪M(jìn)的累積前景理論（MCPT）構(gòu)建了調(diào)度方案多屬性決策模型。將該決策模型應(yīng)用于黃河流域，評價豐、平、枯水年三門峽-小浪底水庫群聯(lián)合調(diào)度方案集的優(yōu)劣。結(jié)果表明，相較于常用決策方法（如灰色關(guān)聯(lián)分析法、TOPSIS模型、基于CPT的決策模型等），該決策模型不僅能有效量化決策者的不同風(fēng)險偏好，而且靈敏度顯著提高，能快速在Pareto前沿面上優(yōu)選出與歷史上實際調(diào)度相接近的決策方案 ^17] ，為梯級水庫群調(diào)度決策提供了科學(xué)依據(jù)。

四、流域梯級開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃

*構(gòu)建梯級水庫修建次序?qū)α饔蚨喙δ軈f(xié)同發(fā)展影響評價模型，為流域梯級開發(fā)次序決策提供支撐

水庫開發(fā)影響流域水資源利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面，梯級水庫的修建次序常常引起激烈的討論。前人在梯級水庫開發(fā)次序研究中多從規(guī)劃角度關(guān)注成本-收益比，缺少從水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維度考量梯級水庫修建次序?qū)α饔蚨喙δ軈f(xié)同發(fā)展影響的評價。因此，團(tuán)隊考慮流域行洪輸沙、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)多維功能子系統(tǒng)，構(gòu)建了梯級水庫修建次序?qū)α饔蚨喙δ軈f(xié)同發(fā)展影響評價指標(biāo)體系及評價模型。將該模型應(yīng)用于黃河和長江流域，評估了干流梯級水庫群的修建次序方案。結(jié)果表明：通過評估黃河和長江流域現(xiàn)狀梯級水庫修建次序方案，驗證了此前規(guī)劃修建次序的合理性；黃河流域規(guī)劃梯級水庫修建次序的行洪輸沙指數(shù)排名靠前，長江流域規(guī)劃梯級水庫修建次序的社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)排名靠前，驅(qū)動兩個流域梯級開發(fā)的主導(dǎo)機制不同，庫容和裝機容量分別是影響黃河和長江流域梯級水庫修建次序的主要因素（見圖5）[8]。該評價模型的構(gòu)建既能夠驗證已建梯級水庫次序的合理性，也能為未來梯級水庫開發(fā)次序提供參考依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5評價指標(biāo)敏感性

米構(gòu)建黃河上游黑山峽水庫水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維調(diào)控模型

黃河上游待建的黑山峽水庫是水沙調(diào)控體系七大骨干工程之一，在黃河治理體系中承擔(dān)承上啟下的關(guān)鍵作用。關(guān)于黑山峽開發(fā)必要性的研究多從規(guī)劃角度開展，圍繞其功能定位、對寧蒙河道輸沙塑槽作用及生態(tài)環(huán)境影響均有研究成果，但從優(yōu)化調(diào)度的角度分析其水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維調(diào)控效應(yīng)的研究不足。因此，團(tuán)隊以寧蒙河道沖刷量（EQ）最大、生態(tài)滿意率（ESR）最高和黑山峽水庫發(fā)電量（PG）最大為目標(biāo)，建立了黑山峽水庫多目標(biāo)協(xié)同水沙調(diào)控模型，揭示了大水大沙、大水中沙、大水小沙等9種典型水沙情景下黑山峽水庫水沙-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)多維調(diào)控效應(yīng)，并引入競爭評價指數(shù)分析了多目標(biāo)之間的協(xié)同-競爭關(guān)系及其影響因素[9。結(jié)果表明，黑山峽水庫運行可增加下游寧蒙河道汛期流量，多年平均沖刷量比現(xiàn)狀增加0.19億t，枯水年使寧蒙河道生態(tài)滿意率略微提升，使黃河上游水力發(fā)電量增加約 10% 。在3個目標(biāo)中，EQ和ESR、EQ和PG表現(xiàn)為競爭關(guān)系，而ESR和PG表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，入庫流量對多目標(biāo)間權(quán)衡關(guān)系的變化起主要作用（見圖6）。研究結(jié)果可為制定變化水沙情景下黑山峽開發(fā)規(guī)劃及確定水庫長期運用方式提供參考。

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（黃河水利科學(xué)研究院 供稿）