黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

黄河下游漫滩洪水造床机理与水沙调控指标研究

本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,系统研究了黄河下游漫滩洪水的造床机理与水沙调控指标.结果表明:对于多沙的黄河,漫滩洪水最充分的发挥了水流动力的输沙造床作用,其削峰滞洪与淤滩刷槽的功效十分显著且不可替代.漫滩洪水的造床作用随着洪水漫滩程度的变化而明显不同,可分为三个阶段;漫滩初期,主槽输沙能力降低,淤滩刷槽作用尚未得到充分展现;漫滩中期,滩槽水沙交换充分,淤滩刷槽作用良好;漫滩后期,淤滩刷槽作用趋缓.综合考虑提高河道输水输沙能力与保护滩区防洪安全,提出的黄河下游有利漫滩洪水的水沙调控指标为:洪水漫滩参数1.4γ1.5、来沙系数ρ0.028,即按照目前下游河道主槽平滩流量为4000 m3/s,通过小浪底水库水沙调控,控制下泄洪峰流量5600~6000 m3/s、来沙系数小于0.028的漫滩洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道最有利.若控制下游河道不漫滩,通过小浪底水库水沙调控,建议下泄洪峰流量3500~4000 m3/s接近主槽平滩流量的洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道较为有利.     

黄河下游河道行洪能力对河道萎缩的响应关系

在阐明黄河下游河道淤积萎缩特点的基础上,通过理论推导和野外观测资料分析,探讨了河道淤积萎缩对行洪能力的影响.研究表明,河道行洪能力与河道萎缩具有非线性的响应关系;主河槽床面淤积,造成平滩流量减小,洪水起涨水位抬升;主河槽宽度缩窄,造成洪水水位涨率增大,河道排洪能力降低.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

黄河下游河道场次洪水排沙比及其不确定性

根据冲积河流输沙率关系所确定的排沙比公式的结构,通过对黄河下游河道场次洪水表观排沙比资料的还原,回归建立了黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式,得到了排沙比95%预测区间,量化了场次洪水排沙比的不确定性.统计分析表明:(1)黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式可用进口来沙系数Sin/Qin作为唯一参量,进口来流量Qin不必作为第二参量;(2)回归模型的充分性在Sin/Qin0.003(即排沙比SDR2)和Sin/Qin0.003(即SDR2)时有明显不同,SDR=2和Sin/Qin=0.003可能是区分黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水尺度上不同输沙率关系的一个阈值条件.本文为分析黄河下游河道其它河段的排沙比关系提供了可用方法,并为黄河下游河道汛期输沙需水量的不确定性分析提供了基础.     

水库泥沙分选及淤积控制研究

泥沙淤积是迄今制约水库长期利用和没有解决的重大问题之一．本文根据水库实测淤积资料、理论分析和数学模型计算等多方面证明了粒径d〉0．1mm粗沙会在水库回水末端特定位置或大江大河径流水库集中分选沉积．同时，从理论上证明了占入库比例很少的粗沙对大型河道型水库淤积三角洲坡面、最终冲淤平衡坡降和淤积程度有很大影响．在此基础上，作者提出在水库特定按固定河段持续挖粗沙以降低平衡淤积坡降、控制淤积和增加长期利用库容．三峡水库模型计算实例表明，年挖砂5000万t／a（三峡设计泥沙系列）或3000万t／a（蓄水前10年系列）可降低水库百年淤积量20％，回水末端淤积大幅度减少，水库平衡坡降减小25％～30％；水库50～100年基本趋于冲淤平衡，可避免长期、持续大量淤积的局面．同时，在黄河小浪底水库回水末端挖粗沙不但可减少水库淤积，而且还可拦截粗沙进入下游而降低黄河下游冲淤平衡坡降．在小浪底水库大量拦沙、冲刷下游河道所营造的相对良好河型基础上，可以期待长远只利用在现有水库拦截粗沙便可缓解或实现黄河下游河道不抬高．     

基于数字流域模型的多沙粗沙区侵蚀产沙计算

黄河难以治理的症结是水少沙多，水沙不平衡．根据多年治黄实践，黄河中游多沙粗沙区的治理是黄土高原水土流失治理的重点，模拟计算多沙粗沙区的侵蚀产沙量意义重大．利用数字流域模型框架建立了黄土高原多沙粗沙区产流产沙数学模型，模型在岔巴沟小流域进行参数率定．应用率定后的模型计算了黄土高原多沙粗沙区1967，1978，1983，1994和1997年这5个典型年份汛期的产流产沙量，得到了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图．计算结果能够较好地解释黄河流域的“少水多沙”现象，为多沙粗沙区的水土保持工作提供了科学依据．     

多沙河流的生态环境需水特点研究

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生态环境需水特点而往往只适用于少沙河流.以多沙河流黄河的下游河段为例,分河段、分时段系统地分析了黄河下游不同水沙状态下的生态环境需水状况,通过对汛期、非汛期和全年不同情况的考虑,指出了黄河生态环境需水的特点(1)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;(2)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;(3)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.根据多沙河流生态环境需水的特点,可利用水利枢纽进行适当的水沙组合调控,将非汛期来沙集中在汛期输送,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.     

小浪底水库调水调沙期水沙运动全过程模拟

为模拟调水调沙期小浪底库区水沙运动过程,建立了考虑有干支流倒回灌的明流与异重流交替演算的一维水沙耦合模型.该模型采用了适用于复杂支流水系的零维水库法和考虑支流底坡的流量公式计算干支流倒回灌,采用潜入点判别条件衔接明流与异重流计算,并考虑了非静止水面假定下异重流与上层清水的耦合.应用该模型对选取的2002年及2012年小浪底水库调水调沙过程分别开展参数率定及不同工况下的过程反演.计算结果表明,库区自上而下可划分为零支流库区段、明流段和异重流段,考虑倒回灌过程的模型在3个区段均能较好还原实测水沙过程,不考虑的模型仅在零支流库区段和考虑的模型误差相近;由于其忽略了干支流倒回灌对水沙输移的影响,明流段的水位、流量及含沙量在回灌期偏小,在倒灌期偏大;异重流段的潜入点位置及时间滞后,异重流交界面高程、流速及含沙量偏大,计算排沙比过高.另外,模型相关参数的敏感性分析还表明,交界面阻力系数、倒灌阻力损失系数和水量掺混系数对计算结果的影响依次减小;其中交界面阻力系数的增大,一定程度上导致模型响应的滞后;倒灌阻力损失系数的影响,则需依据支流底坡的具体大小分情况讨论.     

考虑降雨预报的跨流域调水供水调度及其风险分析

建立考虑降雨预报的跨流域调水供水调度模型，利用决策树算法根据水库当前状态和GFS降雨预报信息获取跨流域调水规则，以确定跨流域调水量，然后进行水库供水调度；选择调水保证率，供水可靠性（缺水风险率），供水恢复性，供水破坏率作为风险评价指标建立风险综合评价体系，对跨流域调水供水调度模型进行风险评估．实例表明，采用考虑降雨预报信息的跨流域调水供水调度模型较水库常规调度和优化调度，综合风险率低，且能有效的提高水资源的利用效率．     

基于数字流域模型的多沙粗沙区产沙计算

黄河难以治理的症结是水少沙多，水沙不平衡。根据多年治黄实践，黄河中游多沙粗沙区的治理是黄土高原水土流失治理的重点，模拟计算多沙粗沙区的侵蚀产沙量意义重大。本文利用数字流域模型框架建立了黄土高原多沙粗沙区产流产沙数学模型，模型在岔巴沟小流域进行参数率定。应用率定后的模型计算了黄土高原多沙粗沙区1967、1978、1983、1994、1997五个典型年份汛期的产流产沙量，得到了多沙粗沙区的汛期径流深分布图和产沙模数分布图。计算结果能够较好地解释黄河流域的“少水多沙”现象，为多沙粗沙区的水土保持工作提供了科学依据。     

黄河下游洪水输沙效率及其调控

针对黄河下游洪水输沙的复杂性,根据1980～1998年实测洪水资料,以花园口-高村河段为例,建立了洪水输沙用水的人工神经网络模型.在此基础上,以提高洪水输沙用水效率为目标,根据控制原理对洪水输沙过程调控进行了模拟与仿真.根据洪水输沙的实际情况,系统设计中采用了开环控制和反馈控制两种不同的控制结构.开环控制系统中,对不同含沙量条件下洪水平均流量对输沙用水量的控制过程做了数值模拟;结果表明该河段流量对输沙用水量的调控作用明显受到含沙量的影响,当含沙量小于20kg/m3时,流量对输沙用水量减小有很好的调控作用.反馈控制系统中,对给定控制目标下河段入口断面含沙量和流量对输沙用水量的调节过程分别进行了仿真;结果表明如果设定合理的控制目标,花园口-高村河段洪水输沙过程可通过入口断面的含沙量和流量进行调控.最后,根据上述方法,对黄河下游其他河段洪水输沙进行了模拟与仿真.根据综合分析,黄河下游花园口以下河段水流含沙量为20 kg/m3时,适宜的调控流量范围是2390～2900 m3/s.     

长江干流梯级水库群联合调度

随着2012,2013年金沙江下游向家坝、溪洛渡水库的建成投运,形成了世界上规模最大的流域梯级水库群-长江干流梯级水库群(溪洛渡-向家坝-三峡-葛洲坝).长江干流梯级水库群防洪库容277亿m~3、调节库容239亿m~3、总装机43835 MW,具有防洪、发电、航运、供水和生态等巨大的综合利用效益.近几年,基于梯级水库群联合蓄放次序调度理论,采用库容效率法对长江干流梯级水库群在联合防洪、蓄水和消落等方面进行了初步探索和实践.结果表明:长江干流梯级水库群的联合调度不仅能充分保障长江流域的防洪安全与淡水资源安全,同时也能有效改善长江流域生态环境,发挥长江航运"黄金水道"的作用,以及进一步提高长江流域水资源利用率,服务国家"西电东送"、"节能减排"能源战略,为促进长江经济带的战略发展发挥重要作用.     

雅砻江干流调水与雅砻江上游水利水电开发的战略协同关系研究

南水北调西线二期工程拟从雅砻江干流调水50亿m3。本文讨论了调水工程与调水河流水利水电开发的关系,提出了调水工程与流城生态经济社会实现战略协同的理念。具体分析了:雅砻江引水枢纽建设与雅砻江上游水电开发相结合的问题,引水枢纽以下河段的生态安全在水电开发的同时而化解的问题,与调水工程移民基地建设相关联的农田水利建设问题。建议统一规划南水北调西线二期工程和雅砻江上游水利水电及流域综合开发。     

胰岛素信号通路PI3K／Akt对海马神经元β-淀粉样前体蛋白裂解酶1mRNA水平的影晌

目的通过胰岛素和磷脂酰肌醇-3激酶（P13K）抑制剂渥曼青霉素（wortmannin）对P13K／丝氨酸苏氨酸蛋白激酶（P13K／Akt）信号通路的激活和抑制作用，观察P13K／Akt信号通路对海马神经元β-淀粉样前体蛋白裂解酶1（BACEl）mRNA水平表达的影响。方法20只sD大鼠随机分为空白对照组、假手术组、胰岛素组和渥曼青霉素组，海马立体定向注射胰岛素和P13K抑制剂渥曼青霉素。逆转录一聚合酶链反应（RT-PCR）检测P13K／Akt信号传导下游蛋白Akt以及BACEImRNA水平。结果注射胰岛素的海马P13K信号通路下游信号分子：AktmRNA表达上调（分别较空白和阴性对照组P=0．047，P=0．002），而BACElmRNA表达下调（分别较空白和阴性对照组P=0．004，P=0．01）。渥曼青霉素组的P13K下游信号分子AktmRNA表达明显被抑制（分别较空白和阴性对照组P=0．002，P=0．039），同时BACEImRNA的表达较对照组上调（分别较空白和阴性对照组P=0．039，P=0．018）。结论胰岛素信号通路P13K／AM可以调节BACEl的转录水平参与阿尔茨海默病的发病机制。     

论黄河功能性断流

基于黄河河道径流量与河流基本功能之间关系的认识, 提出了黄河功能性断流的概念. 探讨了能够反映黄河功能性断流严重状况的基本因子. 根据1950~1999年间的实测数据结合聚类分析, 得出了关于黄河功能性断流严重程度的分级参考标准. 分别按照作者和黄河水利委员会提出的最小生态需水量方案计算了黄河功能断流的级别, 并对预测结果进行了比较. 在此基础上, 揭示了黄河功能性断流与零流量断流之间的关系.     

车辆转弯制动ABS模糊控制及稳定性仿真分析

在Matlab／Simlink下建立了八自由度车辆系统的仿真模型。采用模糊控制方法，设计了基于滑移率的ABS控制算法。针对车辆转弯制动工况，对15m／s、20m／s、25m／s三种车速进行了仿真分析。仿真结果表明所建立的ABS控制器能有效提高车辆的制动性能以及中低车速下的稳定性，但定性分析表明车辆在高速工况下出现不稳定现象。为此利用稳定性判定式，对车辆转弯制动ABS控制下的稳定性做了定量判定。判定结果表明，高速时车辆仅有ABS控制并不能达到稳定性控制的要求。     

黄河主要来沙区林草植被变化及对产流产沙的影响机制

2000年以来,黄土高原林草植被状况明显改善,同期黄河水沙也明显减少.本文基于20世纪70年代末、90年代末、2010年和2013年卫星遥感影像,引入易侵蚀面积、林草地比例、林草地植被盖度和林草植被覆盖率等概念,并结合实地调查,分析了20世纪70年代以来黄河中游多沙区林草植被的规模、盖度和结构变化;引入产沙系数、径流系数和产洪系数等概念,在流域层面上剖析了黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖状况与产沙、产洪和产水的响应关系,揭示了研究区近年水沙大幅减少的原因.研究认为,与20世纪70年代末相比,1998年以前林草植被变化不大,但1998~2013年林草植被覆盖率却由11%~25%增加到35%~55%,该改善过程恰是植被变化影响产沙的敏感阶段;高含沙洪水仍然是未来黄土高原支流的常遇洪水,但含沙量会降低.     

黄河下游水资源转化结构及其变化规律

在黄河下游河流生态环境需水量和河流系统功能研究的基础上,结合研究区域的实际情况,针对水资源在河流系统中的不同服务目标,将通过黄河下游各主要水文断面的水资源划分为生态环境水、资源水和灾害水3个组成部分(简称“三水”),并分别对“三水”的概念及其在实践中的意义进行了阐述.通过对1950～2001年逐日水文数据的整理分析,计算了每年的“三水”数量,探讨了50多年来“三水”的相互转化情况及其变化规律.结果表明,自20世纪50年代以来,尽管水资源优先用于满足河流系统功能最基本的需要,但可用生态环境水在比例增加的同时水量却不断减少,与黄河下游河道最小生态环境需水量的差值不断增大;而潜在可利用的资源水无论是数量还是比例均呈明显减少趋势.20世纪90年代以来,沿岸实际需水量已经超过潜在可利用的资源水量而需动用早已不足的生态环境水,使河流系统正常功能进一步受损、河道日益萎缩,进而导致灾害水在总水量大幅减少的情况下其比例及潜在危害仍无明显减小.