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江湖冲积过程联动机理与关键调控技术

发布时间: 2013-12-11 08:20:43     返回首页

    本成果属2011年国家科技进步二等奖,河流综合开发治理领域的应用基础研究。

    世界上许多大河流域的通江湖泊,水流分汇基本不受冲积过程影响。长江水沙丰沛,荆江洞庭湖区水旱灾害频繁、三口断流严重、碍航浅滩众多,水沙交换复杂程度居世界大河之首,除具其他江湖系统的共性外,还表现出区域之间强烈的冲淤联动效应,导致水沙蓄泄关系改变,造成不少水利工程难以正常发挥作用,甚至适得其反。如何使工程布置及运行与江湖冲积过程相适应,一直是困扰流域规划治理的难题,也是三峡水库蓄水运行的关键技术难题,国内外缺乏可借鉴的成熟理论和技术。本成果采用长期观测资料分析、整体模拟与工程实践相结合的方法,历经20余年系统研究,取得了以下创新成果:
    (1) 揭示了江湖冲积过程联动机理:揭示了江湖系统内水位升降、分汇关系调整、蓄泄能力变化、洪枯期滩槽变形等各种现象之间的联动关系及其对流域水沙变化的响应机制,提出了江湖系统冲积状态转换临界条件,解决了江湖治理及工程运行的理论难题,为长江上游水库调度,中游堤防设计与维护、蓄滞洪区建设、航道治理规划提供了支撑。
    (2) 实现了江湖冲积过程联动的整体模拟:提出了河网非恒定水沙控制方程组的汊点分组解法等,实现了江湖冲积过程的整体模拟;提出了阻力、挟沙力沿河宽分布模式及适应复杂边界的数值格式,使主流摆动及滩槽变化模拟得以实现;研制了能同时满足水沙输移动力主要相似条件的模型沙及高精度自动测控试验系统,实现了包括荆江与洞庭湖的世界最大实体模型的成功运行。数值与实体模拟技术结合,突破了复杂冲积水系内自然过程和工程效应均难以模拟的技术瓶颈。
    (3) 研发了蓄滞洪区分洪效果的判别技术:建立了堤垸溃决展宽、蓄滞洪区内外水沙联通模式,实现了蓄洪区及进出流口门与河道水沙输移离散方程形式的同化,解决了不同蓄滞洪区运行后江湖水沙输移变化特征无法判断、分洪效果无法定量判别的难题,在1995年以来的历次防洪预案制定中应用。
    (4) 提出了非平衡状态下的航道整治参数与控导原则:综合水库及河道整治工程等造成的水沙过程及河床变形动态调整特点,提出了各类碍航浅滩整治原则及整治参数确定方法,解决了水沙过程突变前后不同类型河段航道治理难以平顺衔接和汛枯期无法平稳过渡的难题,取得了良好整治效果。
    (5) 提出了综合协调各种用水矛盾的三峡水库蓄水运行方案:揭示了水库泥沙淤积纵剖面调整的临界现象,提出了泥沙淤积及碍航浅滩变化的查询与插值方法,实现了水库水沙联合优化调度,于2002年提出的优化蓄水方案,经三峡水库175m试验性蓄水实践,有效协调了防洪、发电、航运及用水之间的矛盾。
    本成果不仅为水利工程与江湖冲积过程的相互适应奠定了理论和技术支撑,还在河流模拟、防洪、航运及水库调度等方面首创了具有重要推广价值的关键技术,成果整体上达到国际领先水平,获教育部科技进步一等奖。近三年创造发电、航运经济效益9.8亿元,多项技术也在淮河、海河、珠江、松花江、辽河等流域广泛应用,社会经济效益显著。