简要信息

【获奖类型】应用特等奖

【任务来源】“十一五”国家科技支撑计划课题（课题编号：2006BAB06B03）

【课题编号】泥支撑项目0702

【课题起止时间】2006年～2010年

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】胡春宏、安催花、陈建国、陈绪坚、郭庆超、郭选英、吴海亮、江恩惠、陈雄波、田  勇、许炯心、张厚军、邓安军、兰华林、董占地

立项背景

黄河具有水少沙多和水沙关系不协调的特点，使黄河素以水沙灾害严重闻名于世，黄河流域面积79.5万km²，约占国土面积的8％，黄河多年平均天然年径流量约为535亿m³,仅占全国年径流量的2％，而黄河入河多年平均沙量高达16亿t，约占全国江河年沙量的45％。黄河携带的巨量泥沙塑造平原、湿地和填海造陆，并输送养分，随着河流平原的开发利用，局限了泥沙淤积的空间分布范围，河道淤积凸现泥沙灾害，也加剧了洪水灾害。例如，随着黄河下游堤防工程不断加固，河床不断淤积抬高，使得黄河下游成为世界闻名的地上悬河，历史上黄河三年两决口，曾给黄河两岸人民带来深重灾难。

经过新中国成立以来六十多年的努力，黄河治理取得了巨大成就，但水沙灾害尚未得到根本的治理，20世纪80年代中期以来，随着黄河水资源和水能资源开发利用的加强，加之自然气候条件变化的影响，黄河的来水来沙过程和水沙分布产生了重大变化，特别是近期，在黄河流域实际径流量只有约440亿m³的情况下，工农业耗用径流量已达300亿m³左右，水资源开发利用程度超过68％，大大超过了国际公认的流域水资源合理开采度40％的临界值。黄河的河道输沙用水量已远远不能得到保证，干支流河槽淤积萎缩，下游“二级悬河”发展，“小流量高水位大漫滩”的水沙灾害频繁发生。目前沉积在河道内的黄河泥沙超过90%，黄河入海沙量不足来沙量的10％，主河槽的排洪输沙基本功能减弱，同时，还引起水质恶化、河口湿地减少等一系列生态问题。水资源的过渡开发利用使得黄河的泄洪输沙基本功能严重衰退，黄河的健康受到严重损害，黄河泥沙的空间分布发生了重大变化，朝着更加不利的趋势发展，黄河泥沙空间分布的恶化也加剧了黄河的洪涝灾害。因此，给泥沙以出路是解决黄河泥沙的基本原则，如何利用黄河“拦、排、放、调、挖”的治理措施，调节和改善水沙关系，合理配置黄河泥沙的空间分布，已成为黄河治理迫切需要解决的关键问题之一。在这样的背景下，科技部将“黄河泥沙空间优化配置技术与模式研究”（课题编号：2006BAB06B03）列为“十一五”国家科技支撑计划课题开展研究工作。

详细科学技术内容

本项目采用实测资料分析、理论分析和数学模型计算等多种研究手段，围绕黄河泥沙空间优化配置的理论与模型、潜力与能力、技术与模式、方案与评价等进行了系统的研究，主要研究内容如下。

（1）在黄河泥沙空间分布现状及其存在的问题研究方面，分析了黄河干流泥沙来源；研究了不同时期黄河泥沙空间分布特征；指出了1950年7月～1960年6月、1960年7月～1973年6月、1973年7月～1986年6月、1986年7月～1999年7月和1999年7月～2005年6月各个时期黄河干流泥沙分布有利的方面和存在的主要问题。

（2）在黄河泥沙空间优化配置理论与模型研究方面,研究了黄河泥沙空间优化配置理论与模型；构建了黄河泥沙空间优化配置的总体框架；提出了黄河泥沙空间优化配置理论与方法，包括层次分析、配置目标、配置方式、配置单元和配置方法；提出了黄河泥沙空间优化配置的技术经济比较方法；构建了黄河泥沙多目标优化配置模型的综合目标函数；建立了黄河泥沙多目标优化配置数学模型，该模型由黄河泥沙多目标优化配置模型和黄河河道水沙动力学模型两个子模型构成；提出了黄河泥沙多目标优化配置数学模型的计算方法和黄河泥沙空间优化配置基本方案与水沙系列。

（3）在黄河干流河道输水输沙能力研究方面,研究了黄河河道输水输沙能力与泥沙输移沉积过程；阐明了不同粒径组泥沙在黄河下游的输移、沉积规律与冲淤临界；揭示了黄河下游洪水的输沙效率及其与水沙组合和河床形态的关系，得到了在下游流量2600～4800m³/s、含沙量30～50kg/m³和排沙比0.85～1.00范围内的高效输沙洪水组合；提出了在基本配置方案条件下经优化配置后2050年下游河道可维持的平滩流量，基本配置方案一和方案二的下游平滩流量可维持2154～2592 m³/s，基本配置方案三的下游平滩流量可维持2764～3390 m³/s，表明古贤水库的修建对下游河道输水输沙能力的提高具有明显作用；分析了水库拦粗排细对河道排沙和过流能力的影响。

（4）在黄河干支流水库拦沙能力研究方面，研究了已建和拟建黄河干支流水库的拦沙潜力、能力及水库拦沙的经济投入，提出了龙羊峡水库和小浪底水库尚有拦沙潜力分别为50.3亿m³和49.3亿m³、拟建干支流骨干水库（古贤、碛口、大柳树、东庄）拦沙潜力为309.0亿m³，分析了水库拦沙和调水调沙运用对下游河道的减淤作用。

（5）在黄河滩区放淤能力研究方面，研究了黄河小北干流滩区和温孟滩区放淤方式、淤粗排细措施以及各滩区放淤处理泥沙的特性、放淤潜力、放淤能力、减淤效果与影响；分析了黄河下游滩区不同放淤途径、不同放淤途径下的放淤潜力、下游滩区放淤能力；提出了小北干流采用有坝自流放淤安置泥沙的潜力为107.8亿m³（无坝放淤安置泥沙的潜力为8.4亿m³）、温孟滩区放淤可安置泥沙的潜力为9.7亿m³、下游滩区（不包括温孟滩）安置泥沙的潜力为33.3亿m³；分析了水库拦沙和调水调沙运用对下游河道的减淤作用。

（6）在黄河口容沙能力研究方面，研究了黄河口淤积延伸对下游河道的反馈影响；分析了黄河河口海洋动力输沙能力；研究了黄河入海流路行河方案；研究了黄河河口三角洲的容沙潜力及能力，提出黄河口三角洲地区在安全行河距离内的容沙潜力为230亿m³；进行了黄河口泥沙配置的技术措施与经济投入效果的评价。

（7）在黄河泥沙综合利用与配置技术研究方面，分析了加固大堤、供水引沙、放淤改土、砌体材料应用和河道采砂用于建筑砂料等各项人工利用泥沙措施的能力；提出了包括水力配置技术、机械配置技术、工程配置技术、生态配置技术和泥沙利用技术等黄河泥沙空间优化配置技术。

（8）在黄河泥沙空间优化配置模式与方案及评价研究方面，提出了未来可能的黄河干流泥沙的4种配置模式及相应的4个基本配置方案；总结确定了各配置单元的泥沙配置潜力、配置能力和经济投入指标；利用黄河泥沙空间优化配置数学模型计算了3种水沙系列条件下14个优化配置方案；建立了黄河泥沙优化配置的综合评价方法，并对各种泥沙配置方案进行综合评价；提出了黄河泥沙空间优化配置的推荐方案，以及黄河各河段各种配置方式的配置比例和顺序，建议在2020年古贤水库投入运用的条件下，2050年前采用基本配置方案三（以古贤水库调控和下游滩区放淤为重点的配置模式）进行黄河泥沙空间优化配置。

发明及创新点

（1）在系统分析1950年以来不同时期黄河干流泥沙分布现状、特点与存在的问题的基础上，提出了1950年7月～1960年6月、1960年7月～1973年6月、1973年7月～1986年6月、1986年7月～1999年7月和1999年7月～2005年6月各个时期黄河干流不同河段泥沙分布有利的方面和存在的主要问题，为黄河泥沙空间优化配置提供了基础。

（2）构建了黄河泥沙空间优化配置的总体框架，提出了黄河泥沙空间优化配置理论与方法，包括层次分析、配置目标、配置方式、配置单元和配置方法，确定了优化配置的7种配置方式和10个配置单元，为黄河泥沙空间优化配置提供了理论依据。

（3）研发了黄河泥沙空间优化配置数学模型，该模型由河道水沙动力学模型和泥沙多目标优化配置模型两个子模型构成，为黄河泥沙空间优化配置提供了研究手段。

（4）全面分析了各种配置措施安置泥沙的潜力和配置泥沙的能力，提出了七种配置方式配置泥沙的潜力、能力与经济投入指标，以及泥沙配置技术、综合利用措施，提出了未来可能的黄河干流泥沙的4种配置模式及相应的4个基本配置方案和3种水沙系列，为黄河泥沙空间优化配置提供了模式和约束条件。

（5）利用黄河泥沙空间优化配置数学模型，计算了3种水沙系列条件下14个优化配置方案；建立了黄河泥沙优化配置的综合评价方法，并对各种泥沙配置方案进行综合评价；提出了2050年前黄河泥沙空间优化配置的推荐方案，给出了推荐方案各种配置方式的顺序及其沙量配置比例，以及不同河段各种配置方式的沙量配置比例，为黄河治理规划和水沙调控体系建设提供了科学依据。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项目研究紧密结合当前黄河治理迫切需要解决的关键技术问题，采用实测资料分析、理论分析和数学模型计算等多种研究手段，致力于改善黄河泥沙的空间分布，合理利用黄河丰富的泥沙资源，提高黄河河道的排洪输沙能力，减轻黄河的水沙灾害和防洪压力，围绕黄河泥沙空间优化配置的理论与模型、潜力与能力、技术与模式、方案与评价等开展了系统的研究工作，其中，提出的不同时期黄河干流泥沙分布有利的方面和存在的主要问题，比以往同类研究更全面和系统，有新的进展；构建的黄河泥沙空间优化配置的总体框架，提出的黄河泥沙空间优化配置理论与方法，建立的黄河泥沙优化配置的综合评价方法，填补了泥沙配置理论研究的空白；研发的黄河泥沙空间优化配置数学模型，提升了该研究领域的理论水平，填补了泥沙优化配置研究手段的空白；提出的七种配置方式配置泥沙的潜力、能力与经济投入指标，以及泥沙配置技术、综合利用措施为改善黄河泥沙的空间分布、合理利用黄河丰富的泥沙资源提供了科学依据和技术支撑；提出的未来可能的黄河干流泥沙的4种配置模式及相应的4个基本配置方案，以及2050年前黄河泥沙空间优化配置的推荐方案、推荐方案各种配置方式的顺序及其沙量配置比例、不同河段各种配置方式的沙量配置比例，在国内外的研究中尚无先例，为黄河综合治理规划和水沙调控体系建设提供了科学依据。总之，该项目研究的问题十分复杂，一方面，黄河泥沙空间优化配置问题本身十分复杂，影响因素众多，涉及到社会、经济、生态环境以及工程布局等诸多方面；另一方面，在世界范围内，对于水资源配置的理论技术较为成熟，而泥沙配置的理论研究尚属空白。因此，本项目的研究属世界性难题，填补了这方面研究的空白。经过项目组三年多的科技攻关，取得了不少创新性成果，研究成果得到了同行专家、水利部和黄河水利委员会的认可，使人们对未来近50年黄河干流泥沙的合理安排有了清楚的认识，为黄河治理规划和水沙调控体系建设提供了科学依据，成果已在黄河综合治理规划、黄河口综合治理规划，以及黄河下游滩区治理、“二级悬河”治理和黄河口治理的生产实践中应用。

成果应用情况及社会经济效益

本项目研究成果在黄河综合治理和水沙调控体系建设中具有重要的实际应用价值，得到了水利部、黄河水利委员会、同行专家的认可，已在黄河综合治理规划、下游滩区综合治理规划和黄河口综合治理规划，以及黄河下游滩区综合治理、“二级悬河”治理和黄河口综合治理的生产实践中应用，同时，本项目研发的黄河泥沙空间优化配置数学模型已应用于“小浪底水库拦沙期防洪减淤运用方式研究”和“黄河水沙调控体系建设规划”，对黄河中下游的防洪安全和滩区治理具有显著的社会、经济和环境效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

本项目紧密结合当前黄河综合治理和水沙调控体系建设中的关键技术问题开展了系统研究，其研究成果已在黄河综合治理规划和水沙调控体系建设的生产实践中应用，对合理配置黄河干流泥沙和河道综合治理发挥了重要作用。因此，希望本研究成果能够继续在黄河支流和流域面上推广、应用。

黄河泥沙空间优化配置总体框架

黄河泥沙优化配置方案综合评价层次分析框架