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黃河是怎樣調(diào)水調(diào)沙的論文
摘要：20世紀(jì)70年代后期，隨著治黃實踐的不斷深入，“上攔下排”的治黃方針暴露出一定的局限性，治黃專家認(rèn)識到黃河“水少沙多、水沙不平衡”對黃河下游河道淤積的重要影響。首任黃河水利委員會主任、著名水利專家王化云和他的同事們，在此基礎(chǔ)上比較系統(tǒng)地提出了“調(diào)水調(diào)沙”的治黃思想。
關(guān)鍵詞：黃河調(diào)水調(diào)沙
截至6月28日10時，來自黃河防汛指揮部的消息稱，已經(jīng)進(jìn)行了9天的黃河第三次調(diào)水調(diào)沙試驗，由于高科技的嫻熟應(yīng)用，沒有再像前兩次一樣，在個別地段發(fā)生串溝漫灘現(xiàn)象，桀驁不馴的黃河水只沖河底泥沙，不淹灘上莊稼，表明我國在科技治黃方面已經(jīng)邁出了新的一步。
“調(diào)水調(diào)沙”治黃思想的由來
20世紀(jì)70年代后期，隨著治黃實踐的不斷深入，“上攔下排”的治黃方針暴露出一定的局限性，治黃專家認(rèn)識到黃河“水少沙多、水沙不平衡”對黃河下游河道淤積的重要影響。首任黃河水利委員會主任、著名水利專家王化云和他的同事們，在此基礎(chǔ)上比較系統(tǒng)地提出了“調(diào)水調(diào)沙”的治黃思想。其具體設(shè)想就是在黃河上修建一系列大型水庫，實行統(tǒng)一調(diào)度，對水沙進(jìn)行有效地控制和調(diào)節(jié)，變水沙不平衡為水沙相適應(yīng)，更好地排洪、排沙入海，減輕下游河道的淤積，甚至達(dá)到不淤。
隨著1997年小浪底工程的截流蓄水，治黃專家進(jìn)行了大量的物理模型試驗，找到了理論上的實現(xiàn)黃河下游不淤積的臨界流量和臨界時間。2001年小浪底工程全面竣工，次年便進(jìn)行首次“調(diào)水調(diào)沙”試驗，從而使“通過原型試驗，進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙試驗”的設(shè)想最終變?yōu)楝F(xiàn)實。
調(diào)水調(diào)沙的基本原則是根據(jù)黃河下游河道的輸沙能力，利用水庫的調(diào)節(jié)庫容，有計劃地控制水庫的蓄、泄水時間和數(shù)量，調(diào)整天然水沙過程，使不平衡的水沙過程盡可能協(xié)調(diào)。
“三條黃河”互為驗證補充
從2002年7月4日黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗開始，實驗室里的“模型黃河”和計算機上的“數(shù)字黃河”就與“原型黃河”一樣同步進(jìn)行。
所謂“原型黃河”，就是自然界中真實的黃河；“數(shù)字黃河”則是借助現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化虛擬平臺，被稱為“裝在計算機里的黃河”；而“模型黃河”則是以相似性原理為依據(jù)，按照一定比例縮小的黃河模型，也就是“實驗室中的黃河”。
“模型黃河”比“原型黃河”小600倍，河道模型長585米，寬36米，直觀地反映了小浪底水庫以下近350多公里游蕩河段在不同水文條件下的河勢變化。與“原型黃河”具有高度的相似性。當(dāng)調(diào)水調(diào)沙還處于論證階段的時候，“模型黃河”就已進(jìn)行了數(shù)十次模擬試驗，為找到利用最小水量、最短泄水時間、對下游河道形成最佳減淤效果的方法，提供了大量參考數(shù)據(jù)。
“調(diào)水調(diào)沙”試驗開始后，“模型黃河”又與“原型黃河”進(jìn)行同步試驗，一方面復(fù)驗“模型黃河”的可靠性，一方面為“原型黃河”提供更好的技術(shù)支撐。與此同時，“數(shù)字黃河”則利用遙測、遙感、衛(wèi)星技術(shù)和數(shù)字模型等科技手段，在調(diào)水調(diào)沙試驗期間進(jìn)行降雨預(yù)報、洪水預(yù)報和水庫調(diào)度；同時收集水量分配、沖淤變化、洪水演變等方面的數(shù)據(jù)信息，并運用數(shù)學(xué)模型即時分析研究。在首次試驗前夕建成的黃河流域第一個數(shù)字化水文站——花園口水文站在其中發(fā)揮了重要作用。
每一次調(diào)水調(diào)沙試驗結(jié)束后，專家們就對“三條黃河”分別取得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行合成分析，互為驗證補充，大大提高了試驗的科學(xué)性。
第三次調(diào)水調(diào)沙不同于前兩次
含沙量、水量及其歷時，是確保調(diào)水調(diào)沙試驗成功的三個關(guān)鍵數(shù)據(jù)。既要把這三個指標(biāo)確定下來，又要確保這三個指標(biāo)能順利實現(xiàn)，其中飽含著專家們的大量勞動和科學(xué)技術(shù)的強大作用。
今年6月19日開始的第三次試驗，預(yù)計于7月14日結(jié)束,歷時約25天。其顯著特點是，基于人工擾動方式，在更大空間尺度上的調(diào)水調(diào)沙。將充分借助自然力量，加之中游水庫聯(lián)合調(diào)度塑造人工異重流，形成連續(xù)的泄流動力對小浪底水庫的淤積泥沙進(jìn)行沖刷，同時在下游淤積嚴(yán)重的河段進(jìn)行人工擾動加沙，增加入海洪水的挾沙含量，從而最大限度地實現(xiàn)減淤沖沙的目的。
今年的試驗不同于2002年、2003年的地方是：科學(xué)調(diào)控萬家寨、三門峽、小浪底水庫的泄流時間和流量，在小浪底庫區(qū)塑造人工異重流，并實現(xiàn)異重流的接力運行，從而保證對小浪底水庫淤積泥沙形成連續(xù)的沖刷能量，不同于小浪底水庫的單庫運用，也不同于單純依靠自然異重流的聯(lián)合調(diào)度；二是充分利用小浪底出庫洪水的富余能量，在下游“二級懸河”最嚴(yán)重和平灘流量最小的河段進(jìn)行人工擾動，結(jié)合小浪底水庫可能下泄的含沙量在下游河道實施人工加沙，從而增加“卡口段”平灘流量，擴(kuò)大主河槽行洪能力。通過科學(xué)調(diào)度，控制小浪底水庫出庫流量和含沙量，使花園口站流量控制在2700立方米/秒左右、平均含沙量控制在25千克/立方米左右。
塑造人工異重流
異重流本來是挾沙水流進(jìn)入庫區(qū)遭遇清水后，由于密度差而潛入清水底部運行的一種現(xiàn)象。異重流使泥沙運行到大壩前淤積，增強大壩的防滲能力，但對調(diào)水調(diào)沙試驗來說，如果不及時對異重流進(jìn)行調(diào)控，則會大大影響人造洪峰中含沙量的試驗指標(biāo)。
一般來說，每立方米的水量最多只能運送20千克的泥沙，超過了這個量就可能淤積。首次試驗就是按這個一般規(guī)律進(jìn)行。但此后，科研人員發(fā)現(xiàn)了異重流，并變異重流這個不利條件為有利條件，加大泥沙的運送能力。正在進(jìn)行的第三次試驗，在中下游長達(dá)2100公里的河道上，充分借助自然力量和黃河中游干流水庫的聯(lián)合調(diào)度，嘗試塑造人工異重流，提高一定流量的水運送泥沙的能力，形成連續(xù)的泄流動力，對小浪底水庫的淤積泥沙進(jìn)行沖刷。具體措施就是科學(xué)調(diào)控黃河干流萬家寨、三門峽、小浪底水庫的泄流時間和流量，在小浪底庫區(qū)塑造人工異重流，并實現(xiàn)異重流的接力運行，從而保證對小浪底水庫淤積泥沙形成連續(xù)的沖刷能量，減少庫區(qū)淤積或調(diào)整其淤積形態(tài)。 采用人工擾沙技術(shù)
所謂“人工擾沙”，即借助河水已有的勢能，輔以人工擾動河床土質(zhì)，促進(jìn)河床泥沙啟動，實現(xiàn)河床下切、輸沙入海。簡單地說，就是通過攪動讓河底淤沙上浮，使其與自然水流一起下泄，從而達(dá)到清淤輸沙的目的。第三次調(diào)水調(diào)沙試驗共設(shè)3個擾沙點，分別位于小浪底庫尾、河南范縣李橋河段、山東梁山縣小路口河段。
黃委會主任李國英說：“這在世界其他江河上是沒有過的�！蓖ㄟ^實施人工擾沙，可實現(xiàn)小浪底水庫減淤或調(diào)整庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)。同時利用下泄水流的富余挾沙力，擴(kuò)大黃河下游高村和孫口之間的徐碼頭、雷口兩個“卡口”處的行洪能力，而且加大下游“懸河”河道的排沙量，擴(kuò)大主河槽的過洪能力。
河南范縣吳老家是人工擾沙實驗的一個現(xiàn)場。6月23日下午，記者乘江河09號船順流而下，距離5號作業(yè)船還有50米的距離，一股帶有新鮮泥土腥味夾雜著細(xì)微泥漿的空氣撲面而來。但見3道暗褐色的高含沙泥漿流從作業(yè)平臺噴涌而出，在寬闊的黃河水面上劃出一道道優(yōu)美的拋物線后融入大河。放眼眺望，在上下五六公里的河段上，8艘作業(yè)船只依次排開，一道道泥漿流似一條條黃龍翻騰、跳躍。據(jù)技術(shù)人員介紹，此次安裝的QL兩相流渣漿泵可在水下12米處作業(yè)，泵前端葉輪可將河底沉積的泥沙攪起，并將攪起的高含沙泥漿通過泵抽吸上來，生產(chǎn)出的泥漿每立方米最大含沙量可達(dá)900公斤，高含沙泥漿流順著高壓管道再噴射到黃河主流區(qū)，從而達(dá)到降低河底高程、減少河道淤積的目的。各類指令隨著50余部報話機高速運轉(zhuǎn)，確保了這項具有開創(chuàng)意義實驗的順利進(jìn)行。
高新技術(shù)總動員
調(diào)水調(diào)沙試驗是一次大規(guī)模的科學(xué)試驗。每次試驗，黃委會都約有15000多名工作人員參加方案制定、工程調(diào)度、水文測驗、預(yù)報、河道形態(tài)和河勢監(jiān)測、模型驗證及工程維護(hù)等項工作。同時，也是高科技技術(shù)在黃河上的一次全面應(yīng)用，使用了天氣雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)、水下雷達(dá)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、圖像數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)燃夹g(shù)，為科學(xué)分析調(diào)水調(diào)沙效果提供寶貴而豐富的資料。
每一次調(diào)水調(diào)沙，都是高新技術(shù)的總動員，并且采用的高新技術(shù)越來越多，比如此次采用的塑造人工異重流技術(shù)和人工擾沙技術(shù)，就是前兩次所沒有的。
除了上述重點介紹的高新技術(shù)外，設(shè)在黃河水利委員會的異地會商系統(tǒng)的顯示終端，不僅是記者們首次接近調(diào)水調(diào)沙高新技術(shù)的窗口，也是調(diào)水調(diào)沙的總指揮部。它于2002年一啟用，就與數(shù)百公里試驗河段上的多個前線指揮部保持著面對面的交流。每次試驗開始的命令，就是總指揮長、黃委會主任李國英從這里發(fā)出的，而不是在130公里外的小浪底水庫。
為確保試驗的順利實施，在小浪底水庫的水文檢測船上，還配備有目前國際上最先進(jìn)的水文監(jiān)測設(shè)備。在試驗期間，小浪底水庫大壩內(nèi)部安裝的2000多個檢測探頭，時刻把大壩因水流沖擊而發(fā)生的振動情況記錄下來，被稱為大壩安全的“心電圖儀”。
按照“數(shù)字黃河”建設(shè)規(guī)劃的總體要求，黃委會建成的花園口數(shù)字化水文站、全數(shù)字水質(zhì)自動監(jiān)測站、引黃涵閘遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控監(jiān)視系統(tǒng)等，也在調(diào)水調(diào)沙中發(fā)揮著重要作用。
黃委會主任李國英說：“黃河調(diào)水調(diào)沙試驗至今已經(jīng)進(jìn)行了3次，自始至終都是一個充滿懸念的試驗，蘊涵著很高的科技含量，是傳統(tǒng)治黃走向現(xiàn)代治黃、科技治黃的一個里程碑�！�
調(diào)水調(diào)沙
調(diào)水調(diào)沙就是在主汛期（七至九月），當(dāng)來水流量小于二千五百立方米每秒時，將水位調(diào)整到低雍水的蓄水?dāng)r沙狀態(tài)，避免長時期下泄清水，控制對下游河道產(chǎn)生不利影響的高含沙洪水，在保證發(fā)電、下游用水等基本下泄流量的同時，攔蓄一部分水沙在庫中；當(dāng)流量大于二千五百立方米每秒時，將水庫調(diào)整到敞泄排沙狀態(tài)，通過調(diào)水造峰、調(diào)沙淤灘、增加洪水沖刷河槽等措施，使水沙過程兩極分化，改善河床形態(tài)，增大灘槽高差，增大河槽的排洪和輸沙能力，起到減輕下游河道淤積的作用。在非汛期利用水庫蓄水調(diào)節(jié)徑流，滿足供水和灌溉的要求，并增大發(fā)電量。
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