第1章绪论
1.1研究背景
黄河是全球泥沙问题*为严重和*复杂难治的河流，泥沙调控是长期困扰治黄实践的关键技术难题。自20世纪60年代三门峡水库运行以来，重点围绕黄河防洪减淤目标，开展了长期的水沙调控科学研究与工程实践，创造性地提出了“蓄清排浑”“拦粗排细”等多沙河流水库调度方式，得到国内外的高度认同。特别是2000年以来，随着以龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等骨干枢纽为主体的黄河水沙调控工程体系初步形成，以小浪底水库为核心的黄河调水调沙试验和持续的工程实践的水沙调控效果得到明显提升，而且在防洪防凌安全和全河水量统一调度、水资源高效利用等方面发挥了巨大作用。
然而，调水容易调沙难。和所有多沙河流水库一样，黄河干支流水库多年的持续运行，使泥沙不断淤积，侵占水库有效库容，造成水库防洪能力降低、供水发电和灌溉等综合效益下降。同时，我们还要清醒地意识到，虽然近年来黄河的来沙量大幅度减少，但黄河流域“水少沙多、水沙关系不协调”的特性尚未根本改变。特别是，随着黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略的推进，如何有效恢复已建水库的淤损库容，提升水库洪水资源化利用（水资源利用）效率，对水库淤积的存量泥沙和未来洪水过程中的增量泥沙实施动态调控，成为水沙调控这一难题的新焦点和新热点。
面对我国区域协调发展战略、乡村振兴战略、生态文明建设等新形势、新要求，面对黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略与国家水资源高效开发利用的新需求，本就水资源极度贫乏的黄河供水区范围不断扩大，黄河流域研究成为一个广域的黄河流域概念；同时，在当今泥沙资源属性日益凸显、泥沙处理与资源利用技术逐步完善的前提下，黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控面临难得的历史机遇与巨大的理论突破和技术创新的挑战，黄河水沙调控不仅要注重水量的适应性调度，更要强调泥沙的动态调控，提升调沙的能力和技术水平，为实现河流系统行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能协同的目标奠定基础。
在“十三五”国家重点研发计划项目的支持下，我们紧扣国家重大战略的迫切需求，融合系统工程、河流泥沙、信息工程等多学科理论研究*新成果，加强跟踪性原型观测，以理论研究、模型试验与数值模拟、地理信息技术等手段为支撑，按照“目标与约束—过程与机理—技术与方案—策略与示范”的总体思路，系统开展了黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态关键技术研究。
1.2研究现状
1.2.1国内外研究现状
大型水利枢纽是调节河流水沙资源时空分布的重要工具。早期的水沙调控多处于盲目无序的状态，往往是人类在开发利用水资源的过程中发现了泥沙对水库与河道的影响，进而被动地采取相应的应对措施（张庆宁，1993）。20世纪以来，随着坝工技术的发展和水资源开发需求的增长，世界上不少国家开始了流域尺度的综合治理与系统开发，其一般模式是以高坝大库为“龙头”实施梯级开发，调节天然的径流泥沙过程，*有效地利用水沙资源，实现流域自然功能和社会功能的协同发挥，包括密西西比河（张庆宁，1993）、田纳西河（谈国良和万军，2002）、莱茵河（赵纯厚等，2000）、尼罗河（曹文洪和陈东，1998）等河流均取得了不少成功的流域开发和水沙调控的实践经验。
中华人民共和国成立以来，我国兴建了一大批水利水电工程，如水库、堤防、分蓄洪区、取水工程、航运工程、跨流域调水工程等，已经基本构成了各大流域防洪、发电、灌溉、供水和航运等工程体系。这些水利水电工程在造福社会的同时，也带来了一系列新的科学问题和社会问题。从科学意义上看，大坝的修建破坏了河流的连续性；大型控制性水库改变了下泄水沙过程，引起了上下游河流（湖）系统长时间、大范围的自适应调整，这种库区-河道-河口全河流系统对水沙过程变化的宏观调整规律、微观响应机理都是研究者关注的热点问题。另外，已建和在建的各类水利水电工程分属不同的利益主体，既有国家和地方政府，也有发电企业；既有国企，也有民企甚至外企。因此，从工程意义上就需要从流域系统整体的高度统筹考虑，实行流域综合管理和工程的统一调度，发挥流域梯级水库及区域水库群的联合调度优势（黄强和畅建霞，2007），若各自为政，必将导致资源的无序和低效利用，社会经济的高质量发展和流域生态环境的可持续性就无法保证。
流域的梯级开发和全流域的水沙调度是我国水电建设和管理的必然趋势。目前，我国的流域梯级水库群建设已初具规模，已建成或正在建设黄河上游、黄河中游、长江上游等12个重点水电基地，已形成了黄河、长江上游、清江、乌江等梯级水库群联合调度格局。表1-1为黄河流域干流和主要支流的大型水库建设情况（李会安，2000；李国英，2004）。
根据国际大坝委员会（ICOLD）2012年发布的研究报告，全球已建水库总库容共7000km3，过去35年已淤积库容为2000km3，年均水库库容淤损率为0.8%。随着水库建设速度的逐渐放缓，水库泥沙淤积速度反而呈现明显加快的趋势。在美国，过去1个世纪有超过1200座大坝因泥沙淤积严重而被拆除，在区域尺度上，干旱区的水库淤积速度*快，尤以中东、非洲和亚太地区面临的挑战*为严峻。我国的水库泥沙平均年淤损率更高，达2.3%，每年因淤积而损失的库容约为100亿m3（姜乃森和傅玲燕，1997）。
水库泥沙淤积的严重挑战和水库群建设运行的实际需求，促使水库泥沙调控的理论与实践研究蓬勃开展。国外*早针对水库泥沙的可持续管理理念从20世纪50年代开始出现，到80年代相关研究开始显著增加。当前，水库泥沙淤积处理、泥沙调控和可持续管理已成为水库规划、设计、建设与运行阶段必须考虑的关键因素，大量相关研究成果已能够为工程师处理水库泥沙问题提供较为全面的技术支撑（江恩慧等，2019）。在泥沙调度模型构建方面，Carriaga和Mays（1995）提出以水库下游河道形态变化*小为水库优化调度目标；Nicklow和Mays（2000）进一步提出以所在河网中水库群的泥沙冲淤量*小为*优化控制目标，并探索使用离散型*优化控制方法解决泥沙淤积问题。在实践方面，为解决科罗拉多河下游栖息地侵蚀、鱼类营养供给等问题，科罗拉多河管理局多次采取降水拉沙试验，改善了下游的生态环境等；密西西比河流域的开发与治理越来越强调构建系统治理工程体系，兼顾防洪、航运、生态及娱乐等多方面的功能。
我国多沙河流饱受泥沙淤积、河道游荡迁徙之苦，为控制洪水、减少进入下游河道的泥沙，我国修建水库，实施“调”水和“拦”沙措施，因而我国在水库泥沙调度的研究方面起步较早，整体处于****水平。我国从20世纪50年代的官厅水库（官厅水库水文实验站，1958）、60年代的三门峡水库开始（杜殿勋和戴明英，1981），积累了大量水库泥沙淤积观测资料；在不平衡输沙（韩其为和何明民，1997）、水库异重流（王光谦等，2000；张俊华等，2018）、大坝下游河床演变与河道整治（胡一三和张红武，1998；江恩惠，2008；陈建国等，2012）、多沙河流水库泥沙数学模型（张俊华等，1999；张红艺等，2001；王增辉等，2015）与实体模型模拟技术（张俊华等，1997，2001）等方面均取得了显著进展。然而，受多种因素制约，我国水库修建后的社会问题和生态环境问题研究与发达国家相比一直处于“跟跑”状态。值得欣喜的是，有关生态系统响应（Yietal.，2014；Lietal.，2015）、河口地貌（胡春宏和曹文洪，2003；庞家珍和姜明星，2003；余欣等，2018）、湿地演化（崔保山和杨志峰，2006；连煜等，2008；贺强等，2009）等方面的研究已逐渐取得了不少成果。黄河是全世界泥沙问题*突出的河流，针对其水库群泥沙调度的研究也*为充分。早在20世纪60年代，以王化云为代表的老一代治黄专家即提出了“蓄水拦沙”的水沙调控思路（赵炜，2009）；钱宁等（1978）提出在黄河治理中应利用水库合理调节水沙过程，改变河流边界；王士强（1996）提出了考虑对黄河下游减淤效果较好的水库水沙调控方式。
21世纪初，结合小浪底水库调水调沙试验，李国英（2006）提出了基于空间尺度的黄河调水调沙的调控理念，并进一步指出，追求小浪底水库异重流的较高排沙比是黄河汛前调水调沙的重要目标（李国英，2006）；江恩惠等（2005）应用寿命周期模式思考了三门峡水库的运用问题，提出了发挥三门峡水库与小浪底水库联调作用的建议；胡春宏等（2008）和胡春宏（2016a）系统总结了“蓄清排浑”运用方式在实践中得到的优化和完善，提出了黄河三门峡水库、小浪底水库等工程运行方式进一步优化的建议；谈广鸣等（2018）构建了基于水库-河道耦合关系的水库多目标优化调度数学模型，并将该模型应用到黄河小浪底水库水沙联合调度的研究中，取得了显著的优化效果。
需要特别指出的是，由于黄河稀缺的水资源和巨量的泥沙，因此黄河泥沙调度的目标和思路与一般河流显著不同，其基本出发点是在尽可能保障水资源充分利用的基础上，改善库区与河道的淤积环境，其主要矛盾是在水库淤积与河道淤积之间两害相权；而一般河流的泥沙调度则只需尽可能提高水库排沙能力，减轻水库泥沙淤积与下游持续冲刷之害，两难局面相对不那么突出。因此，从世界范围看，黄河的泥沙调控具有其显著的*特性。
1956～2000年多年平均进入黄河下游的沙量为11.2亿t（水利部黄河水利委员会，2013），黄河下游河道持续淤积抬升，在该阶段黄河下游的防洪减淤是水库泥沙调控的重中之重。进入21世纪以来，黄河水沙条件发生了深刻变化（Wangetal.，2015；胡春宏，2016b），黄河水沙调控体系亦初步建成。特别是随着综合国力的提升和国家区域经济协调发展战略、生态安全战略的推进，黄河流域水资源刚性约束下的“防洪减淤-社会经济发展-生态环境改善”之间的关系亟待平衡与协调。在此背景下，黄河泥沙调度应在空间上覆盖全流域、功能上覆盖全维度，时间上覆盖短、中、长期，以实现黄河流域全河行洪输沙-社会经济-生态环境等功能多维协同发展为目标，建立全流域完整的泥沙动态调控理论、技术与工程体系。
1.2.2亟待解决的关键问题
1.多维协同的泥沙动态调控序贯决策理论
过去几十年，黄河水沙调控关注的焦点主要是黄河下游防洪减淤。近年来的水量统一调度和调水调沙，兼顾了河口生态恢复和两岸乃至外流域社会经济发展需求，但调控时机、清水下泄造成的河势剧烈变化和取水困难等一系列自然与社会问题，引起了社会与学界的广泛关注。同时，水库淤积进程不可逆转，综合效益的发挥受到严重制约，特别是随着国家和社会对黄河治理提出更高要求，保障黄河行洪输沙-社会经济-生态环境等功能多维协同发展应成为水沙调控的主要目标。因此，迫切需要在水库调度中衡量水库-河道间、多维目标间的损益权衡关系，形成系统理论支撑的水库群全局可行、总体较优的序贯决策。
2.多沙河流水库高效输沙的水-沙-床互馈动力学机理
泥沙调控和水库淤积形态调整的互馈机理研究缺失，导致无法预测水库淤积形态演变和高效输沙的动力过程。目前，对库区溯源冲刷的认识主要基于经验判断及定性描述，牛顿流体理论无法完全适用异重流输移过程。因此，迫切需要建立具有严格力学机理及物理意义的水库降水溯源冲刷过程及跌坎形成的临界条件，理清急缓流交替的水流流态与泥沙输移耦合的关系，阐明高含沙异重流运动长距离运移的动力学机制，进而揭示水库高效输沙的水-沙-床互馈动力学机理。
3.下游河流系统行洪输沙-社会经济-生态环境多过程耦合响应机理
泥沙动态调控直接影响下游河道水沙动力过程、河床形态与洲滩演变，进而影响生源物质、污染物质的时空分配和河漫滩土地利用方式等。河流系统演化过程中涉及的多要素间存在着单向传递效应、双向互馈机制、多组分多过程耦合网络关系。这些复杂多过程耦合响应关系的解析与定量表达既是水沙、水环境、水生态等学科交叉的前沿问题，又是水库群泥沙调控下边界约束条件确定的关键。因此，迫切需要在原型观测
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