一种系统控制黄河泥沙的工程体系的方法与流程

本发明涉及工程泥沙级联控制，特别涉及一种系统控制黄河泥沙的工程体系的方法。

背景技术：

1、多沙河流不同于少沙河流之处在于泥沙含量高、输沙量大的特点，泥沙问题常导致河流下游水害严重，给流域的治理发展带来了严重的影响。

2、黄河泥沙问题伴生于全流域面上、关键节点上的水库、河道、河口等各个环节，影响范围大，且各个环节互相关联、相互作用，是一个复杂的巨系统，其受泥沙的产生、输移、淤积、冲刷等发生发展自然演变规律控制。然而长期以来，解决黄河泥沙问题的传统思路多单从流域面上开展治理、或是单从水库开发治理、或是单从河道整治等单环节入手，而从流域尺度而言，多沙河流的泥沙问题是一个复杂的系统问题，必须立足于系统角度，开展多层次、多环节、全流域的多级工程控制体系进行分析探索。

3、本发明针对以上问题，基于系统学和工程控制论基本认识，从系统角度考虑多沙河流泥沙的产生、输移、淤积、冲刷等发生发展的演变过程，将涉及泥沙的整个系统视之为受控工程系统，提出一种系统控制黄河泥沙的工程体系的方法。本发明将黄河流域泥沙集中来源区涉及的入河泥沙控制子系统设置为一级控制子系统、将关键节点的水库工程体系设置为二级控制子系统、将下游对水沙过程具有重要调控作用的宽滩河段设置为三级控制子系统、将承泄流域水沙出口的河口区域设置为四级控制子系统，通过各级子系统间的“控制-传递-作用-影响-反馈”关联机制，指导黄河泥沙控制措施的布局实施，实现分环节、分工程、分方式对黄河泥沙进行调控，为系统治理黄河泥沙问题提供了一种新的方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种系统控制黄河泥沙的工程体系的方法，用以从系统角度追踪河流泥沙的产生、输移、淤积、冲刷等发生发展的演变过程，通过设置入河泥沙控制、节点水库泥沙控制、河道泥沙控制、河口泥沙控制等级联工程控制体系，识别各级控制子系统的控制因子和反馈因子，基于各级控制子系统中控制因子的信息传递与反馈因子的反馈，进一步优化各级控制措施，实现对黄河泥沙的综合处理。

2、本发明提出一种系统控制黄河泥沙的工程体系的方法，包括：

3、步骤1：对流域内的泥沙集中来源区、水库工程、平原宽滩河段、河口流路摆动区进行识别及编码，构成四级控制子系统；

4、步骤2：收集泥沙集中来源区内各雨量监测站点的降雨资料，推求流域面雨量过程；

5、步骤3：以面雨量过程为输入，结合泥沙集中来源区流域下垫面条件进行产水产沙计算；

6、步骤4：识别各级控制子系统中用以传递的控制因子和用以反馈的反馈因子；

7、步骤5：根据泥沙集中来源区水土流失特点进行水土保持工程措施布局，在沟道关键节点布设新型淤地坝工程体系，构建末道拦沙防线，将水土保持工程措施整合构建一级控制子系统，以降雨产水产沙计算结果为输入，分析计算经一级控制子系统拦减后的入河泥沙量，并作为一级控制子系统的控制因子；

8、步骤6：收集整理黄河干流和重要支流关键节点的骨干水库工程，并进行编码，整合构建二级控制子系统，以一级控制子系统的控制因子入河泥沙量为输入，确定各级节点水库入库泥沙，通过各级节点水库的水沙调控运用，按照编码次序分析计算出对应节点水库工程的拦沙量以及排沙量，其中，将入库泥沙和拦沙量数据作为二级控制子系统的反馈因子反馈至一级控制子系统，排沙量作为二级控制子系统的控制因子输入下一级子系统；

9、步骤7：收集黄河下游平原宽滩河段沿程断面地形及河防工程资料，分析河段河槽、分级滩地特征数据，整合构建三级控制子系统，以二级控制子系统的控制因子水库排沙量为输入，通过宽滩河段水沙调节分析计算，推求下游宽滩河段的河道冲淤过程、河势演变、河道输沙量、河道淤积量，其中，将所述河道淤积过程、河道淤积量和河势演变数据作为三级控制子系统的反馈因子反馈至二级控制子系统，河道输沙量作为三级控制子系统的控制因子输入下一级子系统；

10、步骤8：收集河口流路摆动区域行洪区的地形资料，分析河口地区各级流路演变特征，整合构建四级控制子系统，以三级控制子系统的控制因子下游河道输沙量为输入，基于河口流路调整进行河口水沙分析计算，得出河口淤积延伸长度和河口上游河道侵蚀基准面信息，均作为三级控制子系统的反馈因子，并反馈至三级控制子系统；

11、步骤9：以水沙协调度为控制总目标，基于各级控制子系统中控制因子的信息传递与反馈因子的反馈，不断优化各级控制措施，实现黄河泥沙系统的控制。

12、优选的，所述各级控制措施，包括：泥沙集中来源区的水土保持措施布局、调整水库运用方式、下游河段综合治理措施、河口流路运用布局在内。

13、优选的，基于构建四级控制子系统，识别各级控制子系统中控制因子作为控制子系统间的变量传递，影响下一级控制子系统；识别各级控制子系统中反馈因子作为控制子系统间的反馈传递，指导各级控制子系统的控制措施优化。

14、优选的，收集整理黄河干流和重要支流关键节点的骨干水库工程，并进行编码，包括：

15、所述骨干水库工程中的干流水库自上游到下游编码为g+x，其中，g表示干流水库，x表示水库的上下游关系；

16、所述骨干水库工程中的支流水库编码规则为z+x-x的方式，其中z表示支流水库，第一个数字x表示支流水库与干流水库出流交汇的干流水库编码数字，第二个数字x按照汇入黄河的上下游关系顺序编码。

17、优选的，按照编码次序分析计算出对应节点水库工程的拦沙量以及排沙量之后，还包括：

18、确定对应节点水库工程处于拦沙期的库区滩槽同步塑造方式；

19、按照水沙分级对正常运行期的节点水库工程进行分类调度；

20、基于所述库区滩槽同步塑造方式以及分类调度结果，并结合各水库设计的工程规模和条件、非常规排沙调度方式，基于对应节点水库对入黄泥沙进行调控。

21、优选的，以水库排沙量为输入，通过宽滩河段水沙调节分析计算过程中，还包括：

22、确定黄河下游的河道特点；

23、其中，所述河道特点与黄河下游的河道宽窄以及黄河下游的比降大小有关。

24、优选的，以水沙协调度为控制总目标，包括：

25、捕捉所述黄河下游中不同河道的水沙搭配过程；

26、分析每个水沙搭配过程的过程信息，并确定对应的水沙关系；

27、将描述所述水沙关系的协调度指标小于或等于1的结果作为控制总目标。

28、优选的，基于各级控制子系统的信息传递与反馈，通过优化各级控制措施，实现黄河泥沙系统的控制之前，还包括：

29、对各级控制子系统的信息传递与反馈的第一时间进行预测；

30、确定按照预测的第一时间作为优化触发时间点对各级控制措施进行优化，并确定各个优化时间点是否满足优化关联标准。

31、优选的，确定按照预测的第一时间作为优化触发时间点对各级控制措施进行优化，并确定各个优化时间点是否满足优化关联标准，包括：

32、获取各级控制子系统所匹配的预测的第一时间所对应的优化触发参数；

33、根据所述优化触发参数，由过程模拟模型对对应级控制子系统的系统优化过程进行模拟；

34、计算各级控制子系统之间基于预测的第一时间的优化匹配度y2；

35、

36、其中，m表示各级控制子系统的总个数；sim表示相似度符号；dj1表示第j1个控制子系统的模拟结果；di1表示第i1个控制子系统的模拟结果；e表示指数函数的符号；tj1表示第j1个控制子系统基于预测的第一时间的结束模拟时间；ti1表示第i1个控制子系统基于预测的第一时间的开始模拟时间；其中，i1＝j1+1；j1＝1,2,3,...,m；i1＝0,1,2,...,m-1；y2表示第j1个控制子系统与第i1个控制子系统之间的优化匹配度；δi1,j1表示第j1个控制子系统与第i1个控制子系统之间的标准模拟时间差；sim(dj1,di1)max表示所有相似模拟结果中的最大值；sim0(dj1,di1)表示第j1个控制子系统的模拟结果与第i1个控制子系统的模拟结果的标准相似度；sim(dj1,di1)表示第j1个控制子系统的模拟结果与第i1个控制子系统的模拟结果的实际相似度；表示基于第j1个控制子系统的模拟结果与第i1个控制子系统的模拟结果的匹配度调整因子；

37、当所有优化匹配度y2都合格时，判定各个优化时间点满足优化关联标准；

38、否则，提取不合格的优化匹配度y2所对应的第一控制子系统，并根据对应实际模拟时间差以及标准模拟时间差的比值，确定时间模拟延迟系数以及非相似模拟结果；

39、基于所述时间延迟系数以及非相似模拟结果，确定对应第一控制子系统的再次优化因子；

40、基于所述再次优化因子对对应第一控制子系统进行优化处理。

41、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

42、本发明通过从系统角度考虑黄河泥沙的产生、输移、淤积、冲刷等发生发展的演变过程，提出多层次、多环节、全流域的多级工程控制体系，通过各级子系统间的“控制-传递-作用-影响-反馈”作用机制，实现分环节、分工程、分方式对黄河泥沙进行系统性调控，更系统全面的治理黄河泥沙问题。与传统单方面、单环节治理方法相比，治理目标更明确、治理思路更全面、治理措施互相补位，可为系统性地治理黄河泥沙问题提供重要理论技术支撑，为黄河泥沙集中来源区生态治理、水库防洪减淤与综合效益发挥、下游宽滩河段生态治理与河口地区生态保护和高质量发展提供了系统解决思路。

43、经过黄河泥沙多道防线系统联合控制，黄土高原水土流失区治理水平显著提高，水土保持成效明显提升，入黄沙量大幅减少；水库径流泥沙调控能力显著增强，黄河水沙关系协调程度明显改善，洪水泥沙有效控制，确保河床不抬高，大堤不决口，长期维持中水河槽行洪输沙能力和中水流路河势稳定；河道综合治理水平全面提升，生态廊道功能集成效应显现，人水和谐关系改善，滩槽水沙自由交换功能保持，输沙通道畅通；河口生态环境明显改善，入海流路相对稳定，河口溯源淤积的不利影响明显减弱。

44、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

45、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。