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水利部黄河泥沙重点实验室

  一、机构全称

  水利部黄河泥沙重点实验室

  二、依托单位名称

  黄河水利委员会黄河水利科学研究院

  三、重点实验室主任、副主任

    江恩慧

  副主任 张俊华 郜国明

  四、简介

  (1)基本概况

  水利部黄河泥沙重点实验室于20046月通过评审认定。实验室运行以来,强调团队建设,突出梯队效应,逐步形成了一支人才结构合理,富于团队协作和开拓创新的科研队伍。

  目前实验室固定科研人员50名,其中教高24人、高工15人,博后2人、博士20人、硕士26人,涵盖水力学及河流动力学、水文学及水资源、水利水电工程、港口、海岸及近海工程、计算机及系统工程等专业。

  实验室机构主要由直属机构和支撑机构两部分组成。其中,直属机构下设有管理机构、学术委员会、研究团队;支撑机构包括泥沙所、水力学所、小浪底中心、江河中心、泥沙利用中心、超级计算机中心等科研平台。

  (2)实验设备设施

  实验室拥有河南郑州沙门模型黄河试验基地,修建大型河工模型试验厅三座,以及水力学实验厅、基础研究实验厅等,试验厅(室)总面积约5.8万m2。

  依托黄河泥沙处理与资源利用工程技术研究中心,建立了焦作、洛阳泥沙资源利用示范基地;依托黄河超级计算中心,解决了海量数据存储、实时计算校正、多模型系统的联动等现实问题。

  实验室拥有先进的实验量测仪器和技术设备1000余台(套),包括并行计算机、量测仪器校验系统、大型基础实验水槽、综合测控系统、浅地层剖面仪等设备。

  (3)主要业务方向

  河流泥沙动力学基础研究。包括泥沙沿程调整及河床自动调整机理;高含沙水流水沙相互作用机理、高含沙水流揭河底现象形成机理;水库异重流运行规律与调控机制、河流海洋动力作用下泥沙运动规律;泥沙对污染物迁移转化影响机制等。

  河床演变及河流综合治理。包括黄河下游二级悬河成因及治理对策、游荡性河道整治理论与工程技术研究;河口综合治理措施与技术研究;挖河疏浚与放淤固堤技术及效果研究;防洪(凌)工程出险机理及防洪防凌减灾工程技术研究等。

  工程泥沙及泥沙资源利用。包括均衡输沙条件及河床动力平衡临界阈值、多沙河流水库群调度理论与技术;黄河泥沙处理与资源利用技术集成、深水水库泥沙水力起悬及输送技术研究等。

  环境泥沙。泥沙运动在污染物迁移转化、归宿、治理、控制中的作用及影响;多沙河流泥沙对污染物的吸附与解吸;黄河流域水沙产输及其与环境变化耦合机理;流域梯级开发生态环境影响评估等。

  高含沙河流模拟及洪水演进预报。河流实体模型相似理论、设计方法和试验技术研究;水库、河道、河口、枢纽模型测控技术研究;泥沙数学模型计算模式、数值计算方法、高含沙水流问题处理理论与技术研究;模型黄河数字化关键技术研究;复杂边界条件下水沙耦合数值模拟。

  (4)主要成果

  实验室紧密结合黄河的治理与开发需求开展创新性研究,取得大量具有国际影响的系统性原创成果。在黄河下游河道整治、调水调沙、防洪安全等方面起到了重大科技支撑作用,为确保黄河岁岁安澜做出了巨大贡献。

  在高含沙水流造床规律、灾变效应、河型转化、游荡性河道河势演变机理等方面,提出了多项原创性成果,建立了游荡性河流河道整治理论体系和方法,直接应用于黄河重大治黄实践。

  在河道整治理论研究方面,首次通过理论研究揭示了河性行曲大水趋直、小水坐弯和河湾蠕动等河势演变现象的规律及其机理,提出了游荡型河段的河型转化规律,创造性地提出了分段整治、突出节点工程新思路。

  在工程泥沙方面,首创了水库群水沙联合调度塑造异重流模式;均衡输沙条件及河床动力平衡临界阈值,多沙河流水库群联合调度理论与技术。

  在泥沙资源利用方面,提出了深水水库淤沙处置与泥沙利用有机结合的新理念和技术;建立了泥沙物化特性的泥沙固结指标体系,开发了胶凝化系列产品,研制了系列新型生态建筑制品和防汛抢险材料,被列为水利部重点科技成果推广计划。

  在环境泥沙研究方面,首次系统阐明了普遍意义上河流健康的科学内涵;提出了黄河环境流量和水量的确定方法、黄河泥沙空间优化配置理论与方法。

  在实体模型模拟理论与技术方面,创造性地提出了一套高含沙洪水实体模型相似律及试验方法;首家成功模拟了游荡性河道河势演变问题,实现了大型动床模型主河槽阻力自动相似问题;提出的数十条泥沙理论公式,被高校教科书广泛引用;研发的多沙河流洪水演进与冲淤演变数学模型等具有自主研发权,得到广泛应用;相关模型已纳入国家防汛指挥系统黄河防洪调度系统。目前,模型黄河基地已成为面向国内外开放交流的教学与科研基地,党和国家领导人多次亲临视察,并给予高度赞赏。

  黄河泥沙重点实验室近10年完成国家级、省部级及国际合作项目61项,发表论文793篇,95篇被SCIEI收录,出版专著51部,主编与参编行业规范及工程手册5部,专利及技术转让32项,获国家级科技进步奖4项,获省部级科技进步奖31项。成果直接应用于黄河的治理与开发实践,为黄河水利委员会2010年获李光耀水源荣誉大奖作出了突出贡献。

                  

  实验室研究团队

   

  模型黄河试验基地

   

  大型变坡水槽

                                              

  模型断面板自动制作系统

  

  黄河下游河道模型模拟洪水演进

  

  小浪底水库模型模拟异重流排沙出库

     

  黄河下游河道二维水沙模型预报洪水演进

  五、重点实验室网址链接

  http://www.yrihr.com.cn/hky/html/32/62/2012-10-25/17311.html

   

  

   国家科学技术奖励

  一、项目名称

  游荡性河流的演变规律及在黄河与塔里木河整治工程中的应用

  二、获奖年份、奖项名称及等级

  2008年获得国家科技进步二等奖

  三、主要完成人

  王光谦、胡春宏、张红武、吴保生、夏军强、姚文艺、傅旭东、王延贵、张俊华、钟德钰

  四、主要完成单位

   清华大学、中国水利水电科学研究院、黄河水利委员会黄河水利科学研究院

  五、成果介绍

   

  塔里木河干流上游游荡型河道

   

  塔里木河干流中游弯曲型河道

   

塔里木河两岸葱郁的胡杨林

  

  本项目对塔里木河干流河道的河势变化、河道冲淤及相关的判别指标等进行了系统的研究。探讨了洪水漫溢、河岸崩塌侵蚀与洲滩淤长、河势摆动与改道等河床演变因素对干流河道两岸生态植被环境的作用与影响。

  通过深入分析干流河道的断面形态与输水输沙特征,考虑干流河道基础资料短缺和水量损失(洪水漫溢、引水跑水、渗漏蒸发)严重的特点,首次建立了适用于干流河道不同形态(枯水、平滩、漫滩)河槽的输水输沙计算模式,开发了干流河道的冲淤泥沙数学模型,为预测塔里木河干流河床演变的趋势及河道综合治理效果提供了强有力的工具。深入分析了输水堤防工程对河道冲淤和两岸生态环境的影响,得出修建堤防后中游河段向下游河道输水比例将增加,导致中游河段淤积减少或冲刷增加,下游河段淤积增加;阐明了输水堤防及其配套工程实施后,既能维护干流中上游河道两岸的生态环境,又会改善下游河道两岸的生态环境。

  项目主要创新点:首次提出了干流河道河型划分的标准、河道稳定性指标、断面水力几何形态及近期河势摆动范围等;建立了干流河道的挟沙能力公式;揭示了塔里木河干流河床演变的基本规律;首次论证了干流河道存在游荡型、弯曲型和过渡型三种河型,为塔里木河干流河道整治提供了技术支撑。

  项目推广应用情况:针对塔里木河干流河道的特性、水资源损耗特点和生态环境建设的要求,提出了干流河道输水堤防的规划原则、布局形式与堤距堤高,河道整治的部位与形式,引水工程及叠梁式生态闸等治理措施。

   

   

  一、项目名称

  黄河调水调沙理论与实践

  二、获奖年份、奖项名称及等级

  2010年获得国家科技进步一等奖

  三、主要完成人

  李国英、廖义伟、张金良、刘继祥、张俊华、张红月、薛松贵、赵咸榕、张永、翟家瑞、江恩慧、牛玉国、李文学、魏向阳、王震宇

  四、主要完成单位

  黄河水利委员会

  五、成果介绍

   

  调水调沙期小浪底水库排沙出库

   

  调水调沙期黄河下游河道洪水演进

  黄河以善淤、善决、善徙、洪水灾害严重闻名于世,其根本原因是水少沙多、水沙关系不协调。突出表现在:下游河槽淤积萎缩严重,调水调沙前局部河段平滩流量已降至1800立方米每秒;二级悬河发展迅速,防洪形势日益严峻;下游滩区189万人口长期难以脱贫致富,严重影响社会稳定发展。解决黄河水少沙多、水沙关系不协调的根本途径是增水、减沙、调水调沙。黄河调水调沙就是利用干、支流水库对进入下游的水沙关系进行调节和控制,塑造出相对协调的水沙关系,充分发挥下游河道的输沙能力,遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽。

  项目是一项特大型原型科学试验和生产实践,属于水利科学中河流泥沙工程学、防洪工程、水利工程管理技术、水文技术等学科领域。目前,国内外在统筹考虑水沙联合调度的调水调沙方面尚无可借鉴的模式、调控技术和经验。项目揭示了黄河河道水沙输移规律,建立与完善了水沙调控理论体系;提出了黄河中游水库水沙输移规律,成功实现了人工塑造异重流,发展了水库排沙途径;首次成功开展了大规模的调水调沙原型试验和实践,建立了较为完整的黄河水沙调控理论,开辟了黄河治理开发新途径;首创了人工塑造异重流,形成了协调水沙过程,创立了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接、干流水库群水沙联合调度的黄河调水调沙模式;实现了系统集成创新,提升了应用基础与应用技术研究水平。

  项目实现了黄河下游河道主河槽全线持续冲刷,过流能力由1800恢复到3880立方米每秒。小浪底水库淤积部位及下游河道断面形态得到有效调整;在保护黄河防洪安全、保障滩区人民生命财产安全和社会稳定等方面做出了贡献;改变了长期以来人们对黄河输沙用水被大量挤占的漠视态度,促进了水资源的合理利用;河口地区生态系统得到有效改善,迁徙鸟种类和种群数量增加,植被长势良好,鱼类等水生动物及数量明显增长。具有巨大社会、经济和生态环境效益。

  成果具有很强的实用性,已在国务院2008年批复的黄河流域防洪规划、水利部2004年颁发的小浪底水库拦沙初期调度规程、黄河防总颁发的指挥调度规程及年度洪水调度方案、利用桃汛洪水冲刷潼关高程、清华大学、复旦大学、武汉大学等院校教学等方面得到应用。成果在黄河治理、实现黄河长治久安中发挥重要作用,并对国内外多沙河流治理提供支持和借鉴。

  200712月,经河南省科技厅组织鉴定,认为该研究成果在塑造协调水沙关系、减少水库淤积、恢复下游河道行洪能力和实现黄河治理战略等技术方面总体上达到国际领先水平。

     

   

   

   

   

   

  一、项目名称

  水沙灾害形成机理及其防治的关键技术

  二、获奖年份、奖项名称及等级

  2010年获得国家科技进步二等奖

  三、主要完成人

  倪晋仁、李义天、江恩惠、李天宏、韩鹏、薛安、赵连军、李英奎、刘仁志、李秀霞

  四、主要完成单位

  北京大学、武汉大学、黄河水利委员会黄河水利科学研究院

  五、成果介绍

   

  黄土高原

   

  黄河下游塌岸

   

  山体滑坡

   

  水库滑坡体

  我国河流中上游水土流失严重,泥石流、滑坡、崩塌灾害频繁,下游河道淤积严重、水流含沙量高、河堤溃口风险高,水沙灾害问题十分突出。近年来,由于泥沙灾害的影响,已形成了以小水大灾为特征的链式群发性水沙灾害。本项目从全流域的角度出发,围绕水沙灾害形成机理和防治的关键科学技术问题开展了近10年的研究,取得了系统性的创新成果。

  1)建立了江河泥沙灾害学的理论体系,包括概念体系、方法体系和防治管理体系。在概念体系中确立了泥沙灾害的概念、属性、分类、分级、成因机制、灾害效应,泥沙灾害系统的概念、层次、结构、活动模式(灾害链和灾害群发性)、泥沙灾害与环境及人类活动的关系等;在方法体系中提出了泥沙灾害过程动力学方法、评估方法、系统模拟预测方法等;在防治管理体系中,提出了泥沙灾害监测、预报、防治与管理的途径。泥沙灾害学理论体系的建立是对泥沙学、灾害学和地貌学的丰富和发展,为指导江河水沙灾害防治提供了科学依据。

  2)提出了渐发性水土流失的快速评估方法、突发性水沙灾害危险性快速区划方法、高含沙洪水的快速预测模型、溃堤过程快速模拟方法和蓄滞洪区洪水风险快速预测与反馈方法。克服了目前常用流域水土流失通用方程存在的模型参数不易确定、数据重用性差和不能定量评估人类活动影响等不足;克服了传统方法在泥石流、滑坡、崩塌、洪水等突发性水沙灾害危险性区划中对数据完备性要求苛刻的缺点;解决了黄河下游不同水沙条件下游荡性河道高含沙洪水快速、准确预测的难题;实现了蓄滞洪区的单个或多个特定敏感点的洪水风险进行快速预测和反馈。

  3)提出了复杂水沙关系条件下洪水防治和蓄滞洪区调控的技术。基于重构相空间技术的水沙时间序列神经网络模型,显著提高了河流水沙过程预报精度。针对黄河下游不同水沙条件下游荡性河道冲淤演变特点,将数学模型和物理模型结合,揭示了黄河高含沙洪水演进、水沙输移规律和造床机理,直接指导了典型游荡性河段的河道治理。针对洞庭湖区河网水系水沙输移关系复杂的问题,提出了具有河网水沙输移特点的神经网络模型,为复杂区域、较大时间跨度条件下水沙过程模拟和调控提供了新技术。

  成果已被黄河水利委员会及其水保局、水文局、河南河务局,黄河防汛抗旱总指挥部,长江水利委员会总工办、水文局,中国地质环境监测院,湖北省水利水电勘察设计院等单位采用,社会和生态效益显著。

  一、项目名称

  黄河小浪底工程关键技术与实践

  二、获奖年份、奖项名称及等级

  2013年获得国家科技进步二等奖

  三、主要完成人

  殷保合、林秀山、贾金生、王庆明、董德中、刘继祥、张俊华、曹应超、张利新、李治明

  四、主要完成单位

  水利部小浪底水利枢纽建设管理局、黄河勘测规划设计有限公司、中国水利水电科学研究院、黄河水利委员会黄河水利科学研究院、水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院、天津大学、华北水利水电学院、中国水利水电第十四工程局有限公司、中国水利水电第三工程局有限公司、中国水利水电第六工程局有限公司、中国水电基础局有限公司、中国水利水电第一工程局有限公司

  五、成果介绍

   

  小浪底工程

  小浪底工程建设面临三大世界性技术难题,被国内外专家公认为是世界坝工史上最具挑战性的工程之一:(1)复杂的水文泥沙条件。黄河水少沙多,水沙异源,水沙分布不均匀;(2)复杂的地形地质条件。河床砂砾石覆盖层厚达70余米,断层横穿坝下,软弱夹泥层发育、山体单薄;(3)复杂的运行调度条件。多目标开发、复杂的水沙条件以及确保进水口不被淤堵等条件,给枢纽调度运行带来了前所未有的技术难题。

  小浪底工程建设中取得的重大技术创新:(1)提出水库长期使用规划和优化调度方法,对黄河治理与水利行业的科技进步发挥了显著作用;(2)研究确定了具有鲜明特点的枢纽建筑物总布置方案,为复杂多泥沙河流高坝大库工程建设树立了成功典范;(3)采用以垂直防渗为主、内铺盖和天然铺盖为辅的高土石坝坝工设计技术,成功设计建造了国内第一高堆石坝;(4)成功设计建造了大型进水塔群和大型综合消能水垫塘;(5)在多泥沙、高水头条件下,创造性地采用了多级孔板洞内消能技术,将3条大直径导流洞改建为永久泄洪洞,大大减缓了高速含沙水流对流道的磨蚀,推进了洞内消能技术发展,为特大型水利水电工程导流洞重复利用开辟了一条重要和崭新的途径;(6)在高水头、大直径的有压隧洞中首次采用了双圈缠绕的无黏结后张预应力混凝土衬砌技术,成功解决了高压水外渗影响左岸单薄山体稳定的技术难题,填补了国内空白;(7)在类缓倾角砂页岩地层中成功采用了喷锚柔性支护作为永久支护和岩壁吊车梁技术,大大节省了工程量和投资,是国内砂页岩地层中最大的地下厂房;(8)首次在国内大规模采用了双层保护预应力锚索和钢纤维喷混凝土技术,成功处理了地质条件十分复杂的进出口岩石高边坡。

  小浪底工程成功建设,实现了黄河下游河道不断流;基本满足工业及生活用水需求,提高了天津、河北、青岛等地区的用水保障率,缓解了下游沿黄地区生产和生活用水紧张局面;遏制了三角洲淡水湿地生态系统的恶化,生物多样性明显提高;全面实现了工程开发目标,在防洪减淤、供水灌溉等方面发挥了巨大的社会、经济效益。

  20122月,经水利部国科司组织鉴定,认为小浪底工程勘察设计与建设管理过程中,加强科技攻关,创新和引进高效设备与先进技术,取得了多项科技成果,在我国水利水电工程建设领域中处于领先地位,总体达到国际领先水平,开创了多泥沙河流建设高坝大库的成功典范,为类似工程建设积累了丰富经验。

    

  

    

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