（水文学及水资源专业论文）引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水利水电工程方案优选是从若干拟定的方案中经过论证比较选出相对最优方案的 过程，该方案应当是技术上先进、可行，投资少，工期短，对环境影响小，运行可靠， 管理方便的。泄洪闸是引嫩骨干工程北引渠首最为关键的建筑物，其规模大小将直接决 定整个工程的投资、淹没占地及未来防洪成本，更会对嫩江河势产生深远影响，因此本 文在详细研究了上述影响因素后，建立了指标评价体系，并应用多个模型对北引渠首泄 洪闸各方案进行了优选。 首先，本文对影响北引渠首泄洪闸方案选择的各指标进行了分析研究，论证了所选 指标的合理性，建立了相应的指标评价体系。 其次，建立了北引渠首泄洪闸方案的层次分析优选模型、多级模糊优选模型和人工 神经网络优选模型，通过对模型的求解，给出了泄洪闸各方案的优劣排序。 最后，对各模型的优选结果进行了综合的对比分析，推荐了最优泄洪闸方案，为决 策者提供了科学化、合理化的建议。 关键词：北引渠首；泄洪闸；评价体系；层次分析；模糊优选；人工神经网络 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 s t u d yo fb e i y i n q u s h o us l u i c es c h e m eo p t i m i z a t i o ni n n o r t h e m n e n ji a n gw a t e rt r a n s f e rk e yp r o j e c t a bs t r a c t s c h e m eo p t i m i z a t i o no fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c ti sap r o c e s sf o r s e l e c t i n gt h eo p t i m u ms c h e m ef r o ms e v e r a ls c h e m e sa f t e rd i s c u s s i n ga n dc o m p a r i n g , t h i s o p t i m u ms c h e m es h o u l dh a v et h ec h a r a c t e r so fa d v a n c e dt e c h n o l o g y ，t e c h n i c a lf e a s i b i l i t y ， l e s si n v e s t m e n t ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ，l i t t l ei n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n t ，r e l i a b l eo p e r a t i o n , c o n v e n i e n tm a n a g e m e n ta n ds oo n s l u i c ei st h em o s tc r i t i c a lb u i l d i n gi 1 1b e i y i n q u s h o up r o j e e t ，i t ss c a l ew i l ld e c i d e dt h ep r o j e c ti n v e s t m e n t ，p r o j e c ts i t ea r e aa n df u t u r ef l o o dc o n t r o lc o s t , a n di tw i l le x e r tap r o f o u n di n f l u e n c eo nt h en e nr i v e rr e g i m e t h e r e f o r e ， a f t e rd e t a i l e ds t u d i e so ft h ea b o v ei n f l u e n c ef a c t o r s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ei n d e xe v a l u a t i o ns y s t e m ，a n da p p l i e sm a n ym o d e l st ot h es l u i c eo p t i m u ms c h e m eo fb e i y i n q u s h o u p r o j e c t a tf i r s t e a c hi n d e xo fi n f l u e n c es l u i c es c h e m eo p t i m i z a t i o ni nb e i y i n q u s h o up r o j e c t h a sb e e na n a l y z e d , t h ei n d e x sr a t i o n a l i t yh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gh a d e xe v a l u a t i o ns y s t e mh a sb e e nb u i l t t h e n , a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a m p ) o p t i m i z a t i o nm o d e l ，m u l t i - l e v e lf u z z yo p t i m i z a t i o nm o d e la n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) o p t i m i z a t i o nm o d e lo fs l u i c es c h e m ei nb e i y i n q u s h o up r o j e c th a sb e e nb u i l ti nt h ep a p e r t h r o u g ht h es o l u t i o no fe v e r y m o d e l ，w ec a ng e tt h es o r t i n go fs l u i c es c h e m e s f i n a l l y ，t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h eo p t i m u mr e s u l t so fe v e r ym o d e l ，t h e0 p t i m a ls l u i c es c h e m eh a sb e e nr e c o m m e n d e df o rt h ed e c i s i o n - m a k e r s ，w h i c hm a k et h ef l o o dd i s c h a r g ed e c i s i o nm o r es c i e n t i f i c a l l ya n dr e a s o n a b l y k e yw o r d s ：b e i y i n q u s h o up r o j e c t ；s l u i c e ；e v a l u a t i o ns y s t e m ；a h p ；f u z z yo p t i m i z a t i o n ；a n n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：主! 拯靥聋兰塑丝型遮羞l 丝边圃乏塞蚴盘 作者签名 ： 臣立：烫日期：4 q 月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：墨l 鱼虽壬2 楹业墨l 鎏羞涩逆超互塞篮蓝缓! 整 作者签名： 窆i 3 姿日期：型2 一年z _ 月土日 导师签名：二因喜粪二一 日期：毕年土月立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景与研究意义 水是大自然的重要组成物质，是生命的源泉，是人类生活和社会发展不可缺少的重 要资源，也是生态环境中最活跃的要素。水资源主要是指某一地区逐年可以天然恢复和 更新的淡水资源。水资源具有储量的有限性、补给更新的循环性、时空分布的不均匀性、 利与害的两重性，以及可储藏可输移等特点。水资源用途广泛且不可替代，需要人们去 研究、开发、控制、利用和保护【l 】。 为了保证松嫩平原国家商品粮基地粮食安全、促进农村经济发展、调整改造大庆等 东北老工业基地、促进生态环境良性发展以建设生态省和生态市、充分发挥尼尔基水利 枢纽综合利用效益，修建尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省引嫩扩建骨干工程非常 必要，北引渠首是该项目中的龙头工程，渠首工程建成后将大大提高和改善现有为大庆 供水的北部引嫩工程的引水条件，增加引水量，据估算引水能力可提高一倍，为城市和 农业灌溉供水，为松嫩平原建设提供了引水保证。因此，先修建北引渠首至关重要，渠 首建成后能够更快更好的带动并促进引嫩扩建工程的全面实施，加快以大庆市为中心的 周围市县工业、农业、牧业、生态环境建设，更好地满足黑龙江省经济持续、快速、健 康发展，提供水资源支撑和保障。 所以，在这种情况下，北引渠首工程的修建已然势在必行，北引渠首工程由太和堤 防、土坝、北引总干进水闸、船闸( 预留位置) 、泄洪闸、溢流坝、固滩以及汉古尔堤 防组成，在确定了坝址、坝线以后，接下来就需要确定北引渠首工程的布置方案。泄洪 闸修建在嫩江主河床上，为渠首工程的主要泄洪建筑物，因此北引渠首工程总体布置方 案的选择主要是比选泄洪闸的规模。 传统的比选方法通常是根据地勘资料，通过计算列出各方案的技术经济指标，然后 凭借设计人员的经验来选择方案。此种比选方式往往片面地强调经济指标，而对于其他 因素则考虑不够，从而损失了一些重要的信息，经不起推敲，在各级审查之后很容易造 成方案“翻盘 。更重要的是现代的水利水电工程需要考虑的影响因素更多，是一个复 杂的系统工程，传统的方法已很难胜任，而计算机技术的迅猛发展，使我们有能力在很 短时间内通过优选模型，选出更符合实际和我们经验的方案。 水利水电工程的每一项技术措施都需要经过方案比较确定，这是规范阳，4 】明确规定 的，只是现行规范对于方案比选所要采取的方法并没有明确指出，一般设计院也都是采 用前面叙述的传统方法。但是，随着水利水电工程理论和优选方法的成熟，“应用优选 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 模型进行方案选择被写进相关规范与法规成为可能，这将为大中型水利水电工程方案 比选提供确凿的依据，正如规范 2 】中规定的“对1 级、2 级坝和高坝应采用数值法计算 确定渗流场的各种渗流因素以及规范【3 】中规定的“水流流态复杂的大型水闸枢纽布置， 应经水工模型试验验证。一样，所以，本文在对北引渠首泄洪闸方案进行优选的同时， 也希望能为相关规范的出台提供一些参考。 1 2 水利水电工程方案优选模型的研究现状及发展趋势 水利水电工程方案优选，涉及到水利水电投资与效益、水能资源的合理开发与利用、 生态环境的保护等诸多因素，是工程规划中一个较为复杂的综合技术经济问题。因此近 年来很多优选方法不断涌现，在水利水电工程方案优选领域得到了广泛的应用，为水利 水电工程方案优选增添了新的方法与途径，主要包括灰色系统理论、层次分析方法、投 影寻踪、人工神经网络、模糊数学方法、综合优选属性识别和客观组合评价法等。 ( 1 ) 灰色系统理论 灰色系统理论是研究灰色系统分析、建模、预测、决策和控制的理论，可将抽象的 系统加以实体化、量化、模型化及最佳化。它克服概率统计的弱点，能从杂乱无章的、 有限的、离散的数据中找出规律，而且评价结果既能对被评对象的整体性能进行综合评 价，又能体现被评对象在各评价指标方面的优劣状况【5 刀。 刘正才【8 】采用灰色系统理论中的灰色局势决策和关联分析排序( 优势分析) 理论与 方法，进行了水利水电规划方案的优选，并将灰色排序决策模型与模糊层次优选模型进 行了系统的比较分析，阐述了各自的优缺点，并提出了以模糊优先关系定序决策法去综 合确定水利水电规划方案的优劣排序。 谢秋菊【9 】针对水利工程开发方案优选具有多目标、多层次等特点，建立灰局势决策模 型并应用变异系数法确定评价指标权重。利用该模型对灌区改建扩建规划方案进行优选， 结果表明这是一种有效的方法。 ( 2 ) 层次分析方法 层次分析法) 是2 0 世纪7 0 年代初由美国著名运筹学家、匹兹堡大学教授t 。l s a a t y 提出的一种定性分析与定量分析相结合的系统分析方法，它将决策者对复杂对象 的决策思维过程定量化，通过一系列数学运算，得出不同的权重，为最佳方案的选择提 供依据，其本质上是一种多目标群体决策思想和方法。 王新玲【lo 】在分析了建筑工程方案的类型和特点的基础上，建立了建筑工程方案综合 评价指标体系的递阶层次分析结构：将模糊数学理论、集值统计原理和层次分析法结合， 大连理工大学硕士学位论文 建立了建筑工程方案模糊层次综合优选模型，并通过实例验证了模型和方法的合理可行 性。 舒卫萍等】把与灌区运行管理有关的各项指标划分为不同层次，不仅解决了定性问 题，而且还解决了它们之间的定量问题，确定了各指标的相对重要性权值，通过对山东 省1 2 个灌区进行综合评价，说明了该方法效果很好，与实际吻合。 ( 3 ) 投影寻踪模型 投影寻踪( p r o j e c t i o np u r s u i t ，简称p p ) 技术是一种直接由样本数据驱动的探索性 数据分析方法，特别适用于分析和处理非线性、非正态高维数据，它通过把高维数据投 影到低维子空间，寻找能反映原高维数据结构或特征的投影，达到研究分析高维数据的 目的。 金菊良等提出了水资源工程方案优选的投影寻踪模型方法【钔。利用该模型可把方 案多维评价指标值综合成一维投影值，投影值越大表示该方案优选，根据投影值的大小 就可对方案集进行优选。应用实例的结果说明，p p 模型用于水资源工程方案优选简便 可行，减少方案优选决策中的失误，而且p p 模型的投影值比较分散、易于决策，适用 性和可操作性强，不需确定评价指标的权重，优选结果较为客观。 宋茂峰、付强【1 5 , 1 6 】等针对调水工程开发项目决策问题，采用投影寻踪分类模型，利 用基于实数编码的加速遗传算法优化投影方向，将多维数据指标转换到低维子空间，根 据投影函数数值的大小评价样本的优劣，选择调水工程线路。 ( 4 ) 人工神经网络 人工神经网络具有很强的鲁棒性和容错性，善于联想、概括、模拟和推理，具有很 强的自学习能力，善于从大量统计资料中分析提取客观统计规律。水利水电工程方案优 选是一个涉及诸多因素的复杂问题，各指标因素之间无明显的函数关系，因此可以用人 工神经网络来解决这类问题。 、吴泽宁等m 】在分析水利水电工程常用综合优选模型应用中存在问题的基础上，将 综合优选问题的特点和人工神经网络原理有机结合，建立了方案综合优选的人工神经网 络拓扑结构，设计了相应的网络学习算法，提出了生成训练样本和方案优选方法，实例 分析结果证明模型和方法是实用、有效的。 程芳等1 1 8 l 依据人工神经网络的基木原理，建立了基于前馈人工神经网络的水利水电 规划方案优选的神经网络模型，并提出了基于该模型的样本处理方法。在此基础上对桑 郎河梯级开发方案进行了优选，结果证实了该方法的有效性和合理性。 ( 5 ) 模糊数学方法 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 水利水电工程方案涉及到许多不确定、不精确的因素，尤其在进行大系统、多层次、 多目标的规划中更加复杂，常规规划方法面临的一个十分突出的矛盾是精确性与模糊性 的对立。采用模糊综合评判方法进行水利水电规划，避免了大量的繁杂计算，辩证地处 理了精确性与模糊性的对立。 陈守煜教授从模糊数学的基本理论出发，根据水利水电规划方案比较的相对性，提 出模糊优选模型【1 9 】。并指出，该模型具有数学推导严谨，物理概念明确，计算简便实用 的优点，可应用于水利水电规划方案、工程设计方案的优选。其后，陈守煜教授又在其 相关文献【2 0 2 2 】中进一步完善了模糊优选理论。 ( 6 ) 综合优选属性识别 马细霞等【2 3 】针对目前水利水电规划方案综合优选方法中在的问题，提出了基于变异 系数权重的水利水电规划方案综合优选属性识别模型。该模型采用反映评价指标特征值 之间差异的参数变异系数作为评价指标的权重，在一定程度上减少了权重确定的主 观性和模型求解的复杂性，运用在正常蓄水位的选择评价中，评价结果客观合理。 ( 7 ) 客观组合评价法 金菊良等【2 4 】提出水利工程方案选优的关键是如何合理确定各评价指标的权重。为挖 掘各方案评价指标样本值的整体差异信息，提出了基于理想点法和加速遗传算法的改进 投影寻踪评价新方法，为挖掘各方案评价指标样本值的局部差异信息，提出了基于加速 遗传算法的模糊层次分析法，综合这2 种评价方法，构成了工程方案选优的客观组合评 价新模型( o c e m ) 。并指出，o c e m 挖掘评价指标样本信息比较充分，可反映各指标 对综合评价结果的影响程度，计算结果更为客观、稳定、分辨率高，可在工程方案选优 中推广应用。 应该说水利水电工程方案优选在理论、方法、模型等方面都有了较大的进展，也都 取得了大量的研究成果，但是在方案评价指标的选择上还缺少足够的论述，在指标权重 的确定上还存在很大的分歧，没有形成一个统一的成熟的指标权重确定方法。事实上， 由于水利水电工程方案优选是一个涉及多因素、复杂的系统工程，具有多目标、多层次、 多关联、信息不完备等特点，因此，仅用某一种方法得出结论是不可取的，必须采用多 种方法进行相互分析和比较，这样才能确定出比较合理的方案。 1 3 本文主要研究内容 本文对影响北引渠首泄洪闸方案选择的各指标进行了分析研究，论证了所选指标的 合理性，建立了相应的指标评价体系。并建立了北引渠首泄洪闸方案的层次分析优选模 大连理工大学硕士学位论文 型、多级模糊优选模型和人工神经网络优选模型，通过对模型的求解，给出了泄洪闸各 方案的优劣排序。最后对各模型的优选结果进行了综合的对比分析，推荐了最优泄洪闸 方案，为决策者提供了科学化、合理化的建议。本文研究的内容如下： 第一章绪论 论述本论文选题背景和研究意义，并详细阐述了水利水电工程方案优选的国内外研 究现状、进展及发展趋势，最后提出本文的主要研究内容，确定论文研究的总体思路。 第二章北引渠首工程的概况及研究采用的基本资料 首先介绍了北引渠首工程的地理位置、水利工程现状、工程建设必要性以及工程总 体布置等基本信息，然后给出了北引渠首工程泄洪闸方案优选可能要用到的所有原始资 料或者阶段性成果，为下文指标评价体系的建立以及指标权重的确定奠定了基础。 第三章泄洪闸备选方案的生成与指标体系的建立 合理地生成了泄洪闸的备选方案，归纳了水利水电工程方案优选评价指标体系建立 的一般性原则与一般性内容，并据此结合北引渠首的工程特性建立了泄洪闸方案的指标 体系，并对其中所有指标进行了详细的分析与研究，以期为方案优选提供准确的评价信 息。最后介绍了定性指标的量化方法，并对泄洪闸方案指标体系中的定性指标进行了量 化处理，建立了泄洪闸方案优选的特征值矩阵和相对隶属度矩阵，为应用各模型求解做 好了前期准备工作。 第四章北引渠首泄洪闸方案的综合层次分析优选模型 建立了泄洪闸方案优选的层次结构，并通过构造成对比较矩阵确定了各指标的权 重，最后应用基于t o p s i s 法的排序对泄洪闸方案进行了优选。 第五章北引渠首泄洪闸方案的多级模糊优选模型 应用主客观综合法确定了符合决策者不同偏好下的各指标权重，并引入了级别特征 值的概念，通过计算级别特征值向量，确定了泄洪闸各方案的最终优劣排序。 第六章北引渠首泄洪闸方案的人工神经网络优选模型 首先详细阐述了泄洪闸方案训练样本的生成过程，并构造了泄洪闸方案优选的人工 神经网络拓扑结构；其次介绍了基于梯度下降法和l m 算法的网络训练，并对两种不 同的网络训练方法进行了比较；最后通过对训练好的网络仿真而得到了泄洪闸各方案网 络评价值，从而确定了最优方案。 第七章各模型优选结果比较 对层次分析模型、多级模糊优选模型、人工神经网络模型的优选结果进行了综合的 分析比较，确定了最后的北引渠首泄洪闸推荐方案。 第八章结论与展望 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 概括总结了本文的主要研究内容以及取得的成果，并对有待进一步研究的问题进行 了展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 北引渠首工程基本资料 2 1工程概况 2 1 1地理位置 北引渠首工程是尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省松嫩平原引嫩扩建骨干一 期工程中的首期工程，位于讷河市拉哈镇西北约7 0 k i n 处，尼尔基水库下游2 8 k m 的嫩 江干流上，见图2 1 。 2 1 2 水利工程现状 北引工程始建于1 9 7 2 年，1 9 7 6 年开始供水，为无坝引水工程，设计引水流量为5 0 m 3 s ，主要建筑物包括进水闸、引水渠、分水鱼咀、江道整治工程等。主要供给大庆市 居民生活和石油、石化等工业用水和北引灌区农业用水，北引工程为大庆石油、石化的 开发和发展做出了巨大贡献，现渠首引水条件恶化。 现有引水渠自分流鱼嘴处开始到进水闸前长4 2 5 m ，进水闸位于引渠桩号4 2 5 m 处， 现有进水闸为3 孔，每孔宽6 0 m ，开敞式闸。 嫩江干流北引渠首处有拉哈镇至查哈阳公路横亘嫩江，路面高程1 7 7 7 2 m - - 18 0 7 2 1 1 1 。主槽靠近左岸，河道右岸为广阔滩地，右侧滩地串沟处有溢流坝长3 0 0 m ，分别位 于桩号4 + 3 3 6 - 4 + 5 3 6 、4 + 7 4 6 - - 4 + 8 4 6 处，前者长2 0 0 m ，现为过水路面，地面高程为1 7 5 o m ，后者长l o o m 为河汉，现有公路桥一座，桥下地面高程为1 7 1 5 m ，桥长l1 8 m ， 桥面高程在1 8 0 7 0 m 左右。 北引渠首现为无坝引水工程，江道及河滩建筑物主要为河道整治工程。渠首上游的 黄林套子东、西支之间于2 0 世纪7 0 年代修建了固滩工程，并在东支先后建成上下两道 锁坝，西支凹岸与下游三江口弯道凹岸建成了护岸工程，形成“s ”型弯道，以利引水口引 水。1 9 9 8 年大洪水对河势造成较大影响，为控制并恢复原有江道河势，使引水口处于弯 道顶冲范围内，于黄林套子下端与三江口弯道衔接处左岸设置导流顺坝一座，长3 0 0 m ， 并在垂直于导流顺坝延长线的三江口弯道右岸设置三座丁坝，在引水口下游主江道上设 置二道固床潜坝，坝顶高程1 7 1 5 0 m ，长度分别为2 3 9 m 和2 2 8 m ，在引水口上游护岸3 6 o m ，引水口下被洪水冲坏护岸修复2 2 0 m ，以达到稳定河势利于引水的目的。上述河道整 治工程已于2 0 0 3 年年底完成。 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 2 1 3 工程建设必要性 ( 1 ) 建设北引渠首工程是保证国家商品粮基地粮食安全、促进农村经济发展的需 要 按照中央的要求，根据规划区内农牧业发展状况及黑龙江省农业和农村经济结构 战略性调整意见，在粮食主产区重点建设旱涝保收、高产稳产基本农田。围绕增加农 民收入，进行农村经济结构和农业结构调整。大力发展特色绿色种植业，形成粮食、经 济作物、饲草饲料的三元种植结构。为实现这一目标，迫切需要建设引嫩扩建骨干工程， 使有限的水资源得到充分合理的利用，尽快改善灌区群众生活质量和生活水平。 一是商品粮基地建设的需要。北引供水区是我国重要农业生产基地，共有耕地4 0 2 万亩。2 0 0 5 年实际灌溉面积6 9 5 6 万亩( 含牧草灌溉7 2 8 万亩) ，仅占耕地面积的1 7 3 ，农业生产距离稳产高产的要求相差较远。2 0 0 5 年粮食单产只有1 5 7 t h m 2 ( 1 0 4 5 k g 亩) ，低于全省平均水平，由于北引现状为无坝引水，农业用水保证率低，遇枯水年 一是工程引不进水，二是工业用水挤占农业用水。以北引为例，2 0 0 0 年发生春季干旱， 5 月份平均引水量1 6 m a s ，6 月份平均引水流量1 5 9 m 3 s ，只是设计流量的3 2 左右， 为保证城市居民和工业供水不得不降低农业供水量，致使北引管理处不敢和农民签定供 水合同，否则遇到干旱年供不上水，按合同还要赔偿农民损失。北引供水区现状地表水 灌溉面积6 9 5 6 万亩，一期工程建设后，灌溉面积可达到1 4 6 1 6 万亩，其中粮食作物面 积1 3 0 5 0 万亩。 二是保证畜牧业发展的需要。我国著名乳业品牌伊利乳业和光明乳业，都在规划供 水区内建有养殖基地和加工企业，并都已成为地方经济的支柱企业；在我省乳业生产中 占有重要地位的著名的乳业集团大庆乳业集团和红星乳业集团，均在规划供水区范围内 进行养殖并开办加工企业。由于这些企业的不断扩大经营，带动了我省西部地区畜牧业 的快速发展。预计到2 0 1 5 年该地区畜牧业将有较大幅度的增长。 规划区内牧草面积9 5 3 万亩，牧业发达，牧草品质优良，远销国外，由于受水资源的 限制，区内牧草、饲料及草原未进行灌溉，产草量、饲料产量均较低。以往对草场重利用， 轻建设，加之连年干旱，草场生态遭到破坏，草场退化、碱化、沙化现象日趋严重，致使 草场载畜量下降，影响畜牧业的发展。一期工程建设完成后，牧草灌溉面积1 5 4 9 万亩， 载畜量达到8 7 3 8 万头( 大、小牲畜) 。 三是贫困县脱贫的需要。规划区内有国家级贫困县林甸县、杜蒙自治县，省级贫困 县富裕县、明水县、青冈县、肇源县。这些贫困县的农民人均毛收入仅11 2 4 元，只有 本区其他市县的5 0 。导致贫困的主要原因是水资源匮乏，生产生活条件差，水利基础 大连理工大学硕士学位论文 设施差，抵御自然灾害的能力脆弱。根据黑龙江省水利扶贫规划制定的目标：尽快 解决贫困人口温饱问题，消除绝对贫困。计划2 0 0 5 年贫困人口人均纯收入达到1 6 0 0 元 以上；到2 0 1 0 年贫困村全部脱贫，为贫困人口实现小康创造条件。扶贫减灾必须优先 解决水资源问题，从可持续发展的战略高度看，把解决由于缺水导致贫困和生态恶化的 问题放在我省西部地区扶贫的突出位置是十分必要的。 ( 2 ) 北引渠首工程是东北老工业基地调整改造的需要 北引渠首工程是大庆等老工业基地调整改造和资源衰竭城市经济转型的需要。也是 实现黑龙江省委省政府大力建设哈、大齐经济带，推动我省西部地区经济社会快速协调 可持续发展的需要。 大庆是我国重要的石油、石化生产基地，在黑龙江省乃至全国有着及其重要的地位， 未来十五年是大庆二次创业的重要历史阶段，主要任务是完成高科技现代化生态城市建 设目标，并梯次推进周边农村现代化，目前已具备区域中心城市的地位和经济规模，加 上区内的主要城市齐齐哈尔、讷河、安达等城市的快速发展，带动黑龙江西部地区国民 经济持续快速增长并对全省经济的增长起到强劲的促进作用。大庆市随着石油产量的衰 减，大庆可持续发展面临着转型。根据大庆市发展总体目标，大庆市将建成高科技现代 化生态城市。国民经济持续增长，综合实力进一步增强，基本具备中心城市的经济规模。 国民生产总值年均增长8 ，第一、第二、第三产业结构比重调整为6 ：7 0 ：2 4 。工业 结构比重( 石油工业、石化工业即替代产业和其它工业) 调整为4 2 2 6 3 2 。大庆老工 业基地调整改造重点在石油石化、食品工业、医药工业、建材工业和高科技产业。相继 有一大批重点项目要完成扩建改造任务，都需要有供水安全作保证。 安达市是松嫩平原一个较大的县级市，位于松嫩平原的安达闭流区，地表径流很少， 地下水超采，近年来，工农业发展较快，城市供水量严重不足，引入嫩江水作为供给城 市工业及居民生活用水的水源非常迫切。 综上所述，现有引嫩供水工程的引水量已无法满足供水需求，将制约本区经济社会 的发展，将无法保障大庆等东北老工业基地调整改造的需要。急剧增加的用水需求，迫 切要求扩建引嫩骨干工程，北引渠首是引嫩骨干工程中骨干工程。 ( 3 ) 北引渠首工程是促进松嫩低平原地区生态环境良性发展保证生态省和生态市 建设的需要 松嫩低平原的生态环境较脆弱。由于降雨少，蒸发量大，工农业发展迅速，水污染 严重，使该地区生态环境不断恶化。该区长期以来，存在干旱缺水、开发利用无序、忽 视生态环境等问题，地表植被退化，风蚀荒漠化扩大，地下水位快速下降，许多湖泡已 经萎缩，甚至干枯，区内的乌裕尔河、双阳河经常断流等现象日趋严重。 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 大庆市地下水源是城市工业及居民生活用水的主要水源之一，从6 0 年代中后期开 始大规模开采地下水，使大庆市地下水降落漏斗面积达5 5 6 0 k m 2 ，地下水水位下降最深 达4 1 m 。目前已经出现局部地区地面沉陷等灾害地质问题。 大庆市主城区的1 5 3 个泡沼，丰水年滞蓄洪水，平、枯水年经常处于干枯状态，水 质偏碱多盐，当地人称之为“碱沟”，目前主要为工业污水、油田排水的承泄区，由于得 不到新鲜水的补给，环境容量越来越小，自净能力越来越差，水污染日益加剧。近期按 治理目标，主要满足主城区6 8 个湖泡用水。经预测近期6 8 个主城区湖泡生态环境需水 1 0 7 x 1 0 8 m 3 ；北引渠首工程建成后，生态需水会得到基本满足，大庆城市环境会得到明 显改善。 大庆市区内主要排水干线西部支河、中央支河、东部支河和东二支河及其所属的泡沼 组成的河网水系，称为四条支河，它即承担防洪排水任务，有承担排污任务，由于得不到 补充，环境容量越来越小，自净能力越来越差，造成水体水质恶化。为了改善4 条支河的 水环境质量，在加强污染源治理、实现废污水达标排放的基础上，必须引入清洁水补充其 所需的环境用水，以增加其环境容量和自净能力，经预测4 条支河2 0 1 5 年生态需水量为o 9 8 x 1 0 s m 3 ，2 0 3 0 年生态需水量为1 0 7 x l o s m 3 ，渠首工程运行后，清洁环境用水的引入，加 速了大庆市水环境综合整治的开展。 为使该区经济可持续发展，离不开人口、资源、经济和环境的协调发展。良好的生 态环境是经济社会协调可持续发展的基础。因此，要维持该区生态环境不再退化，并逐 渐改善、发展和提高脆弱生态系统对社会经济活动的支撑强度和能力，努力实现新时期 治水新思路，走可持续发展水利之路，扩建引嫩骨干工程是十分必要的。 ( 4 ) 北引渠首工程的建设是充分发挥尼尔基水利枢纽综合利用效益的需要 尼尔基水利枢纽位于嫩江干流上，是嫩江干流上唯一的一座控制性工程，水库控制面 积占嫩江干流面积的2 2 4 ，控制水量占嫩江多年平均径流量的4 5 7 ，兴利库容为5 9 6 8 x l o s m 3 。尼尔基水利枢纽的建设任务是以防洪、城镇生活和农业供水为主，结合发电，兼 有改善下游航运及生态环境的大型水利枢纽，引嫩扩建骨干工程的建设，具有显著的城市 供水效益、农牧业灌溉效益和生态效益，同时它也是尼尔基水利枢纽效益的一部分。 尼尔基水利枢纽建成后，根据规划，其灌溉供水范围北起尼尔基水库坝址，南到三 岔河，分配给黑龙江省多年平均引嫩水量为2 8 8 9 x 1 0 8 m 3 。北中引工程自上世纪7 0 年代 开始兴建，现已运行3 0 余年，原设计的引水能力北引为4 9 x 1 0 8 m 3 。中引为5 0 1 0 8 m 3 。 中引1 9 9 6 年扩建后设计引水能力达到1 0 2 x 1 0 8 r l l 3 ，北中引合计引水能力1 5 1 x 1 0 8 m 3 。 经多年运行，北中引现状工程条件下的引水能力仅为1 2 4 0 x 1 0 8 m 3 。尼尔基水库建成后， 大连理工大学硕士学位论文 北中引现状工程条件下引水能力增加到1 2 6 3 1 0 8 m 3 ，比尼尔基水库建成前引水能力只 增加0 2 3 x 1 0 8 m 3 。为使尼尔基水库尽快发挥效益，黑龙江省引嫩骨干工程急需进行改扩 建。现有工程在有尼尔基水库调节的情况下，北中引多年平均供水量1 2 6 3 x 1 0 8 m 3 ，枯 水年c o = 7 5 ) 1 1 5 1 0 8 m 3 ；特枯水年( p = 9 5 ) 8 2 x 1 0 8 n 1 3 。与无尼尔基相比，多年平均增加 0 2 3 x 1 0 8 m 3 ，平水年增加最多为0 6 x 1 0 8 m 3 ；而枯水年、特枯水年增加0 4 - - - , 0 3 x 1 0 8 岔。 因此，现状北中引工程不能满足规划区2 0 1 5 年大庆市经济发展对水资源的需求，更无 法满足2 0 3 0 年经济发展对水资源的需求。 一期工程的建设任务是既要满足大庆等老工业基地调整改造、松嫩平原建成商品粮 基地、松嫩平原及大庆生态市建设的需要；同时又要满足黑龙江省经济社会发展总体目 标的需要，即经济持续、快速、健康发展，提供水资源的支撑和保障作用。现有工程引 水量远远无法满足近期经济发展的用水需求，必须修建尼尔基水利枢纽配套项目一黑龙 江省引嫩扩建骨干工程，尤其是要首先修北引渠首，即使不修建其他工程的情况下，修 建北引渠首也能增加引水量，为城市和农业灌溉供水，也为其他工程的建设提供了引水 保证，因此，先修建北引渠首至关重要，应作为首期工程。 引嫩骨干工程北引槊首泄洪闸方案优选研究 圈21 北引集首工程地理位置图 大连理工大学硕士学位论文 22 工程布置 工程总体布置咀选定泄洪闸位置为核心，泄洪闸布设在主河槽上，左侧预留船闸位 置，泄洪闸与进水闸之间地势较低，用土坝连接，进水闸以左将原拉哈堤防改建为土坝 接太和堤。泄洪闸以右地势低于1 7 62 0 m 的河叉布置溢流坝，共三处，其余皆利用拉查 公路整形护砌为固滩，与内蒙古汉古尔堤防连接，如图2 2 所示。 图22 北引渠首工程平面布置示意图 f i g 2 2 t h el a y o u ts c h e m a t i cd i a g r a mo fb e i y i n q u s h o up r o j e c t 23 基本资料 231 引言 北引渠首工程泄洪闸方案优选所应用的基本资料涉及了水文、测量、工程地质等很 多方面，数据量十分庞大，本文仅给出建立在这些基础资料上的阶段性成果2 5 - 2 9 ，以供 各模型进一步优选所用。 232 调洪成果 北引渠首断面两岸堤防相距5 5 9 25 m ，主槽宽约2 2 6 m ，滩地高程基本位于1 7 00 0 m 以上。北引渠首工程泄洪建筑物包括泄洪闸、溢流坝，当洪水位高于1 7 7 o o m 时，滩 地也可参与行洪。 根据渠首工程的布置和特点，可将北引渠首拦河闸坝分为三部分，即泄洪闸、溢流 坝和滩地固滩工程，其中泄洪闸底坎高程为1 6 9o o m ，溢流坝顶高程为1 7 70 0 m ，滩地 霹 瓣 。，、 引嫩骨干工程：1 1 月1 渠首泄洪闸方案优选研究 及固滩工程结合地形条件，概化成宽顶堰形式，堰顶高程分别为1 7 7 1 0 m 、1 7 8 7 0 m 和 1 7 8 0 0 m 。闸、坝行进流速及滩地流速均采用数学模型计算成果，然后按宽顶堰公式做 出渠首工程泄流曲线，再根据洪峰流量即可推求相应洪水水位，详见表2 1 【2 5 1 。 表2 1 北引渠首设计洪水位 t a b 2 1t h ed e s i g nf l o o dl e v e l o fb e i y i n q u s h o up r o j e c t 9 哿篙嚣( 鬻m 3 s ，替蔷1 f 鬻钉 方 案2 2 47 2 3 五 2 03 9 8 01 7 7 4 4 61 7 7 3 9 5 3 9 8 13 5 0 93 4 21 2 8 1 05 8 4 01 7 8 0 9 11 7 7 9 9 95 8 4 14 2 1 91 0 8 0 5 4 0 ， 57 7 7 01 7 8 6 6 41 7 8 5 4 27 7 7 14 7 8 61 8 5 711 2 6 29 0 5 01 7 9 0 0 717 8 8 7 29 0 5 15 1 0 02 3 5 61 5 9 3 11 1 2 0 01 7 9 4 9 01 7 9 3 3 911 2 0 05 5 1 73 0 9 5 2 5 8 7 q ：蔓! 至兰q q1 2 2 ：鱼2 21 2 皇：量兰墨1 2 三q q主2 垒! 三堑墨三q 2 q 2 3 3 嫩江干流水面线成果 嫩江干流水面线以水文站实测水位流量关系控制，试算河道槽率，采用简化非均匀 流公式分段推求河道现状水面线，详见表2 2 1 2 9 。 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 表2 2 嫩江干流现状水面线成果表 t a b 2 2t h ew a t e rs u r f a c el i n ea c h i e v e m e n tt a m eo fm a i ns t r e a mo fn 锄r i v e r 竺! 竺兰二二鐾差二二 曼亘区二二至互互二二 主叁 二二耋多差兰二至互亘 夏 北引渠首 2 7 7 5 01 7 9 5 41 7 9 3 31 7 8 8 7 1 7 8 5 41 7 7 9 91 7 7 3 9 c s 嫩6 1 2 7 0 0 01 7 9 7 41 7 9 5 11 7 9 0 5 c s 嫩6 2 5 0 0 01 8 0 2 11 7 9 9 81 7 9 5 1 o f , 嫩52 0 1 0 01 8 1 5 51 8 1 3 41 8 0 8 8 c s 嫩4 1 5 6 0 01 8 2 5 71 8 2 3 31 8 1 9 0 c 8 嫩3 1 1 0 0 01 8 4 1 31 8 3 8 91 8 3 5 2 c s 嫩2 7 3 0 01 8 5 2 51 8 5 0 01 8 4 6 0 c s 嫩1 3 4 0 01 8 6 4 31 8 6 2 01 8 5 7 7 布西站0 18 7 9 41 8 7 7 118 7 2 3 1 7 8 7 3 1 7 9 1 8 1 8 0 5 8 8 1 8 3 8 4 8 5 8 5 5 4 6 0 7 7 1 8 7 2 3 1 7 8 1 9 1 7 8 6 7 1 8 0 1 7 1 8 1 5 4 1 8 3 2 6 1 8 4 2 6 1 8 5 4 0 1 8 6 8 0 1 7 7 5 6 1 7 8 0 7 1 7 9 6 8 1 8 1 2 2 1 8 3 0 2 1 8 3 9 2 1 8 5 0 0 1 8 6 2 0 2 3 4 各方案主要工程量及投资 各方案主要建筑物控制指标及主要工程量、投资见表2 3 【2 5 1 。 表2 3 北引渠首各方案主要工程量及投资表 t a b 2 3t h em a i ne n g i n e e r i n gq u a n t i t ya n di n v e s t m e n tt a b l eo fe a c h s c h e m eo fb e i y i n q u s h o up r o j e c t 1 5 一 引嫩骨干工程北引渠首泄洪闸方案优选研究 续表2 3北引渠首各方案主要工程量及投资表 t a b 2 3t h em a i ne n g i n e e r i n gq u a n t i t ya n di n v e s t m e n tt a b l eo fe a c h s c h e m eo fb e i y i n q u s h o up r o j e c t 部位项目 工程量 单位 1 6 01 9 21 9 61 9 8 2 2 4 1 6 m 1 0 孔1 6 m 1 2 孔1 4 m 1 4 孔1 8 m 11 孔1 6 m 1 4 孔 土方 m 42 3 3 6 4 02 3 318 02 3 318 02 3 2 7 2 02 3 2 2 7 0 投资小计万元8 4 3 8 79 8 0 2 61 0 2 4 0 41 0 1 4 9 7 11 2 7 8 4 2 3 5 模型试验的主要成果 为了确保黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程的安全运行和工程设计的科学合理，黑龙 江省水利水电勘测设计研究院委托中国水利水电科学研究院泥沙研究所和水力学研究 所进行了相关的模型试验，主要结论【2 6 。2 8 】有： 一1 6 9 l： 一一砒 9 3 i ；一一 9 5；， 一一| 蒌一 9 5；， 一| 蒌一 9 8 7 )一一 4 4 一刀 一甘暑。朊构方方筋结金石砼钢属 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 从有坝和无坝两种取水方案的试验结果可以看出，无坝引水不能控制河道水 位和流量，枯水期引水保证率低，难以满足设计要求，建议本次扩建工程采用有坝取水 方案。 ( 2 ) 从河道水位、主流线变化及流速分布等几个方面来看，当嫩江来流量较小时， 泄洪闸的控制运用对嫩江水位和水流流速的影响较为明显，此时，全闸方案或闸坝方案 与全坝方案基本类似；当嫩江来流量较大时，泄洪闸敞开运用，全闸方案或闸坝方案对 嫩江水位、主流线、水流流速及床面冲淤的影响均不大，全闸方案略优于闸坝方案；而 全坝方案对水位、主流线、水流流速及