三峽水庫減淤調(diào)度方案探討

徐 楊，張先平(.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 44300；. 長江水利委員會長江勘測設計研究院，武漢43000)

泥沙問題是三峽工程關注的重點之一。為有效控制水庫淤積，延長水庫使用壽命，三峽水庫采取了“蓄清排渾”的運用方式，即在汛期降低壩前水位運用，將大量泥沙排向下游，減少水庫淤積[1]。然而，為全面提高三峽工程綜合效益，滿足上下游對三峽水庫的調(diào)度需求，三峽水庫近些年進行了大量的優(yōu)化調(diào)度與實踐，導致變動回水區(qū)泥沙淤積有所加大；雖然水庫蓄水以來入庫沙量較設計論證階段明顯減小，庫區(qū)泥沙淤積大為減輕，增加的淤積總量未超過初設階段的預估值，但泥沙問題仍是社會廣泛關注的焦點。同時，隨著壩前水位的逐漸抬高，重慶主城區(qū)河段天然的沖淤規(guī)律發(fā)生變化，整體呈累積性淤積態(tài)勢，一些重點河段局部的淤積已影響了航行安全等。因此，三峽水庫有必要在弄清蓄水運用以來水庫泥沙變化規(guī)律的基礎上，開展減淤調(diào)度試驗，在不降低水庫綜合效益的同時，減小水庫泥沙淤積。

1 三峽水庫蓄水運用以來泥沙淤積特性

1.1 三峽水庫來沙特性

20世紀90年代以來，長江上游徑流量略有減少，受降雨條件變化、水利工程攔沙、水土保持減沙和河道采砂等影響，入庫沙量減少趨勢明顯[2]。進入21世紀后，三峽上游來沙減小趨勢仍然持續(xù)。2003-2012年三峽年均入庫(朱沱+北碚+武隆)沙量為2.028億t，為1991-2000年系列年均入庫沙量3.682 億t的55.1%，更是1961-1970年系列年均入庫沙量5.418 億t的37.4%。來沙的年內(nèi)分布有向汛期更為集中的態(tài)勢；長江上游各支流來沙下降幅度不同，嘉陵江下降最為明顯，其流域已從上游第一產(chǎn)沙區(qū)退至第二，岷江來沙目前為上游各支流中(除金沙江)最大者。預計未來10～30 a的三峽入庫沙量將降至年均1.5億t左右。

1.2 三峽水庫泥沙淤積特性

三峽水庫運用改變了原河道泥沙沖淤特性和規(guī)律，水庫運行后泥沙在水庫大量落淤[3]。根據(jù)2003-2012年懸移質輸沙量法統(tǒng)計，入庫泥沙有近75.6%在水庫淤積。然而三峽水庫蓄水運用以來入庫泥沙大幅減小，三峽庫區(qū)泥沙淤積較初步設計值大為減輕。2003-2012年，不考慮三峽庫區(qū)區(qū)間來沙，水庫淤積泥沙14.368億t，近似年均淤積泥沙1.44億t，僅為論證階段的39%左右(見圖1)。從淤積分布上來看，三峽水庫絕大部分泥沙淤積在水庫145 m水面線以下的庫容內(nèi)，且水庫泥沙淤積逐漸向上游發(fā)展。從淤積時間來看，水庫淤積主要集中在汛期和蓄水期。

圖1 三峽歷年進出庫泥沙與水庫淤積量Fig.1 The Sediment deposition capacity change of the TGP

1.3 三峽水庫排沙比特性

水庫排沙比反映了水庫淤積的相對程度。對于特定的水庫，排沙比的大小與來水來沙特性(洪水的大小與過程，泥沙的多少、時程分布及粗細等)和運行條件(特別是蓄水位)等密切相關[4]。三峽水庫蓄水以來，隨著壩前水位的抬高，水庫排沙比也在降低。三峽工程圍堰發(fā)電期水庫排沙比為37%，初期運行期水庫排沙比為18.8%，而在三峽水庫175 m試驗性蓄水后，水庫排沙比僅為16.1%，排沙比下降的主要原因就是蓄水位的變化，特別是汛期壩前水位較前有所提高(見圖2)。從排沙比內(nèi)分配來看，排沙比最大的是汛期，汛期三峽水庫排出的沙量占全年排出沙量的80%以上；其次是蓄水期，水庫排出的沙量占全年排出沙量的10%左右。

圖2 三峽歷年平均庫水位與水庫排沙比Fig.2 Change process of sediment diversion ratio and water level

1.4 重慶主城區(qū)河段沖淤特性

三峽水庫試驗性蓄水以來，重慶主城區(qū)河段累計沖刷558萬m3，其中灘沖142.5萬m3，槽沖415.5萬m3。從淤積分布看：長江干流朝天門以上河段、嘉陵江河段分別為沖刷，長江干流朝天門以下河段泥沙少量淤積泥沙。同時，重慶主城區(qū)河床沖淤規(guī)律發(fā)生了一些新的變化。主要表現(xiàn)在：一是汛期河床淤積量有所減少、河道采砂影響日益嚴重；二是重慶主城區(qū)河段天然情況下汛后河床沖刷較為集中的規(guī)律則被水庫充蓄、水位壅高、流速減緩的新情況所改變，河床也由天然情況下的沖刷轉為以淤積為主，汛后的河道沖刷期相應后移至汛前的消落期。

2 三峽水庫減淤調(diào)度方案研究

根據(jù)三峽水庫蓄水運用以來泥沙淤積特性和近年來三峽減淤調(diào)度方面的實踐，本文將三峽水庫全年運行期分為汛期、蓄水期、消落期3個時期，根據(jù)各時期的來水來沙、淤積及調(diào)度運行特性，通過模型計算和調(diào)度實踐分析，探討三峽水庫不同運行期的減淤調(diào)度方案。

2.1 三峽水庫汛期減淤調(diào)度方案研究

三峽入庫泥沙主要集中在汛期，汛期水庫來沙量占全年來沙量比例基本在70%左右，汛期排沙量基本占全年排沙量的比重在80%以上，從汛期入庫沙量、出庫沙量占全年排沙量的比重等看，開展汛期減淤調(diào)度對減少水庫泥沙總淤積量有重要意義。

三峽建庫后，由于水位壅高，無論是變動回水區(qū)還是常年回水區(qū)，汛期普遍落淤。另外，水庫試驗蓄水以來，汛期實施了多次中小洪水優(yōu)化調(diào)度，平均庫水位較汛限水位偏高，水深加大，流速減緩，水流挾沙能力減小，易達到超飽和狀態(tài)，導致泥沙淤積在庫區(qū)。例如，中小洪水攔蓄較多的2010、2012年汛期，泥沙監(jiān)測計算的結果表明，優(yōu)化調(diào)度運行比初步設計調(diào)度運行導致庫區(qū)多淤積泥沙約1 830、3 336萬m3。

同時，受汛期壩前平均水位偏高、入庫流量偏小和汛末提前蓄水等因素綜合影響，三峽水庫排沙效果有所減弱，2003-2012年汛期水庫平均排沙比為23.6%，低于論證階段的31.6%，低于“九五”攻關階段的32.7%～33.5%，更低于“十五”攻關階段的43%～44%。然而，三峽水庫蓄水以來汛期水庫平均排沙比雖然較低，場次洪水的排沙比卻較高。研究表明汛期主要1～3次大洪水過程排出的泥沙可占主汛期和全年出庫沙量的50%～90%，因此，如何充分利用主汛期來水來沙和壩前水位組合排沙，是水庫排沙出庫的主要途徑。

通過選取2003年6月-2011年12月三峽水庫34場汛期洪水資料，采用逐步回歸的方法對汛期場次洪水排沙比SDR與入庫流量Qin、入庫沙量S、滯洪庫容V(為壩前某一水位下的總庫容，可根據(jù)水位庫容曲線求出)等影響因素關系進行統(tǒng)計，建立回歸方程，結果表明：入庫流量和滯洪庫容大小對汛期場次洪水排沙比起主要作用。采用2012年6月21日-8月20日水庫沙峰排沙調(diào)度試驗資料模擬驗證，模型計算結果與實測值基本相符，因此三峽水庫汛期場次洪水排沙比調(diào)度應根據(jù)入庫流量和壩前水位進行調(diào)節(jié)。

為加大汛期水庫的排沙效果，2012、2013年三峽水庫進行了汛期減淤調(diào)度試驗，主要調(diào)度方式是在防洪削峰調(diào)度的基礎上，利用入庫洪峰、沙峰在水庫內(nèi)傳播時間的差異，當洪峰過后沙峰到達壩前時，加大水庫泄量，將沙峰排出庫外。汛期三峽水庫的減淤調(diào)度試驗一方面減輕了長江中下游的防洪壓力，另一方面增加了水庫的排沙效果，減少水庫淤積，取得了較好的成效。2012、2013年7月場次洪水排沙比大部分高于30%，月平均排沙比達28%、26.8%(見表1)。

表1 2012年7月三峽水庫場次洪水排沙比統(tǒng)計表Tab.1 The flood sediment diversion ratio in July 2012

綜上所述，三峽水庫汛期減淤調(diào)度原則是在滿足防洪、發(fā)電、航運等綜合利用的基礎上，兼顧減淤調(diào)度。目標是增大水庫排沙比，減少水庫總淤積量。針對長江來水來沙集中的特性，水庫的減淤調(diào)度主要追求汛期場次洪水的高排沙比。汛期減淤調(diào)度方式為：

(1)當汛期入庫洪峰流量小于2.5萬m3/s時，可不開展水庫減淤調(diào)度。

(2)汛期入庫洪峰流量在2.5～4.0萬m3/s之間，當開展中小洪水調(diào)度時，一般情況下水庫滯洪最高水位應不超過157 m，且下泄流量不低于2.5萬m3/s。

(3)預報汛期入庫洪峰流量將達到4.0萬m3/s以上，寸灘站含沙量達到2.0 kg/m3及以上，當庫水位在146.0 m以上，且中下游對三峽水庫無防洪需求時，建議按4.2～4.5萬m3/s下泄，以盡量利用低水位排沙減淤。

(4)汛期沙峰調(diào)度：當寸灘洪峰流量將超過5.0萬m3/s，且寸灘站出現(xiàn)2.0 kg/m3及以上含沙量時，三峽水庫應在不超過5 d的時間以內(nèi)，逐步加大下泄流量，之后維持此流量下泄直至黃陵廟站出現(xiàn)沙峰之后3 d，3 d之后再視出庫含沙量及庫水位情況擇機結束沙峰調(diào)度，沙峰調(diào)度過程中應盡量維持在低水位運行。

2.2 三峽水庫蓄水期減淤調(diào)度方案研究

三峽水庫試驗性蓄水運行以來，蓄水期來沙量占全年來沙量比例在25%左右，排沙量占全年排沙量比重的10%左右。蓄水期排沙量雖然低于汛期排沙量，但遠高于消落期排沙量。三峽水庫蓄水期入庫沙量、排沙量仍較大，加之近幾年對水庫蓄水過程的優(yōu)化，起蓄時間和起蓄水位有所提升，因此開展蓄水期減淤調(diào)度具有重要的意義。

三峽初步設計階段水庫按照“蓄清排渾”的調(diào)度原則，從有利于水庫排沙的10月初開始蓄水。然而，三峽水庫蓄水運用以來，上下游各用水單位對水庫蓄水期提出了新的要求，三峽水庫蓄滿與否也關系著水庫巨大綜合效益的發(fā)揮，因此近幾年批復的三峽水庫蓄水調(diào)度方案將蓄水期提前至9月10日，起蓄水位也有所提高(見表2)。蓄水時間的提前和起蓄水位的提高，增加了泥沙淤積量，特別對三峽水庫庫尾的泥沙淤積產(chǎn)生了一定的影響。蓄水期泥沙監(jiān)測的結果表明，隨著提前蓄水和壩前水位的抬高，回水范圍內(nèi)三峽庫區(qū)泥沙沿程落淤，淤積也逐漸向上游發(fā)展，水庫常年回水區(qū)和變動回水區(qū)局部河段淤積明顯。重慶主城區(qū)河段9月中旬至12月中旬天然情況下的沖刷逐漸被淤積所替代，每年汛后的河床沖刷期相應后移至次年汛前庫水位的消落期，但沖刷不完全，呈累積性淤積態(tài)勢。

表2 2008-2013年三峽水庫蓄水情況表Tab.2 Reservoir filling process of the TGP from 2008 to 2013

通過擬定不同蓄水調(diào)度方案(參照國家防總批復的歷年汛末蓄水計劃，對起蓄時間、9月上旬及9月底的控制水位進行擬定)，選取2010-2012年蓄水期來水來沙過程，開展三峽水庫蓄水期不同調(diào)度方案的泥沙沖淤計算，結果表明：通過控制蓄水進程，可改變水庫的泥沙淤積分布，適當減少淤積量。

綜上所述，蓄水期減淤調(diào)度原則與目標為：在確保實現(xiàn)蓄水目標的同時兼顧減少水庫泥沙淤積；通過水庫調(diào)度，有效控制泥沙淤積在庫尾的分布，并在一定程度上減少水庫泥沙淤積總量。蓄水期減淤調(diào)度方式為：

(1)為減少變動回水區(qū)泥沙淤積，汛末開展預報預蓄試驗性蓄水時，9月10日壩前水位應控制在150～155 m之間。8月下旬，當預報來水來沙均較大時，應盡量不蓄水或少蓄水；9月1-10日，當預報入庫洪峰流量在3.5萬m3/s以上，且寸灘站有約2.0 kg/m3及以上的沙峰入庫時，水庫應暫停蓄水直至沙峰出庫。

(2)9月10-30日期間，當壩前水位已達到160～162 m，入庫洪水洪峰達到2.5萬m3/s以上，同時預報入庫沙量仍較大時，應放緩水庫蓄水進程。

(3)9月30日控制壩前水位在165 m附近。當預報入庫泥沙較少，泥沙沖淤計算9月30日壩前水位在165～168 m之間的水庫淤積影響差別不大時，則9月30日壩前水位可考慮適當抬高，控制在168 m以內(nèi)。

2.3 三峽水庫消落期減淤調(diào)度方案研究

消落期(前一年11月至次年5月)三峽水庫來沙量占全年(前一年11月至次年10月)來沙量的5 %左右，遠低于汛期和蓄水期來沙量；排沙量占全年水庫排沙的比重基本上在5%以內(nèi)，排出庫外的泥沙很少。從消落期入庫沙量、出庫沙量占全年排沙量的比重以及消落期排沙比等看，消落期減淤調(diào)度應以優(yōu)化水庫泥沙淤積分布為主。

三峽水庫175 m試驗性蓄水后，隨著水庫回水范圍向上游延伸，庫區(qū)泥沙淤積也逐漸向上游發(fā)展。2008年汛末三峽水庫進行試驗性蓄水后至2012年10月，奉節(jié)以上庫段年均淤積泥沙占庫區(qū)總淤積量的78.3%。其次，試驗性蓄水后，汛后10-12月變動回水區(qū)泥沙淤積量增多，淤積比重增大。2008-2012年10-12月涪陵以上庫段淤積泥沙占庫區(qū)同期總淤積量的比重達到60%～90%。重慶主城區(qū)同期泥沙觀測成果亦表明，汛后河床由天然情況下的沖刷轉為以淤積為主，河道沖刷期相應后移，主要走沙期改為次年汛前消落期。

為減少庫尾淤積、增大汛前消落期的庫尾走沙能力，盡可能的將淤積的泥沙沖往常年回水區(qū)，優(yōu)化庫區(qū)淤積分布。針對不同寸灘來水來沙和壩前水位組合，采用三峽水庫干支流河道一維非恒定流水沙模型開展泥沙沖淤模擬計算[5]，結果表明：三峽庫尾走沙需滿足寸灘站流量級大于5 000 m3/s，壩前水位低于163 m，日均消落幅度不小于0.2 m，且寸灘流量越大，沖刷效果越好。

根據(jù)相關研究成果，2012、2013年5月在上游來水條件和庫水位較好的情況下，三峽水庫開展了庫尾減淤調(diào)度試驗。兩次減淤調(diào)度期間三峽水庫庫尾均整體呈沿程沖刷，其中，2012年重慶大渡口～涪陵段河床沖刷量為241.1萬m3，2013年減淤調(diào)度期間實測沖刷量大于2012年減淤調(diào)度期間實測沖刷量，庫尾大渡口～涪陵段河床沖刷量達到441.3萬m3，其中：長江干流段沖刷量為409.7萬m3，嘉陵江段沖刷量為31.6萬m3(見圖3)。兩次減淤調(diào)度取得了初步成功，為今后再次實施庫尾河段減淤調(diào)度試驗打下了良好的基礎。

圖3 2012、2013年減淤調(diào)度期間庫尾河段沿程沖刷對比圖Fig.3 The alongshore erosion in reservoir head sediment discharge regulation experiment

綜上可見，恰當?shù)南淦跍p淤調(diào)度可改善變動回水區(qū)泥沙分布，對長期發(fā)揮水庫綜合效益有利。消落期減淤調(diào)度原則與目標為：應在滿足發(fā)電、航運等綜合利用的基礎上，兼顧庫尾泥沙減淤；通過增大汛前消落期的庫尾走沙能力，盡可能地將庫尾淤積的泥沙沖往常年回水區(qū)。消落期三峽水庫減淤調(diào)度方式為：

(1)減淤調(diào)度啟動庫水位和寸灘流量。消落期減淤調(diào)度啟動時，庫水位盡量在161～162 m附近，寸灘流量盡量在6 700 m3/s以上，在寸灘來水不理想時，寸灘5 000 m3/s流量亦可作為減淤調(diào)度的啟動條件。

(2) 調(diào)度啟動時間。消落期減淤調(diào)度宜放在汛前。為避免對發(fā)電、航運及水庫汛前騰庫防洪等方面帶來不利影響，且減淤調(diào)度需要一段持續(xù)消落的過程，消落期減淤調(diào)度的啟動時間最早為5月上旬。

(3)減淤調(diào)度期間的庫水位日降幅。為保留一定的調(diào)度靈活性，有利于庫尾走沙，庫水位日降幅宜在0.3～0.6 m之間。

(4)當三峽水庫消落期需要開展減淤調(diào)度而寸灘來水又不理想時，可通過上游溪洛渡、向家壩水庫適當增加泄水，以滿足減淤調(diào)度所需的寸灘流量條件，提高重慶主城區(qū)河段走沙能力。

3 結 語

為充分三峽工程綜合效益，有效控制水庫淤積，三峽水庫應在滿足防洪、發(fā)電、航運等綜合利用的基礎上，適當開展減淤調(diào)度。具體方式包括：①汛期結合水文泥沙預測預報，利用洪峰與沙峰在庫區(qū)傳播的時間差，盡量將沙峰排出庫外，減少水庫總淤積量；②優(yōu)化蓄水進程，盡量減少蓄水期水庫尤其是變動回水區(qū)的泥沙淤積；③汛前消落期，選擇合適的入庫來水過程和時機，利用庫水位的消落，將庫尾淤積的泥沙帶往常年回水區(qū)內(nèi)甚至帶出庫外。然而，本文針對三峽水庫提出的減淤調(diào)度方案屬初步探討，今后隨著減淤調(diào)度理論研究的完善以及減淤調(diào)度實踐的檢驗，減淤調(diào)度方案還應進一步優(yōu)化完善。

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[1] 蔡其華．三峽水庫科學調(diào)度應準確把握三個重要前提[J]．中國水利，2012，(14)：4-6．

[2] 李海彬，張小峰，胡春宏，等．三峽入庫沙量變化趨勢及上游建庫影響[J].水力發(fā)電學報，2011，(1)：94-99.

[3] 陳桂亞．三峽水庫運行調(diào)度技術研究與實踐[M]．北京：中國水利水電出版社，2013.

[4] 陳桂亞，袁 晶，許全喜．三峽工程蓄水運用以來水庫排沙效果[J]．水科學進展，2012，(3):355-362.

[5] 黃仁勇，黃 悅．三峽水庫干支流河道一維非恒定流水沙數(shù)學模型初步研究[J]．長江科學院院報，2009，(2):9-13.