三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式初探

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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢　430010；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌　443133)

1　研究背景

三峽水庫(kù)來(lái)水量大，含沙量相對(duì)較小，但年輸沙量較大，來(lái)水來(lái)沙大部分集中在汛期，水庫(kù)屬典型的河道型水庫(kù)，庫(kù)容系數(shù)小，初步設(shè)計(jì)確定三峽水庫(kù)采用“蓄清排渾”的運(yùn)用方式，汛期6月中旬—9月底除入庫(kù)流量大于下游河道安全泄量時(shí)攔蓄超額洪峰及水庫(kù)水位抬高外，一般維持在較低的防洪限制水位145 m運(yùn)行。汛末10月份初水庫(kù)開(kāi)始蓄水，逐步升高至正常蓄水位175 m運(yùn)行。三峽水庫(kù)采用汛期排沙、枯期蓄水的“蓄清排渾”調(diào)度方式，可保留較多的有效庫(kù)容，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)長(zhǎng)期使用。

根據(jù)《長(zhǎng)江三峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》研究成果[1]：“三峽水庫(kù)防洪限制水位150 m方案，防洪庫(kù)容還有196余億m3，尚基本滿足防洪要求。為慎重對(duì)待泥沙淤積問(wèn)題，初步設(shè)計(jì)階段推薦防洪限制水位以145 m為宜，而在水庫(kù)運(yùn)行的最初20～30 a內(nèi)，適當(dāng)抬高防洪限制水位，可增加發(fā)電收入，有利于三峽工程還貸，從泥沙淤積與航運(yùn)看也存在這種可能性，這一問(wèn)題可進(jìn)一步研究。”可見(jiàn)，泥沙問(wèn)題是三峽水庫(kù)汛限水位選擇145 m的重要原因。

三峽水庫(kù)2003年蓄水運(yùn)用以來(lái)，入庫(kù)水量特別是蓄水期入庫(kù)水量明顯減少，入庫(kù)泥沙呈趨勢(shì)性大幅度減小，水庫(kù)泥沙淤積遠(yuǎn)好于初步設(shè)計(jì)預(yù)期。在此背景下，為充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益，三峽水庫(kù)開(kāi)展了汛期運(yùn)行水位上浮、汛期中小洪水調(diào)度、汛末提前蓄水等優(yōu)化調(diào)度。其中汛期調(diào)度方式優(yōu)化問(wèn)題一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是一個(gè)需要深入研究的重要問(wèn)題。目前關(guān)于三峽水庫(kù)調(diào)度方式優(yōu)化、近期水沙變化及庫(kù)區(qū)淤積分析的研究較多[2-7]，但這些研究均沒(méi)有從支撐三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的角度出發(fā)，有針對(duì)性地去分析三峽水庫(kù)入庫(kù)水沙變化、庫(kù)區(qū)淤積及汛期調(diào)度方式優(yōu)化。本文對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后入出庫(kù)沙量特性變化進(jìn)行了分析對(duì)比，在此基礎(chǔ)上提出了三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的泥沙調(diào)度方式(汛期入庫(kù)沙量較小時(shí)抬高庫(kù)水位蓄清水，入庫(kù)沙量較大時(shí)降低庫(kù)水位排渾水)，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，研究成果可為三峽水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度提供參考。

2　三峽水庫(kù)汛期入出庫(kù)沙量特性變化分析

2.1　三峽水庫(kù)汛期入庫(kù)沙量變化分析

三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)干支流河道及主要水文站位置見(jiàn)圖1。表1為三峽水庫(kù)入庫(kù)(朱沱+北碚+武隆)沙量變化，給出了不同統(tǒng)計(jì)年份不同月份的日均輸沙量和日均含沙量變化。在三峽工程論證和初步設(shè)計(jì)階段[1,8]，采用的資料系列為1990年前長(zhǎng)系列值，其中水庫(kù)泥沙沖淤數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)計(jì)算和泥沙模型試驗(yàn)采用的是1961—1970年系列值。

圖1　三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)干支流河道及水文站位置

項(xiàng)目日均輸沙量/(萬(wàn)t)4月5月6月7月8月9月10月11月12月5—10月7—9月全年多年平均7.942.016443233525272.013.02.7216341111.01961—1970年15.071.0182533447402102.016.03.3289461149.01956—1990年10.057.019950339431289.013.02.7259404134.01991—2002年6.523.014938132218459.014.03.018629796.02003—2013年3.012.06024614612531.010.01.910417354.02012年2.312.04635210317128.02.00.711820960.02013年2.03.82333234112.01.00.66812735.02014年2.12.2134944654.31.30.6295215.02015年1.43.2262028186.20.70.417228.8項(xiàng)目日均含沙量/(kg·m-3)4月5月6月7月8月9月10月11月12月5—10月7—9月全年多年平均0.160.511.171.901.641.310.560.180.061.331.641.071961—1970年0.290.801.342.282.051.840.690.200.071.672.071.361956—1990年0.200.681.392.211.921.540.650.180.061.561.901.271991—2002年0.130.301.011.641.501.090.490.200.071.161.440.942003—2013年0.060.160.451.120.800.660.260.140.040.680.880.542012年0.050.120.381.010.540.810.210.030.020.650.840.532013年0.040.050.201.260.220.070.020.020.010.490.670.382014年0.030.030.110.240.210.270.040.020.010.180.240.142015年0.020.050.210.140.200.100.050.010.010.130.140.10

注：多年平均指1956—2013年

從三峽入庫(kù)日均輸沙量看，1991年以后各月入庫(kù)輸沙量均出現(xiàn)了明顯減小，2003—2013年各月輸沙量減小趨勢(shì)進(jìn)一步增加。向家壩和溪洛渡水庫(kù)分別于2012年和2013年開(kāi)始蓄水運(yùn)用，受上游溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水?dāng)r沙影響，2013年、2014年和2015年汛期入庫(kù)日均輸沙量進(jìn)一步大幅度減少。2013年汛期6月、8月、9月的入庫(kù)日均輸沙量分別為23萬(wàn)，34萬(wàn)，11萬(wàn)t，比1956—1990年及1961—1970年5月和10月的入庫(kù)日均輸沙量還要小，即此時(shí)的“渾水”比論證階段的“清水”還要更清一些，2013年僅7月的入庫(kù)日均輸沙量相對(duì)較大；2014年6—9月入庫(kù)日均輸沙量分別為13萬(wàn)，49萬(wàn)，44萬(wàn)，65萬(wàn)t，亦小于論證階段1961—1970年5月和10月的入庫(kù)日均輸沙量；2015年6—9月入庫(kù)日均輸沙量分別為26萬(wàn)，20萬(wàn)，28萬(wàn)，18萬(wàn)t，亦小于論證階段1961—1970年5月份和10月份的入庫(kù)日均輸沙量。

從三峽入庫(kù)日均含沙量看，1990年以前，不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段三峽入庫(kù)日均含沙量在1.0～1.5 kg/m3之間，屬于一般泥沙河流(根據(jù)規(guī)范，多年平均含沙量為1.0～10.0 kg/m3的河流為一般泥沙河流)，1991年以后三峽入庫(kù)日均含沙量已降至1.0 kg/m3以下，2013年、2014年、2015年入庫(kù)日均含沙量已分別降至0.38，0.14，0.10 kg/m3，三峽水庫(kù)已經(jīng)成為少沙河流水庫(kù)了。

2.2　三峽水庫(kù)汛期出庫(kù)沙量變化分析

表2為三峽水庫(kù)出庫(kù)(宜昌站、黃陵廟站)水沙量變化。由表2可見(jiàn)，與宜昌站1952—2002年相比，2003—2015年宜昌站年徑流量減小了8.2%，輸沙量減小了91.8%，汛期(5—10月份)和主汛期(7—9月份)徑流量占年徑流量的比重分別從79.0%和50.2%減小到了74.7%和47.6%，出庫(kù)徑流中汛期徑流比重在降低；汛期和主汛期輸沙量占年輸沙量的比重分別從96.4%和74.4%增大到了99.0%和92.9%，出庫(kù)輸沙量中汛期特別是主汛期輸沙量比重在增大，年出庫(kù)輸沙量更加集中于汛期特別是主汛期。2003—2015年出庫(kù)黃陵廟站汛期和主汛期徑流量分別占年徑流量的74.7%和47.8%，出庫(kù)黃陵廟站汛期和主汛期輸沙量分別占年輸沙量的99.1%和92.7%，主汛期出庫(kù)沙量非常集中。

表2　三峽水庫(kù)出庫(kù)(宜昌站、黃陵廟站)水沙量變化

2.3　三峽水庫(kù)汛期主要出庫(kù)沙峰過(guò)程出庫(kù)沙量分析

表3為三峽水庫(kù)主要出庫(kù)沙峰過(guò)程出庫(kù)沙量占汛期出庫(kù)沙量(6月10日—9月30日)百分比。由表3可見(jiàn)，三峽水庫(kù)汛期出庫(kù)沙量主要集中在1～2次大的出庫(kù)沙峰過(guò)程中，一次沙峰過(guò)程出庫(kù)沙量占6月10日—9月30日總出庫(kù)沙量的40%以上是普遍現(xiàn)象，其中2013年7月15日—7月31日這一次出庫(kù)沙峰過(guò)程的出庫(kù)沙量甚至占到了汛期6月10日—9月30日總出庫(kù)沙量的81.2%?？梢?jiàn)，有些年份入出庫(kù)沙峰非常集中，這也為開(kāi)展“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在汛期的動(dòng)態(tài)使用提供了有利條件。

表3　三峽水庫(kù)主要出庫(kù)沙峰過(guò)程出庫(kù)沙量占汛期(6月10日—9月30日)百分比

三峽水庫(kù)汛期入出庫(kù)沙量特性變化的實(shí)測(cè)資料分析表明，三峽入出庫(kù)沙量大幅度減小，入出庫(kù)沙量更加集中于汛期，尤其是主汛期，主汛期入出庫(kù)沙量主要集中于1～2次相對(duì)較大的沙峰過(guò)程中，這一變化特點(diǎn)非常有利于開(kāi)展“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在汛期的動(dòng)態(tài)使用。因此，汛期入出庫(kù)沙量的大幅減少和輸沙時(shí)間的更為集中為三峽水庫(kù)開(kāi)展汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用提供了基礎(chǔ)和前提條件。

3　三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式初步分析

3.1　防洪風(fēng)險(xiǎn)分析

按照初步設(shè)計(jì)的汛期調(diào)度方式，電站運(yùn)行水頭低，發(fā)電出力受阻，三峽水庫(kù)洪水資源利用程度偏低?；谒臍庀箢A(yù)報(bào)水平和調(diào)度技術(shù)的提高，為增加調(diào)度的靈活性并進(jìn)一步利用洪水資源，2009年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案》明確：當(dāng)沙市水位在41 m以下、城陵磯水位在30.5 m以下，且三峽水庫(kù)來(lái)流量<25 000 m3/s時(shí)，三峽水庫(kù)汛期實(shí)時(shí)庫(kù)水位可最高上浮至146.5 m運(yùn)行。同時(shí)，在《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案研究》成果報(bào)告中[9]，還研究提出了汛期考慮1～3 d泄水歷時(shí)的147,148,150 m上浮水位方案。隨著長(zhǎng)江上游溪洛渡、向家壩分別于2013年和2012年開(kāi)始蓄水運(yùn)用，三峽水庫(kù)汛期防洪壓力進(jìn)一步減輕，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司最新的相關(guān)研究成果表明[10]，考慮溪洛渡、向家壩建庫(kù)后，三峽水庫(kù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位可從155 m進(jìn)一步提高至158 m，不降低對(duì)荊江地區(qū)100 a一遇洪水的防洪標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水庫(kù)移民淹沒(méi)影響較小，三峽水庫(kù)6月中旬—8月下旬和9月上旬，汛限水位分別控制在150 m以下和158 m以下時(shí)，防洪風(fēng)險(xiǎn)可控。

2009年汛期以來(lái)，三峽水庫(kù)持續(xù)開(kāi)展了汛期中小洪水調(diào)度，汛期“漲水時(shí)攔洪，退水后加泄”，已有的防洪風(fēng)險(xiǎn)研究成果為汛期洪水位抬高奠定了基礎(chǔ)。與中小洪水調(diào)度的攔洪補(bǔ)枯不同，“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的泥沙調(diào)度方式是在大水時(shí)降低庫(kù)水位，其防洪風(fēng)險(xiǎn)要低于目前已經(jīng)開(kāi)展的汛期中小洪水調(diào)度。需要說(shuō)明的是，防洪是三峽水庫(kù)的首要任務(wù)，也是長(zhǎng)江的頭等大事，三峽水庫(kù)汛期調(diào)度方式優(yōu)化，必須建立在對(duì)防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分研究論證的基礎(chǔ)上。因此，三峽水庫(kù)汛期調(diào)度方式優(yōu)化的防洪風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究，這也是三峽水庫(kù)能否采用汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用泥沙調(diào)度方式的一個(gè)重要前提。

3.2　庫(kù)區(qū)淤積分析

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)[8]，入庫(kù)泥沙量與論證階段相比大幅度減少，年均入庫(kù)泥沙不足2億t，庫(kù)區(qū)淤積大為減輕。隨著金沙江溪洛渡、向家壩水庫(kù)的蓄水運(yùn)用，金沙江99%的來(lái)沙被上游水庫(kù)攔截，三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙出現(xiàn)了進(jìn)一步的大幅減少，2013年三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量(朱沱+北碚+武隆)減少至1.27億t，2014年和2015年三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量分別減少至0.554億t和0.320億t，隨著上游干支流更多水庫(kù)的不斷建成運(yùn)用，可以預(yù)期三峽入庫(kù)泥沙量將在未來(lái)較長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期維持在目前的較低水平內(nèi)。2003—2012年庫(kù)區(qū)年均淤積泥沙1.44億t，2013年、2014年和2015年年淤積量分別減小至0.942億、0.444億、0.278億t。2012年10月以來(lái)庫(kù)尾涪陵以上變動(dòng)回水區(qū)河段基本處于持續(xù)沖刷狀態(tài)，2003—2015年變動(dòng)回水區(qū)涪陵以上河段累計(jì)沖刷0.536億m3，其中2015年變動(dòng)回水區(qū)沖刷泥沙0.169 7億m3；2008年175 m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)庫(kù)尾重慶主城區(qū)河段累計(jì)沖刷0.155 7億m3，其中2015年沖刷泥沙0.018 3億m3?？梢?jiàn)，三峽庫(kù)區(qū)及庫(kù)尾泥沙淤積狀態(tài)明顯好于預(yù)期。

上游干支流水庫(kù)群的蓄水?dāng)r沙作用，減少了三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量，減緩了水庫(kù)的淤積速度，將使三峽水庫(kù)淤積平衡時(shí)間得到明顯延長(zhǎng)，這為三峽水庫(kù)開(kāi)展汛期優(yōu)化調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。目前實(shí)際調(diào)度中實(shí)施的汛期中小洪水調(diào)度，會(huì)造成入庫(kù)沙量大時(shí)庫(kù)水位抬升，庫(kù)區(qū)淤積增大，出庫(kù)洪峰值降低，出庫(kù)洪峰值減小,還有可能給對(duì)長(zhǎng)江中下游河道演變帶來(lái)一些不利影響。與汛期中小洪水調(diào)度方式相比，“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式有利于減少對(duì)庫(kù)區(qū)淤積和出庫(kù)洪峰值的影響。但與原設(shè)計(jì)的“蓄清排渾”調(diào)度方式相比，汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式同樣會(huì)增大水庫(kù)淤積，不利于三峽水庫(kù)的長(zhǎng)期使用。而且，上游水庫(kù)群攔沙均存在時(shí)效性，三峽水庫(kù)來(lái)沙存在逐步恢復(fù)過(guò)程。因此，汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式主要適用于近期，該調(diào)度方式的適用時(shí)間問(wèn)題以及對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期使用的影響等問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。

3.3　綜合分析

“蓄清排渾”是指汛期排出“渾水”，汛后蓄滿“清水”，“蓄清排渾”是被實(shí)踐證明了的一種處理水庫(kù)泥沙淤積的有效方式，已在我國(guó)的水庫(kù)調(diào)度中得到了廣泛使用[11-16]。但“蓄清排渾”體現(xiàn)的只是一個(gè)調(diào)度原則，“渾水”和“清水”也只是一種定性的劃分，設(shè)計(jì)階段往往按汛期枯期劃分，年內(nèi)時(shí)段劃分往往較為粗略，對(duì)于一個(gè)調(diào)度年內(nèi)的“渾水”和“清水”時(shí)間界限的劃分，還需要具體問(wèn)題具體分析。對(duì)于不同的水庫(kù)，對(duì)一個(gè)水庫(kù)來(lái)說(shuō)是“渾水”，而對(duì)另一個(gè)水庫(kù)來(lái)說(shuō)可能只能算是“清水”；對(duì)于同一個(gè)水庫(kù)，現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)段的“渾水”有可能比過(guò)去某一個(gè)時(shí)段的“清水”還要“清”。針對(duì)入庫(kù)水沙變化，實(shí)時(shí)調(diào)度中根據(jù)入庫(kù)含沙量變化動(dòng)態(tài)使用“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式，有利于在一定程度上放松設(shè)計(jì)階段給水庫(kù)調(diào)度方式施加的泥沙限制，以充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益。

按三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)調(diào)度方式，汛期6月中旬—9月底不調(diào)洪時(shí)均按145 m運(yùn)行，以有利于排沙，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)特別是上游溪洛渡、向家壩運(yùn)用以來(lái)，汛期入庫(kù)沙量大幅減少，汛期6月中旬—9月底部分時(shí)段含沙量甚至已經(jīng)開(kāi)始小于論證階段10月份和5月份的含沙量，且汛期入出庫(kù)沙量基本集中出現(xiàn)在1～2次大的沙峰過(guò)程中，即汛期不同時(shí)段也存在著相對(duì)的“渾”和“清”。因此，考慮將“蓄清排渾”調(diào)度方式動(dòng)態(tài)應(yīng)用于三峽水庫(kù)汛期，汛期入庫(kù)沙量較小時(shí)蓄清水，抬高庫(kù)水位運(yùn)行，入庫(kù)沙量較大時(shí)排渾水，降低庫(kù)水位運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在三峽水庫(kù)汛期的動(dòng)態(tài)使用，是一個(gè)值得探討的泥沙優(yōu)化調(diào)度方式。

4　結(jié)　論

以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后入出庫(kù)沙量特性變化進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)三峽水庫(kù)汛期采用“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的優(yōu)化調(diào)度方式進(jìn)行了初步探討。主要研究結(jié)論如下:

(1)三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙呈大幅減小趨勢(shì)，1991年以后三峽水庫(kù)已經(jīng)成為少沙河流水庫(kù)了，溪洛渡和向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)用后三峽水庫(kù)汛期6—9月份含沙量已經(jīng)開(kāi)始小于論證階段5月份和10月份的含沙量，汛期不同時(shí)段呈現(xiàn)出相對(duì)的“渾”和“清”。

(2)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，出庫(kù)徑流中汛期徑流比重在降低，出庫(kù)輸沙量中汛期特別是主汛期輸沙量比重在增大，年出庫(kù)輸沙量更加集中于汛期特別是主汛期，主汛期出庫(kù)沙量占年出庫(kù)沙量的90%以上，且汛期出庫(kù)沙量主要集中在1～2次大的出庫(kù)沙峰過(guò)程中。

(3)與汛期中小洪水調(diào)度相比，三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式，其防洪風(fēng)險(xiǎn)更低，泥沙淤積更少，是一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度中值得期待的泥沙優(yōu)化調(diào)度方向。汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式涉及到的防洪風(fēng)險(xiǎn)和水庫(kù)長(zhǎng)期使用等問(wèn)題較為復(fù)雜，因此，本研究尚屬初步，汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的具體調(diào)度方式、關(guān)鍵調(diào)度參數(shù)、對(duì)防洪影響以及對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期使用影響等是下一步研究工作的重點(diǎn)。