溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫汛期聯(lián)合排沙調(diào)度方式初步研究

， ，， ， ，

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

1 研究背景

2012年和2013年汛期，三峽水庫在實施中小洪水調(diào)度過程中，開展了兼顧排沙減淤的沙峰調(diào)度試驗，取得了較好的排沙效果[1-4]。上游溪洛渡、向家壩水庫的建成，為開展基于沙峰調(diào)度的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度提供了條件。已有研究表明，在其他條件不變時，入庫流量越大，水庫出庫沙量也越大，且在三峽干流入庫寸灘站，洪峰與沙峰同步時最有利于輸沙排沙，其次是洪峰滯后于沙峰，最差的是洪峰超前于沙峰[5]。因此，當(dāng)三峽水庫開展沙峰調(diào)度時，上游溪洛渡和向家壩梯級水庫適當(dāng)增泄將有利于溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫增大出庫沙量。

汛期入出庫沙量的大幅減少和輸沙時間的更為集中是水庫開展汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用泥沙調(diào)度的前提條件。隨著金沙江中游梨園、阿海等6座梯級水庫于2010—2014年相繼投入運用，溪洛渡水庫入庫沙量開始出現(xiàn)大幅度的減少。2013年和2014年溪洛渡水庫干流進(jìn)口華彈站年輸沙量分別為5 400萬t和6 830萬t[2，6]，與2010—2012年相比，分別相對減小了39%和23%，與多年平均值相比，分別相對減少了67%和59%?？梢灶A(yù)期，隨著2020年左右上游烏東德和白鶴灘的建成，未來溪洛渡入庫沙量還會進(jìn)一步減少。這為開展溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的聯(lián)合排沙調(diào)度提供了條件。

本文選取2012年汛期典型水沙過程，分別開展了溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫基于沙峰調(diào)度和基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的聯(lián)合排沙調(diào)度方式計算研究，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的聯(lián)合排沙調(diào)度方案，研究成果可為溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫汛期泥沙調(diào)度提供科技支撐。

2 計算條件

采用自主研發(fā)的長江上游溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合調(diào)度泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不同方案的計算研究，計算范圍、模型方程、模型驗證等見文獻(xiàn)[7]—文獻(xiàn)[9]。模型計算范圍為一樹狀河網(wǎng)，包含溪洛渡、向家壩、三峽3個水庫以及向家壩水庫壩下游天然河道和多條入?yún)R支流。以水庫壩址為界，將計算范圍劃分成3個計算河段，每個計算河段的水沙計算可按一般單一水庫處理。模型方程為水沙運動基本方程，采用三級解法對水流方程進(jìn)行求解，數(shù)值格式采用Preissmann四點隱式差分格式，對泥沙方程采用顯格式進(jìn)行離散求解。模型驗證計算值與實測值吻合較好，模型計算精度可滿足梯級水庫聯(lián)合調(diào)度泥沙沖淤模擬計算要求。

溪洛渡水庫位于金沙江下游，其調(diào)度方式為：汛期(6月1日—9月10日)按不高于汛期限制水位560 m運行，9月中旬開始蓄水，9月底庫水位蓄至正常蓄水位600 m；翌年5月底庫水位降至死水位540 m。向家壩水庫位于溪洛渡水庫下游，其調(diào)度方式為：汛期6月中旬—9月上旬按汛期限制水位370 m運行，9月中旬開始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位380 m，翌年6月上旬末庫水位降至370 m。三峽水庫壩址位于湖北省宜昌市三斗坪，其正常蓄水位為175 m，汛期防洪限制水位為145 m。圖1為溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫及水文站位置。

圖1 溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫及水文站位置Fig.1 Location of Xiluodu-Xiangjiaba-Three-Gorges cascade reservoirs and hydrological stations

選擇2012年汛期6月11日—8月31日實測水沙資料進(jìn)行計算研究，三峽入出庫水沙過程及壩前水位過程見圖2。

圖2 三峽水庫2012年汛期入出庫水沙過程及壩前水位過程Fig.2 Process lines of inbound and outbound water and sediment process and water level in front of the Three Gorges Dam in flood season of 2012

2012年汛期6月11日—8月31日有2個入庫沙峰過程，分別為7月2日和7月24日入庫沙峰。針對這2次沙峰，三峽水庫均開展了沙峰調(diào)度試驗，即在沙峰抵達(dá)壩前時適時增大下泄流量排沙。其中7月24日入庫沙峰發(fā)生時三峽水庫遭遇了成庫以來的最大入庫洪峰，24日20時入庫洪峰流量達(dá)到了71 200 m3/s，24日寸灘站日均流量達(dá)到了63 200 m3/s，三峽水庫以防洪調(diào)度為主，主要是在入庫流量已定的條件下合理調(diào)度出庫流量以發(fā)揮防洪作用，此時開展沙峰調(diào)度，主要手段只是有限地增大出庫流量以兼顧排沙，若此時增大上游梯級水庫下泄流量排沙則不利于防洪安全，故本研究只選擇7月2日入庫沙峰進(jìn)行溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式計算研究。實際調(diào)度中，三峽水庫針對7月2日入庫沙峰開展了沙峰調(diào)度，將7月5日下泄流量增加至38 800 m3/s左右，7月8日沙峰出庫。

金沙江下游干流屏山水文站于2012年下遷24 km至向家壩站，2012年汛期(6月11日—8月31日)向家壩站實測流量和含沙量過程見圖3。以向家壩站2012年實測水沙過程為溪洛渡入庫水沙邊界，計算的基礎(chǔ)方案為三峽壩前水位按實際調(diào)度過程控制，溪洛渡和向家壩水庫則按設(shè)計調(diào)度方式控制。

圖3 2012年汛期向家壩站實測流量和含沙量過程Fig.3 Time history of measured flow and sediment concentration at Xiangjiaba station in flood season of 2012

圖4為按基礎(chǔ)方案計算得到的溪洛渡出庫、向家壩出庫、寸灘站及三峽出庫流量和含沙量過程。從計算結(jié)果看，2012年水沙條件在梯級水庫聯(lián)合調(diào)度運用后，經(jīng)過溪洛渡和向家壩水庫調(diào)節(jié)，向家壩出庫沙峰出現(xiàn)在7月13日和7月14日，沙峰含沙量為0.528 kg/m3，7月1日之前向家壩出庫含沙量<0.1 kg/m3，7月1日之后向家壩出庫含沙量一直持續(xù)處于相對較高的狀態(tài)；計算得到的寸灘站汛期第1個沙峰出現(xiàn)在7月1日，沙峰含沙量為0.983 kg/m3，其后為一個由多個小沙峰組成的連續(xù)的沙峰過程，整個大的沙峰過程持續(xù)至7月31日左右基本結(jié)束；三峽出庫沙峰過程與出庫流量過程幾乎完全對應(yīng)，可見，梯級水庫作用下2012年汛期三峽水庫出庫沙峰主要受到水庫調(diào)度的影響。寸灘站為三峽水庫干流入庫控制站，金沙江來沙、岷江沱江來沙、嘉陵江來沙最終都會在寸灘站得到體現(xiàn)，因此，本研究選擇寸灘站含沙量變化作為梯級水庫泥沙聯(lián)合調(diào)度啟動的判別站，根據(jù)寸灘站來沙情況判斷是否開展梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度。

圖4 基礎(chǔ)方案條件下2012年汛期流量和含沙量過程Fig.4 Time history of flow and sediment concentration in flood season of 2012 under basic scheduling condition

3 梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式研究

3.1 基于沙峰調(diào)度的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式計算研究

基于沙峰調(diào)度的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度，其目標(biāo)是在三峽水庫壩前水位保持不變的條件下，提高沙峰過程中的出庫沙量，這就需要通過上游水庫實施降水增泄，以增加下游三峽水庫沙峰輸移過程中的入庫流量。從基礎(chǔ)方案計算結(jié)果看，寸灘站6月29日和6月30日含沙量分別為0.196 kg/m3和0.706 kg/m3，寸灘站從6月30日開始含沙量出現(xiàn)了明顯增加，并在7月1日出現(xiàn)含沙量為0.983 kg/m3的第1個沙峰。7月1日對應(yīng)寸灘站流量為30 106 m3/s，三峽出庫流量為24 489 m3/s，壩前水位為145.43 m，根據(jù)沙峰傳播時間公式可計算得到沙峰傳播時間為3 d，出庫沙峰大小為0.174 kg/m3。根據(jù)已有研究成果，向家壩至寸灘的洪水傳播時間是36 h，三峽水庫建成蓄水后，寸灘至三峽入庫傳播時間為6～12 h，故向家壩至三峽入庫傳播時間約48 h，即2 d時間。因此，考慮上游溪洛渡、向家壩梯級水庫從7月2日開始降水增泄，啟動梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度，增泄時間初步定為3 d。7月2日溪洛渡入庫含沙量為2.2 kg/m3，入庫流量為11 600 m3/s，水庫入庫沙量較大，且水庫輸沙排沙能力較強(qiáng)，具備參與梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度的條件。擬定計算方案如下：

(1)基礎(chǔ)方案。三峽壩前水位按實際調(diào)度過程控制，溪洛渡和向家壩按設(shè)計調(diào)度方式運行。

(2)沙峰調(diào)度方案。2012年6月11日—8月31日，三峽水庫壩前水位按實際調(diào)度過程控制，向家壩水庫按庫水位370 m不變運行；7月2日—7月4日溪洛渡庫水位從560 m均勻降至555 m，7月5日—7月7日庫水位從555 m均勻回升至560 m。

表1為梯級水庫不同運用方案下三峽水庫出庫沙量計算結(jié)果。

表1 基礎(chǔ)方案與沙峰調(diào)度方案出庫沙量計算結(jié)果比較Table 1 Comparison of calculated outbound sediment discharge between basic scheduling scheme and sand peak regulation scheme

從三峽水庫出庫沙量的計算結(jié)果看，與基礎(chǔ)方案相比，當(dāng)統(tǒng)計時間為2012年6月11日—8月31日時，沙峰調(diào)度方案三峽水庫出庫沙量偏小1.8萬t，當(dāng)統(tǒng)計時間為2012年7月1日—7月10日時，沙峰調(diào)度方案三峽水庫出庫沙量偏大2.6萬t?？梢姡谏撤逭{(diào)度期間，基于沙峰調(diào)度的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式定性上有利于提高梯級水庫出庫沙量，但提高的幅度有限，其原因主要是沙峰調(diào)度期間，下游三峽水庫庫水位較高甚至處于庫水位不斷抬升過程，降低了調(diào)度排沙效果。從整個汛期看，由于沙峰調(diào)度需要上游水庫庫水位先下降再回升，上游水庫降水增泄，有助于整個梯級水庫輸沙排沙出庫，但在上游水庫庫水位回升過程中，當(dāng)上游水庫入庫泥沙較大時，又會增加上游水庫淤積，進(jìn)而造成整個梯級水庫出庫沙量可能反而減小，即上游水庫在庫水位回升時需要注意避開較大的入庫沙峰。

3.2 基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式計算研究

基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度，其目標(biāo)是在沙峰入庫時通過及時降低庫水位以提高沙峰過程中的出庫沙量，梯級水庫同時實施降水增泄可實現(xiàn)梯級水庫集中低水位輸沙出庫。從基礎(chǔ)方案計算結(jié)果看，當(dāng)入庫流量達(dá)到10 000 m3/s左右時，溪洛渡水庫輸沙排沙能力較強(qiáng)，水庫出庫含沙量明顯增大。2012年汛期6月11日—8月31日實測入庫含沙量>2.0 kg/m3的天數(shù)有8 d，主要集中在6月24日—7月8日。溪洛渡實測入庫流量在6月30日達(dá)到10 000 m3/s，且6月30日—8月10日入庫流量均維持在10 000 m3/s以上。梯級水庫聯(lián)合運用計算結(jié)果表明，寸灘站6月30日含沙量出現(xiàn)明顯增加，7月1日出現(xiàn)第1個沙峰，因此，綜合考慮后，“排渾”調(diào)度起始時間可以確定在7月2日，“排渾”結(jié)束時間初步按7月8日控制。擬定計算方案如下：

(1)基礎(chǔ)方案。三峽水庫壩前水位按實際調(diào)度過程控制，溪洛渡和向家壩水庫按設(shè)計調(diào)度方式運行。

(2)溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫汛期“蓄清排渾”調(diào)度方式動態(tài)使用方案。6月11日—7月1日溪洛渡水庫按565 m庫水位運行，向家壩水庫按375 m庫水位運行，三峽水庫按150 m庫水位運行；7月2日開始溪洛渡、向家壩、三峽三庫按1 m/d均勻下降至汛限水位并運行至7月8日;7月9日開始三庫庫水位逐步抬升至與基礎(chǔ)方案相同。

表2為梯級水庫基礎(chǔ)方案與“蓄清排渾”方案三峽水庫出庫沙量計算結(jié)果對比。

表2 基礎(chǔ)方案與“蓄清排渾”方案出庫沙量計算結(jié)果比較Table 2 Comparison of calculated outbound sediment discharge between basic scheduling scheme and the scheme of storing clear water and releasing muddy water

從三峽水庫出庫沙量的計算結(jié)果看，與基礎(chǔ)方案相比，當(dāng)統(tǒng)計時間為2012年6月11日—8月31日時，汛期“蓄清排渾”調(diào)度方案三峽水庫出庫沙量偏大213.2萬t，當(dāng)統(tǒng)計時間為2012年7月1日—7月10日時，汛期“蓄清排渾”調(diào)度方案三峽水庫出庫沙量偏大192.4萬t。可見，不論是在“排渾”調(diào)度期間還是在整個汛期，基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式均有利于提高梯級水庫出庫沙量，且提高的幅度相對較大，其原因主要是汛期“蓄清排渾”調(diào)度排沙期間，入庫沙量大時“排渾”，此時水庫庫水位處于較低狀態(tài)，有利于大量排沙出庫，入庫沙量小時“蓄清”，此時水庫庫水位雖然處于較高狀態(tài)，但對水庫淤積增大影響相對較小。

3.3 溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫汛期聯(lián)合排沙調(diào)度方案研究

根據(jù)前面的研究，初步提出溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫汛期聯(lián)合排沙調(diào)度方案如下。

3.3.1 基于沙峰調(diào)度的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方案

(1)梯級水庫中的上游溪洛渡水庫開展沙峰調(diào)度時，下游向家壩和三峽水庫應(yīng)盡量保持較低的庫水位以提高梯級水庫整體排沙效果。

(2)梯級水庫中的下游三峽水庫開展沙峰調(diào)度時，在不增加下游防洪壓力的前提下，上游溪洛渡水庫可降水位增泄以提高三峽水庫輸沙流量，溪洛渡水庫啟動增泄的時間應(yīng)與寸灘出現(xiàn)沙峰的時間相一致，以增加下游干流寸灘站沙峰對應(yīng)流量為目標(biāo)，盡量使得寸灘站洪峰與沙峰同步或者晚于沙峰，溪洛渡庫水位回升時應(yīng)避開較大的入庫沙峰。

(3)開展基于沙峰調(diào)度的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度時，向家壩水庫應(yīng)盡量維持在汛限水位。

3.3.2 基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方案

(1)基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度適用于汛期6月1日—8月31日，期間當(dāng)水庫需要開展防洪調(diào)度時，水庫按防洪調(diào)度方式運行。

(2)當(dāng)溪洛渡入庫含沙量<2.0 kg/m3時或者入庫流量<10 000 m3/s時，溪洛渡和向家壩水庫按“蓄清”調(diào)度，溪洛渡庫水位可選擇在560～565 m之間動態(tài)運行，向家壩庫水位可選擇在370～375 m之間動態(tài)運行；當(dāng)干流寸灘站含沙量<2.0 kg/m3時或者沙峰入庫日寸灘站流量<25 000 m3/s時，三峽水庫按“蓄清”調(diào)度，三峽庫水位可選擇在145～150 m之間動態(tài)運行。

(3)當(dāng)溪洛渡入庫含沙量≥2.0 kg/m3且入庫流量≥10 000 m3/s，寸灘含沙量增大到≥2.0 kg/m3且當(dāng)日寸灘站入庫流量≥25 000 m3/s時可考慮啟動溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合“排渾”調(diào)度。

(4)“排渾”調(diào)度啟動時，如果溪洛渡、向家壩、三峽3座水庫庫水位均高于汛限水位，則3座水庫應(yīng)同時開始降低庫水位，且要避免上游水庫的下泄渾水進(jìn)入下游水庫時下游水庫仍處于高水位或處于庫水位抬升狀態(tài)。3座水庫應(yīng)在保證下游防洪安全的前提下盡快降低庫水位至汛限水位，庫水位下降時溪洛渡和向家壩出庫流量宜≥10 000 m3/s，三峽出庫流量宜≥35 000 m3/s，聯(lián)合“排渾”調(diào)度開始時庫水位等于汛限水位的水庫，則庫水位維持汛限水位排沙。

(5)在實時調(diào)度中，應(yīng)綜合考慮出庫含沙量變化、水庫來水預(yù)報、水資源利用、防洪、航運等因素適時結(jié)束“排渾”調(diào)度。

三峽水庫的主要任務(wù)是防洪，溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度應(yīng)以不影響三峽工程防洪作用的發(fā)揮為前提，并且要盡量不增加長江中下游防洪負(fù)擔(dān)?；谏撤逭{(diào)度的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式，會增大沙峰排沙調(diào)度期間的下泄流量，需要確保水庫排沙調(diào)度增泄階段下游河道水位處在安全狀態(tài)?；凇靶钋迮艤啞眲討B(tài)運用的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式是在有大水入庫時提前降低庫水位至汛限水位運行，故在“排渾”階段不會降低三峽水庫的防洪作用，但在由“蓄清”轉(zhuǎn)為“排渾”的增泄期間會增大水庫下泄流量，需要確保下游河道主要控制站水位處于安全可控的較低狀態(tài)。因此，本文提出的2種梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式，均應(yīng)在長江中下游防洪安全可控的前提下開展。

4 結(jié) 論

選取2012年汛期實測典型水沙過程，分別開展了溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫基于沙峰調(diào)度和基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的聯(lián)合排沙調(diào)度方式計算，并研究提出了溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫基于沙峰調(diào)度和基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的聯(lián)合排沙調(diào)度方案。主要研究結(jié)論如下。

(1)在沙峰調(diào)度期間，基于沙峰調(diào)度的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式定性上有利于提高梯級水庫出庫沙量，但提高的幅度有限，其原因主要是沙峰調(diào)度排沙期間，下游三峽水庫庫水位較高甚至處于庫水位不斷抬升過程，降低了調(diào)度排沙效果。

(2)不論是在“排渾”調(diào)度期間還是在整個汛期，基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的梯級水庫聯(lián)合排沙調(diào)度方式均有利于提高梯級水庫出庫沙量，且提高的幅度相對較大，其原因主要是汛期“蓄清排渾”調(diào)度排沙期間，入庫沙量大時“排渾”，此時水庫庫水位處于較低狀態(tài)，有利于大量排沙出庫，入庫沙量小時“蓄清”，此時水庫庫水位雖然處于較高狀態(tài)，但對水庫淤積增大影響相對較小。

(3)通過計算研究，提出了溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫基于沙峰調(diào)度和基于汛期“蓄清排渾”動態(tài)使用的聯(lián)合排沙調(diào)度方案，研究成果可為梯級水庫汛期泥沙調(diào)度提供技術(shù)支撐，隨著入庫水沙條件的變化，今后還需要對該方案做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。