三峽水庫2018年7月洪水期間泥沙輸移特性分析

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

2018年7月，長江上游出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，干支流發(fā)生超警以上洪水，其中支流嘉陵江上游、涪江上游、沱江上游發(fā)生特大洪水。2018年長江第1號洪水和2號洪水先后出現(xiàn)在干流，三峽入庫洪峰流量分別達(dá)到59 300 m3/s和60 000 m3/s(僅次于三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水后的2012年的71 200 m3/s)。兩次洪水過程寸灘站沙峰含沙量較大，其中第2號洪水過程沙峰含沙量 4.47 kg/m3(僅次于三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水后的2013年)。本文主要從降雨組成、進(jìn)出庫水沙過程、水庫泥沙輸移特征等方面闡述了三峽水庫2018年7月洪水期間泥沙輸移特性。

1 雨 情

1.1 雨情概況

2018年7月，長江上游降水基本正常，除岷沱江偏多5成、嘉陵江偏多2成外，各區(qū)均偏少，其中烏江偏少4成多。降雨量統(tǒng)計(jì)見表1。

降水主要集中在7月上中旬，降水分布異常不

表1 長江上游流域2018年7月降水量統(tǒng)計(jì)

注：除三峽區(qū)間歷史平均值采用的2009～2017年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)外，其他各區(qū)間采用1981～2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

均，總體表現(xiàn)為西部異常偏多、東部明顯偏少的分布形態(tài)。沱江上游、涪江上游以及嘉陵江干流上游局地累積雨量在500 mm以上，岷江中游-嘉陵江上游一線大部累積雨量在250～500 mm，其他地區(qū)大部在50～250 mm之間，見圖1。

圖1 長江流域2018年7月上中旬累積降水色斑

1.2 雨情特點(diǎn)

7月上旬降雨主要受雨帶緩慢東移南壓影響，長江上游流域大部自西北向東南先后出現(xiàn)大到暴雨，本次降水過程具有降水持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)降水范圍廣、累積面雨量較大的特點(diǎn)。 7月中旬的兩次降雨分別受高空槽和副高外圍暖濕氣流及中低層切變輻合和副高外圍暖濕氣流的共同影響，長江上游各支流流域出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水，強(qiáng)度以暴雨、局地大暴雨為主，具有降水強(qiáng)度大、累積雨量大的特點(diǎn)。

2 進(jìn)出庫水沙過程

2.1 入庫水沙過程

2.1.1 第1號洪水入庫水沙過程

第1號洪水主要來源于岷沱江和嘉陵江。寸灘流量從7月3日12：00起漲，至5日02：30達(dá)到洪峰流量46 800 m3/s，相應(yīng)洪峰水位179.35 m，距警戒水位(180.50 m)1.15 m。受上游梯級水庫調(diào)蓄影響，烏江武隆流量于3日08:00逐步波動增加，至6日19：00漲至洪峰流量9 540 m3/s。本次洪水過程三峽區(qū)間產(chǎn)流約2 000～3 500 m3/s，最大流量達(dá)5 000 m3/s。受長江上游干流寸灘來水、支流烏江來水及區(qū)間產(chǎn)流共同疊加影響，三峽入庫流量由28 000 m3/s快速上漲，至5日14：00入庫流量達(dá)到53 000 m3/s，正式迎來長江2018年第1號洪水洪峰。

本次洪水入庫含沙量出現(xiàn)明顯的增大過程，寸灘站實(shí)測含沙量由7月3日起逐漸增大，至7月5日18：00達(dá)到沙峰 2.32 kg/m3，之后逐漸減小至起漲水平。本次洪水過程沙峰較洪峰滯時(shí)16 h。隨著洪峰往下游演進(jìn)，水深逐步增大，流速逐漸減小，粗顆粒泥沙逐漸沉降，含沙量降低，至巴東、廟河站，僅呈現(xiàn)微小沙峰波動，沙峰整體衰減。沙峰輸移至清溪場、巴東、廟河站的峰值分別為1.58，0.54，0.47 kg/m3。

2.1.2 第2號洪水入庫水沙過程

第2號洪水長江干流來水較少，主要來源于岷沱江、嘉陵江流域的強(qiáng)降雨匯流。寸灘流量由7月10日13：00起漲，至14日16：10到達(dá)洪峰流量59 300 m3/s，相應(yīng)洪峰水位184.05 m，超保證水位(183.50 m)0.55 m。于16日08:00退至33 800 m3/s，洪水過程維持50 000 m3/s以上達(dá)50 h。武隆流量主要受水庫調(diào)度影響，日內(nèi)流量在700～2 700 m3/s之間波動。三峽區(qū)間降雨產(chǎn)流較少，來水主要源于上游匯流。三峽入庫流量由37 000 m3/s開始增加，于14日10：00迎來長江2018年第2號洪水洪峰，洪峰流量60 000 m3/s(為2013年以來最大)，16日14:00退至39 000 m3/s。寸灘超過55 000 m3/s量級洪水持續(xù)時(shí)間達(dá)30 h。

本次洪水入庫含沙量有大幅增大的過程，寸灘站實(shí)測含沙量由7月11日起快速增大，至7月13日08：00達(dá)到沙峰 4.47 kg/m3。沙峰含沙量僅次于三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水以來2013年7月的5.45 kg/m3。本次洪水過程沙峰較洪峰提前20 h。沙峰輸移至清溪場、巴東、廟河站的峰值分別為3.26，1.27，1.14 kg/m3。

2018年7月入庫洪水過程及入庫泥沙過程見圖2。

圖2 2018年7月三峽水庫入庫水沙過程

2.2 水庫調(diào)度過程

為攔蓄洪水，減輕長江中下游防洪壓力，根據(jù)長江上游后期來水及中下游洪水情況，長江防總共下達(dá)了6次調(diào)度令。為攔蓄1號洪水，三峽出庫流量由月初的30 000 m3/s逐漸增加至40 000 m3/s，并維持至1號洪水過境；期間，庫水位由145.06 m漲至149.05 m，后波動下降至146.39 m。為提前騰庫迎接2號洪水，三峽出庫流量于7月10日起逐漸增加至40 000，42 000 m3/s，并維持至2號洪水過境，于16日18:00退至38 800 m3/s，歷時(shí)144 h。期間，三峽庫水位迅速拉低，最低水位于7月12日20:00達(dá)到146.19 m(見圖3)。

根據(jù)預(yù)報(bào)分析，三峽水庫將于7月18日迎來第3次洪峰流量，考慮后期來水較少，三峽水庫逐漸減小出庫流量至30 000 m3/s。隨著出庫流量的減小，庫水位抬高，至21日達(dá)最高庫水位156.83 m。至此，三峽水庫順利度過7月第三場洪水。

圖3 2018年第1號、第2號洪水期間三峽水庫進(jìn)出庫流量及庫水位過程

2.3 水庫泥沙預(yù)報(bào)

三峽庫區(qū)泥沙預(yù)報(bào)基于庫區(qū)寸灘至壩前的一維水沙數(shù)學(xué)模型，采用河段內(nèi)311個(gè)實(shí)測固定斷面資料作為河床初始邊界條件，以長江寸灘站流量、含沙量預(yù)報(bào)過程為進(jìn)口邊界條件，以相應(yīng)的三峽大壩壩前水位預(yù)測過程作為出口邊界條件計(jì)算[1]。其中，寸灘站預(yù)報(bào)流量采用長江上游水文水資源勘測局的流量短期預(yù)報(bào)成果；寸灘預(yù)報(bào)含沙量是根據(jù)歷史實(shí)測資料擬合的上游(朱沱站和北碚站)不同來水組合條件下寸灘站輸沙率-流量相關(guān)關(guān)系圖；壩前水位則是由汛期寸灘站流量預(yù)報(bào)成果結(jié)合三峽水庫具體調(diào)度方式，并根據(jù)三峽水庫庫容曲線查算[2]。

圖4 寸灘站懸移質(zhì)顆粒級配曲線

懸移質(zhì)泥沙級配作為影響泥沙在水庫運(yùn)動過程中沿程落淤或沖刷的主要因素，直接影響水庫沿程各斷面含沙量大小、含沙量過程、泥沙淤積部位、泥沙輸移對不同水庫調(diào)度方式的反應(yīng)等，在泥沙預(yù)報(bào)計(jì)算過程中需要進(jìn)行重點(diǎn)考慮。作業(yè)預(yù)報(bào)前統(tǒng)計(jì)了2009～2017年寸灘站6組典型沙峰(含沙量大于等于2.0 kg/m3)顆粒級配，并進(jìn)行了分析。選取6組顆粒級配的上下包線分別作為細(xì)級顆粒級配和粗級顆粒級配代表，以中級顆粒級配為基礎(chǔ)，并結(jié)合場次洪水實(shí)測懸沙顆粒級配加以優(yōu)化，作為本次泥沙預(yù)報(bào)的顆粒級配代表(見圖4)。預(yù)報(bào)采用的懸沙顆粒級配與兩次沙峰過境時(shí)實(shí)測懸沙顆粒級配的級配曲線基本一致，小于0.031 mm粒徑的占比分別為81.7%(預(yù)報(bào))、77.8%(7月5日)、82.8%(7月13日)?？梢?，本次采用的泥沙懸沙級配選取合理。

根據(jù)實(shí)測沙峰，統(tǒng)計(jì)了7月典型洪水過程中三峽庫區(qū)各站的沙峰含沙量預(yù)報(bào)誤差及峰現(xiàn)時(shí)長，見表2。泥沙預(yù)報(bào)成果與實(shí)測含沙量過程對比見圖5。

表2 兩次編號洪水過程各站沙峰含沙量預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)

圖5 2018年7月三峽水庫泥沙預(yù)報(bào)成果與實(shí)測成果對比

由表2可知，各站預(yù)報(bào)沙峰含沙量最大相對誤差在10%以內(nèi)，以偏小為主。峰現(xiàn)時(shí)間相對誤差在10%左右，主要表現(xiàn)為沙峰滯時(shí)。廟河站較其他各站誤差相對較大。由圖5可以看出，各站預(yù)報(bào)含沙量過程與實(shí)測含沙量過程基本吻合。由此可說明，2018年7月泥沙預(yù)報(bào)沙峰含沙量預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)含沙量過程與實(shí)測過程基本一致，沙峰滯時(shí)在合理范圍內(nèi)。

2.4 出庫水沙過程

受三峽-葛洲壩水庫聯(lián)合調(diào)度影響，宜昌站流量于7月3日逐漸上漲至31 900 m3/s(4日22：00)。之后隨著三峽-葛洲壩水庫泄流量增加，宜昌站流量快速漲至41 800 m3/s(5日11:00)。長江1號洪水通過三峽水庫前后，宜昌站流量基本維持在 38 000～43 000 m3/s，相應(yīng)最高水位 51.06 m(7日07：00)，距宜昌站警戒水位(53.00 m)1.94 m。

7月7～11日，長江2號洪水在上游形成期間，三峽水庫出庫流量保持在40 000 m3/s左右，受其影響，宜昌站流量在36 000～42 000 m3/s之間波動變化，沒有明顯的洪水過程。當(dāng)2號洪水通過三峽水庫期間(12～19日)，宜昌站流量隨水庫控泄流量逐步增大至43 400 m3/s(12日21：00)，之后基本維持在41 300～44 500 m3/s之間波動變化，其相應(yīng)水位為 50.93～51.59 m，最高水位距宜昌站警戒水位1.41 m，排在三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水以來的同期第三位(前兩位分別是2012年的 52.87 m和2010年的 51.78 m)。2號洪峰被三峽水庫攔蓄后，宜昌站流量逐漸消退至29 800 m3/s(21日19：00)，至此本次洪水過程結(jié)束。

期間，三峽出庫代表站黃陵廟站、葛洲壩出庫代表站宜昌站含沙量隨入庫含沙量變化均出現(xiàn)兩次明顯的沙峰過程。兩站含沙量過程和大小基本一致，其中，兩站最大含沙量分別為0.950 kg/m3和0.886 kg/m3。

3 水庫泥沙輸移特性分析

3.1 沙峰輸移時(shí)間

統(tǒng)計(jì)兩次編號洪水過程中寸灘至廟河各站最大含沙量出現(xiàn)時(shí)間， 分析得到寸灘至清溪場的沙峰輸移時(shí)間均為1 d， 寸灘-廟河的沙峰輸移時(shí)間分別歷時(shí)5 d和6 d。 選取2009年以來汛期典型高含沙洪水過程整編含沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 可知沙峰自寸灘傳至清溪場一般歷時(shí)1 d， 至萬縣2～4 d， 至廟河歷時(shí)4～12 d不等， 見表3。 由此可見， 兩次編號洪水實(shí)測沙峰傳播時(shí)間與2009年后典型過程的輸移時(shí)間基本相符。

表3 2018年7月洪水過程寸灘-廟河沙峰傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì) d

由于庫區(qū)水沙運(yùn)動的特殊性，沙峰輸移時(shí)間受入庫水沙、河床邊界條件及水庫運(yùn)行方式等多因素影響[3]，對2009年以來高含沙洪水沙峰輸移時(shí)間與相應(yīng)場次洪水入庫時(shí)洪峰流量、三峽大壩壩前水位及洪水含沙量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 不同壩前水位下沙峰輸移時(shí)間與三峽入庫流量的關(guān)系

(1)沙峰輸移時(shí)間與流量、壩前水位的相關(guān)關(guān)系。圖6點(diǎn)繪了2009年以來的寸灘站整編的沙峰輸移至廟河在不同壩前水位下所需歷時(shí)與相應(yīng)入庫洪峰流量的相關(guān)關(guān)系。整體來看，在同一壩前水位條件下，沙峰輸移時(shí)間與入庫洪峰整體呈反比關(guān)系，即入庫流量越大、沙峰輸移時(shí)間相對越短。在相同流量級下，沙峰輸移時(shí)間與壩前水位呈正比關(guān)系，即壩前水位越高，沙峰在庫區(qū)內(nèi)輸移歷時(shí)越長[4]。

由實(shí)測資料可知，2018年第2號洪水過程的入庫洪峰流量與壩前水位均大于第1號洪水。由表2可知，第2號洪水沙峰輸移時(shí)間(6 d)略大于第1號洪水沙峰輸移時(shí)間(5 d)。根據(jù)上述流量級與壩前水位對沙峰輸移的影響關(guān)系可知，沙峰輸移時(shí)間與入庫流量級呈反比，與壩前水位呈正比。第2號洪水與第1號洪水相比，流量較大、壩前水位較高，而輸移時(shí)間較長，因此認(rèn)為兩次編號洪水過程沙峰的輸移受壩前水位的影響大于受洪峰量級的影響。

(2)沙峰輸移時(shí)間與含沙量的相關(guān)關(guān)系。圖7點(diǎn)繪了2009年以來寸灘、清溪場、萬縣3站整編的沙峰輸移至廟河站歷時(shí)及與各站沙峰含沙量的相關(guān)關(guān)系。整體看來，沙峰輸移時(shí)間與各站沙峰大小呈正相關(guān)關(guān)系，即洪水含沙量越大，沙峰在庫區(qū)內(nèi)輸移歷時(shí)越長[3]。但由于三峽水庫試驗(yàn)性蓄水以來，高含沙量洪水場次有限，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)據(jù)較少，故趨勢并不明顯。

圖7 沙峰輸移時(shí)間與含沙量的關(guān)系

圖8 小于0.031 mm粒徑以下懸沙占比與庫區(qū)含沙量輸移時(shí)間的關(guān)系

(3)沙峰輸移時(shí)間與顆粒級配的相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)了三峽水庫2009年以來6次典型輸沙過程，分析了每次沙峰的顆粒級配和沙峰輸移時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(見圖8)，沙峰懸移質(zhì)粒徑與輸移時(shí)間有較明顯的相關(guān)關(guān)系：細(xì)沙(粒徑小于0.031 mm)占比越大，寸灘站沙峰輸移至廟河的時(shí)間越長。其原因是，泥沙的沉降速度與粒徑呈正比，即泥沙顆粒愈粗，其沉降速度愈大，在水體中停留的時(shí)間就愈短；泥沙顆粒愈細(xì)，其沉降速度愈小，在水中輸移的時(shí)間愈長。由此可見，入庫含沙量的顆粒級配對泥沙預(yù)報(bào)有較大的影響。因此，預(yù)報(bào)時(shí)除采用寸灘站逐日實(shí)測含沙量、壩前水位等進(jìn)行實(shí)時(shí)修正外，還需考慮入庫含沙量顆粒級配。

3.2 沙峰衰減比

統(tǒng)計(jì)分析2009年以來典型高含沙洪水在庫區(qū)輸移過程中沙峰值的變化，清溪場站與寸灘、萬縣與清溪場、廟河與萬縣各組沙峰值呈明顯線性正相關(guān)(見圖9～12)，沙峰比(下游站沙峰值與上游站沙峰值之比)一般在0.6～1.2之間，均值0.91；廟河站與寸灘站沙峰值亦呈一定程度的正相關(guān)關(guān)系，沙峰比均在0.5以下，均值0.17，相關(guān)程度較各分段的沙峰比明顯減弱(見圖12)。

圖9 2009年以來清溪場沙峰值與寸灘站沙峰值的相關(guān)關(guān)系

圖10 2009年以來萬縣沙峰值與清溪場沙峰值的相關(guān)關(guān)系

圖11 2009年以來廟河沙峰值與萬縣沙峰值的相關(guān)關(guān)系

圖12 2009年以來廟河沙峰值與寸灘沙峰值的相關(guān)關(guān)系

圖13 2009年以來各站與寸灘站沙峰比與三峽入庫洪峰流量的相關(guān)關(guān)系

分析2018年7月的兩場高含沙編號洪水，第1號洪水過程寸灘-清溪場及清溪場-廟河站沙峰比分別為 0.68和 0.30；第2號洪水過程沙峰比分別為0.73和 0.34。與蓄水后多年均值相比，沙峰在寸灘至清溪場段衰減更劇烈，清溪場-廟河段衰減相對較弱。兩次洪水的實(shí)測沙峰衰減基本符合2009年以來整編資料分析的衰減規(guī)律。

圖13點(diǎn)繪了各站與寸灘站的沙峰比與三峽入庫洪峰流量的相關(guān)關(guān)系。整體看來，各站沙峰比均與三峽入庫洪峰呈一定程度的正相關(guān)關(guān)系，即場次洪水洪峰流量越小，沙峰比越小，沙峰在庫區(qū)內(nèi)輸移過程中沿程衰減越明顯。

3.3 水庫排沙比

三峽入庫泥沙主要集中在汛期，汛期1～3場次大洪水水沙過程排出的泥沙可占主汛期和全年出庫泥沙的50%～90%，汛期洪水過程(場次洪水)排沙量在水庫汛期總排沙量中占較大比重[5]。因此，分析汛期場次洪水，尤其是高含沙洪水過程的排沙比具有十分重要的意義。

以寸灘站為含沙量入庫代表站、宜昌站為總出庫代表站，采用實(shí)測資料計(jì)算了2018年7月月均排沙比為24.8%；第1號、第2號洪水過程的排沙比分別為32.6%、20.9%，兩場洪水排沙量分別占7月出庫排沙總量的35.6%和57.2%。2009年以來最大含沙量場次洪水為2013年7月9～18日洪水過程，其沙峰含沙量為5.45 kg/m3，排沙比為28.2%，排沙量占當(dāng)月出庫排沙總量的90%。此外，初步統(tǒng)計(jì)分析了2011年以來(2009～2010年暫未收集到寸灘含沙量資料)汛期含沙量大于1.5 kg/m3的場次洪水(12次)排沙比與洪水過程平均庫水位、平均入庫流量及入庫洪峰、入庫沙峰的相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，排沙比與場次洪水平均入庫流量有較明顯的正比關(guān)系，且隨流量的增大呈加速增大的趨勢(見圖14)，與平均庫水位、入庫洪峰流量、沙峰含沙量的點(diǎn)據(jù)散亂，沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

圖14 2011年以來含沙量大于1.5 kg/m3的場次洪水排沙比與平均入庫流量的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)2018年7月上中旬長江上游流域出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，致上游各支流發(fā)生大洪水、特大洪水。其中47條河流5站超歷史水位、18站超保證水位、55站超警戒水位，范圍主要集中在岷沱江和嘉陵江，在干流先后形成2018年第1號洪水、第2號洪水。

(2)洪水過程受上游梯級水庫攔蓄，錯(cuò)峰明顯。在第1號、第2號洪水過程中，三峽水庫削峰率分別為25%、29%，共攔蓄水量分別約 20.1億m3和62.75億m3。受三峽水庫攔蓄削峰影響，宜昌站在兩次編號洪水過境三峽水庫期間最高水位達(dá) 51.59 m，距宜昌警戒水位1.41 m，排在三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水以來的同期第三位(前兩位分別是2012年的52.87 m、2010年的 51.78 m)。

(3)第1號、第2號洪水過程寸灘站沙峰含沙量分別為 2.32 kg/m3和 4.47 kg/m3(為2013年以來最大沙峰)。寸灘-廟河的沙峰輸移分別歷時(shí)5 d、6 d。兩次編號洪水過程中沙峰的輸移受壩前水位的影響大于受洪峰量級的影響。

(4)兩次洪水過程中泥沙預(yù)報(bào)采用的細(xì)顆粒級配與兩次沙峰過境時(shí)實(shí)測懸沙顆粒級配曲線基本一致。各站預(yù)報(bào)沙峰含沙量最大相對誤差在10%以內(nèi)，以偏小為主；峰現(xiàn)時(shí)間相對誤差在10%左右，主要表現(xiàn)為沙峰滯時(shí)。

(5)第1號、第2號洪水過程的排沙比分別為32.6%、20.9%，兩場洪水排沙量分別占7月出庫排沙總量的35.6%和57.2%。排沙比與場次洪水平均入庫流量有較明顯的正比關(guān)系，且隨流量的增大而呈加速增大的趨勢。