三峽工程175米試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行期的泥沙觀測分析

鄭守仁

摘 要：自2008年起，三峽工程由初期蓄水位156.0m運(yùn)行轉(zhuǎn)入正常蓄水位175m試驗(yàn)性運(yùn)行。本文分析歸納了三峽工程175米試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行期的泥沙觀測資料，從長江上游水文情勢變化、水庫實(shí)測泥沙淤積資料分析、壩區(qū)實(shí)測泥沙資料分析、大壩下游河道沖淤資料分析四個(gè)方面進(jìn)行歸納，得出了相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：水庫;泥沙觀測;三峽工程

中圖法分類號：TV698.1? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0301

三峽工程壩址位于湖北省宜昌市三斗坪，控制流域面積100萬km2。三峽工程為超大型工程，采用“一級開發(fā)，一次建成，分期蓄水，連續(xù)移民”的建設(shè)方案。初步設(shè)計(jì)分期蓄水分為：圍堰擋水發(fā)電期、初期運(yùn)行期和正常運(yùn)行期。2003年水庫蓄水至135.0m水位，進(jìn)入圍堰擋水發(fā)電期;2007年蓄水至156.0m水位，進(jìn)入初期運(yùn)行期;2009年樞紐工程完建，具備蓄水至正常蓄水位175.0m的條件;2010年水庫蓄水至正常蓄水位175.0m。

三峽工程于1993年施工準(zhǔn)備，1994年12月開工，1997年11月6日大江截流，導(dǎo)流明渠泄流;1998年開始施工河床左側(cè)大壩和電站廠房，2002年11月6日導(dǎo)流明渠截流，河床右側(cè)上游碾壓混凝土圍堰與河床左側(cè)已修建的大壩共同擋水，江水從已建大壩泄流孔下泄;2003年6月，蓄水至135.0m水位，7月左岸電站首批機(jī)組發(fā)電，雙線五級連續(xù)船閘通航，進(jìn)入圍堰擋水發(fā)電期。2004年河床右側(cè)大壩及電站廠房開始施工，2005年左岸電站14臺機(jī)組全部投產(chǎn);2006年6月，河床右側(cè)大壩混凝土施工至壩頂高程185.0m，上游碾壓混凝土圍堰爆破拆除，大壩全線擋水，10月蓄水至156.0m水位，提前一年進(jìn)入初期運(yùn)行期。2007年右岸電站7臺機(jī)組投產(chǎn)，2008年8月，大壩及電站廠房（右岸電站12臺機(jī)組全部投產(chǎn)）和雙線五級連續(xù)船閘全部完建，具備蓄水至正常蓄水位175.0m的條件;移民工程縣城和集鎮(zhèn)遷建完成，移民安置、庫區(qū)清理、地質(zhì)災(zāi)害防治、水污染防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、文物保護(hù)等專項(xiàng)，經(jīng)主管部門組織驗(yàn)收，可滿足水庫蓄水至175.0m的要求。國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會（以下簡稱“三峽建委”）于9月26日批準(zhǔn)三峽工程實(shí)施175.0m水位試驗(yàn)性蓄水，標(biāo)志著三峽工程由初期蓄水位156.0m運(yùn)行轉(zhuǎn)入正常蓄水位175.0m試驗(yàn)性運(yùn)行。三峽建委確定試驗(yàn)性蓄水遵循“安全、科學(xué)、穩(wěn)妥、漸進(jìn)”的原則。2008年9月28日開始試驗(yàn)性蓄水，11月5日最高蓄水位達(dá)172.80m。2009年9月15日開始當(dāng)年試驗(yàn)性蓄水，因長江中下游地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)，為支援抗旱，11月24日庫水位蓄至171.43m停止蓄水。2010年至2018年汛末試驗(yàn)性蓄水，連續(xù)9年蓄水至175m水位運(yùn)行。三峽工程175m水位運(yùn)行前，在試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用期間，根椐主管部門審批的《長江三峽工程175m水位試驗(yàn)性蓄水監(jiān)測及試驗(yàn)要求》，對樞紐各建筑物及金屬結(jié)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)測，水輪發(fā)電機(jī)組等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行各種運(yùn)行工況試驗(yàn);對庫區(qū)移民工程設(shè)施、地質(zhì)災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水庫泥沙淤積及壩下游河道沖淤變化等專項(xiàng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測及分析，為工程轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行期提供技術(shù)支撐。

1? 長江上游水文情勢變化

20世紀(jì)90年代以來，長江上游徑流量減小較少;受降水條件變化、干支流修建水庫、實(shí)施水土保持、封山育林及防治石漠化措施，以及河道采砂等綜合影響，上游來沙明顯減少。三峽工程初步設(shè)計(jì)水文資料采用壩址下游30km的宜昌站實(shí)測資料，多年（1878—1990年）平均年徑流量為4 510億m3，平均年輸沙量為5.21億t。入庫水沙資料采用寸灘站（距壩址605.7km，見圖1）與烏江出口武隆站（距烏江出口71km，見圖1）1990年以前實(shí)測資料疊加，平均年徑流量4 015億m3，平均年輸沙量為4.914億t。三峽水庫蓄水運(yùn)行以來，2003—2017年實(shí)測入庫水文站（寸灘站和武隆站之和，下同）年平均徑流量和懸移質(zhì)輸沙量分別為3 701億m3和1.48億t，較初步設(shè)計(jì)釆用值分別減小8%和70%;2008年汛末實(shí)施175m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行，至2017年入庫年平均徑流量和懸移質(zhì)輸沙量分別為3 721億m3和1.21億t，較初步設(shè)計(jì)釆用值分別減小7%和75%（見表1）。2003—2017年出庫宜昌站年平均徑流量4049億m3，較初步設(shè)計(jì)釆用值減少10.2%;2008年汛末試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行至2017年，宜昌站年平均徑流量4 105億m3，較初步設(shè)計(jì)釆用值減少9.0%。三峽水庫入庫泥沙減少，有利于實(shí)施優(yōu)化運(yùn)行、科學(xué)調(diào)度，全面發(fā)揮工程的綜合效益。

圖1? ? 三峽水庫入庫水文站及主要縣城位置圖

在三峽工程論證和初步設(shè)計(jì)階段，寸灘站實(shí)測年平均礫卵石推移質(zhì)輸沙量為27.7萬t（沙質(zhì)推移質(zhì)無實(shí)測資料）。自20世紀(jì)90年代以來，進(jìn)入三峽水庫的礫卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)泥沙數(shù)量總體呈減少趨勢，寸灘站1991—2002年實(shí)測卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)的年平均輸沙量分別為15.4萬t和25.83萬t，推移質(zhì)總量約為同期懸移質(zhì)輸沙量的0.13%;水庫蓄水運(yùn)用后，推移質(zhì)輸沙量大幅減少，2003—2017年寸灘站實(shí)測年平均礫卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別為3.67萬t和1.14萬t，推移質(zhì)總量較2002年前平均值減少88%，約為同期懸移質(zhì)輸沙量的0.034%。水庫上游來沙量（懸移質(zhì)和推移質(zhì)總和）大幅減少，進(jìn)入重慶河段的礫卵石推移質(zhì)數(shù)量極少，尚未出現(xiàn)一些專家擔(dān)憂的三峽庫尾推移質(zhì)嚴(yán)重淤積的局面。隨著上游干支流水電站的建設(shè)與運(yùn)用，預(yù)期三峽入庫沙量將進(jìn)一步減少，并在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)維持較低水平。

2? 水庫實(shí)測泥沙淤積資料分析

三峽水庫2003年蓄水運(yùn)用至2017年底，庫區(qū)干流共淤積泥沙16.69億t，多年平均淤積量為1.15億t，約為論證階段預(yù)測值的35%;按體積法計(jì)算，175m高程以下干支流庫區(qū)總淤積泥沙約16.71億m3，占總庫容的4.3%，水庫泥沙淤積主要發(fā)生在奉節(jié)至大壩的寬河段和深槽中;淤積在145m高程以下的泥沙為15.46億m3，占總淤積量的92.5%，占145m高程以下水庫庫容的9.0%;145m高程以上水庫防洪庫容內(nèi)淤積的泥沙為1.25億m3，占水庫防洪庫容的0.56%。但是，試驗(yàn)性蓄水以來，由于汛期水位抬高，提高了水庫淤積的比例，水庫排沙比降低，2008—2017年實(shí)測水庫平均排沙比為16.5%，2003年6月—2017年12月平均為23.9%，低于論證及初步設(shè)計(jì)預(yù)測值（表2），致使水庫有效庫容淤積占同期淤積量的比例有所增加。

2008年汛末175m水位試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行以來，重慶主城區(qū)河段的沖淤規(guī)律發(fā)生了變化，天然情況下是汛后10月開始走沙，試驗(yàn)性蓄水后主要以庫水位消落期走沙為主。由于入庫懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙大幅減少及河道大量采砂等因素的影響，重慶主城區(qū)河段總體表現(xiàn)為沖刷，自2008年10月—2017年12月重慶主城區(qū)河段累積沖刷量為1 789萬m3（含河道采砂量），未出現(xiàn)論證階段部分專家擔(dān)憂的重慶主城區(qū)河段泥沙嚴(yán)重淤積的局面，也未出現(xiàn)礫卵石的累積性淤積。寸灘站實(shí)測資料表明，三峽水庫蓄水運(yùn)用后汛期水位流量關(guān)系沒有出現(xiàn)明顯變化，說明水庫泥沙淤積尚未對重慶洪水位和航運(yùn)產(chǎn)生影響。

3? 壩區(qū)實(shí)測泥沙資料分析

三峽水庫蓄水運(yùn)行以來，2003年—2017年10月壩前段累積淤積泥沙1.594億m3，深泓平均淤積厚度為33.5m，局部最大淤積厚度達(dá)63.7m;主要淤積在主槽內(nèi)，電廠前淤積面高程較低，但地下電站前泥沙淤積發(fā)展較快，取水口前淤積面高程已達(dá)104.60m，高于地下電站排沙洞進(jìn)口底板高程約2.10m。船閘與升船機(jī)共享上游引航道及下游引航道右側(cè)各設(shè)一座防淤隔流堤，對保障通航水流條件是有效的。上游引航道泥沙淤積較少，目前對航運(yùn)尚未造成影響;下游引航道存在一定的泥沙淤積，經(jīng)疏浚保持了航道暢通。泄洪壩下近壩段河床發(fā)生的局部沖刷，未危及樞紐建筑物安全。

三峽工程船閘運(yùn)用15年來，壩區(qū)泥沙淤積、河勢情況和引航道的水流條件與論證階段和初步設(shè)計(jì)預(yù)測結(jié)果基本一致，壩前泥沙淤積尚未影響樞紐建筑物正常運(yùn)用。

4? 大壩下游河道沖淤資料分析

（1）三峽工程投運(yùn)以來長江中下游河道沖刷分析

三峽工程投運(yùn)后，改變了長江中下游的水沙條件，水庫下泄水流挾沙能力處于不飽和狀態(tài)，致使大壩下游河道（圖2）產(chǎn)生長時(shí)間、長距離的沖淤變化。2003年6月三峽水庫投運(yùn)以來，至2017年11月，宜昌至枝城河段沖刷1.67億m3，枝城至城陵磯（荊江河段）沖刷10.51億m3，城陵磯至漢口河段沖刷3.92億m3，漢口至湖口河段沖刷5.15億m3。2008年9月175m水位試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行至2017年11月，宜昌至枝城河段沖刷0.63億m3，枝城至城陵磯河段沖刷6.87億m3，城陵磯至漢口河段沖刷3.34億m3，漢口至湖口河段沖刷4.14億m3（表3）。宜昌至城陵磯河段河床各年均為沖刷，城陵磯至武漢河段和武漢至湖口河段各年沖淤交替，但總體為沖刷。漢口至湖口河段2002—2017年單位長度的沖刷量為城陵磯至漢口河段同期值的1.4倍，2008—2017年單位長度的沖刷量為城陵磯至漢口河段同期值的1.05倍，兩河段河床組成差別不大，是否與實(shí)施河道整治工程及砂石開采等因素有關(guān)，尚需進(jìn)一步分析。壩下游河道沖刷沿時(shí)程變化表現(xiàn)為水庫蓄水運(yùn)行后的前3年（2003—2005年）最為劇烈，以后有所減弱。宜昌至城陵磯河段前3年平灘河槽沖刷量占該河段10年沖刷總量的50%，其中宜昌至枝城河段為59.1%，枝城至藕池口河段為37.3%，藕池口至城陵礬河段為27%。宜昌至枝城河段深泓線與根據(jù)地質(zhì)鉆探資料繪制的基巖高程線比較，說明紅花套以上河段沖刷已達(dá)基巖頂面，繼續(xù)沖深的余地不大。上荊江（枝城至藕池口）河段河床由中細(xì)沙組成，卵石層頂板較高，河床沖深，床沙粗化。荊江河段目前的基本河勢穩(wěn)定，河道演變規(guī)律不會出現(xiàn)大的變化，局部河段將發(fā)生河勢調(diào)整，護(hù)岸工程的基礎(chǔ)可能受到淘刷，對其穩(wěn)定有一定影響。下荊江（藕池口至城陵磯）河床由中細(xì)沙組成，卵石層深埋床面以下，河床沖深，泄流能力增大，對防洪有利;但可能將引起尚未做控導(dǎo)工程的河段河勢變化，加劇演變強(qiáng)度，凹岸崩坍、撇彎切灘亦將比較劇烈，局部河段堤防及護(hù)岸工程因河床沖深、基礎(chǔ)淘刷，將出現(xiàn)新的險(xiǎn)工險(xiǎn)段，需進(jìn)行加固處理，以確保堤防安全。

（2）三峽工程投運(yùn)以來對洞庭湖水文情勢影響分析

三峽工程投運(yùn)后，荊江三口（松滋口、太平口、藕池口）向洞庭湖分流（圖3）、分沙量減少，洞庭湖區(qū)洪水位將降低，泥沙淤積量減少，湖區(qū)泄流排沙能力增加，湖容縮小速度減緩，有利于改善江湖關(guān)系。實(shí)測資料表明，受流域來水偏枯、三峽水庫蓄水運(yùn)用等綜合影響，長江荊南三口分流入洞庭湖的多年平均年水量由蓄水前1991—2002年的622億m3減少為蓄水后2003—2017年的480億m3;三口分流比從14%減至12%，但在枝城同流量條件下的三口分流比變化不大。三口入洞庭湖的多年平均年輸沙量由蓄水前1991—2002年的6 627萬t，減少為蓄水后2003—2017年的867萬t;2003—2017年三口分沙比為20%，略大于蓄水前1981—2002年的18.7%。三峽水庫蓄水運(yùn)用后荊江與三口河道都發(fā)生了沖刷，三口分流量減少，枯水期斷流天數(shù)增加。

由于荊江河段三口和四水（湘江、資江、沅江、澧水）進(jìn)入洞庭湖的水沙量減少，城陵磯出洞庭湖的水沙量也減少，2003—2017年三口和四水進(jìn)入洞庭湖的水沙量年均分別為2 110億m3和0.173億t，比1991—2002年分別減少約15%和80%。2003—2017年城陵磯出洞庭湖的年平均水沙量分別為2427億m3和0.194億t，比1991—2002年分別減少約15%和20%。三口河道和洞庭湖區(qū)年平均淤積量由蓄水前1991—2002年的6276萬t減少為蓄水后2003—2017年的210萬t。三峽水庫蓄水運(yùn)用后，城陵磯同流量的枯水位有所下降，螺山站枯水流量l0000m3/s水位下降了1.48m。

（3）三峽工程投運(yùn)以來對鄱陽湖水文情勢影響分析

鄱陽湖五河（贛江、撫河、信江、饒河、修河）多年平均年入湖沙量從三峽水庫蓄水前1956—2002年的1 465萬t減少至蓄水后2003—2017年的582萬t，湖口站年平均出湖沙量從蓄水前1956—2002年的938萬t增加為蓄水后2003—2017年的1170萬t，湖區(qū)年沙沖淤量由蓄水前的淤積527萬t轉(zhuǎn)為蓄水后的沖刷589萬t，入江水道段湖口站斷面深槽平均下切約2m。由于入江水道沖淤變化與鄱陽湖來水來沙、長江干流水位變化和采砂活動等有關(guān)，入江水道沖刷下切的具體原因需進(jìn)一步觀測研究。三峽工程運(yùn)用后，2003—2008年鄱陽湖湖口年平均倒灌水量29億m3，與三峽工程運(yùn)用前接近;三峽水庫2009年實(shí)施“中小洪水”滯洪調(diào)度后，減小了干流洪水的上漲速度，使鄱陽湖倒灌水沙量大幅減小，2009—2017年期間年平均倒灌水量只有5.5億m3，減少了81%。

三峽工程運(yùn)行以來，受流域來水偏枯、三峽水庫蓄水運(yùn)用、湖區(qū)社會經(jīng)濟(jì)用水、采砂等因素的影響，荊江三口分流分沙量繼續(xù)減少，減緩了洞庭湖泥沙淤積，與論證預(yù)測一致;三峽水庫汛末蓄水，水庫下泄流量減小，加之壩下游河道沖刷后同流量下水位下降，使洞庭湖和鄱陽湖出流加快，兩湖枯水位出現(xiàn)時(shí)間有所提前。

Analysis of Sediment Observation Data in the Trial Impounding Period of the Three Gorges Project to Pool Level of El. 175-meter

Zheng Shouren

（Changjiang Water Resources Commission，Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract：Since 2008，the Three Gorges Project Reservoir has been on a transition from the initial pool level of El 156.0 m to the normal pool level of El. 175 m for trial operation purpose. This paper analyzes the sediment observation data in the trial impounding period of the Three Gorges Project to pool level of El. 175-meter. Four aspects are analyzed including hydrological situation change in the upper reaches of the Yangtze River，the analysis of sedimentation data in the reservoir，the analysis of sediment data in the dam area，and the scouring and silting data of the downstream dam.

Key words：Reservoir;Sediment observation;Three Gorges Project