2020年三峽水庫(kù)沙峰排沙調(diào)度分析

董炳江，許全喜，楊成剛，姜莉玲

（1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020）

2020年8月中旬，長(zhǎng)江流域上游發(fā)生集中性強(qiáng)降雨，強(qiáng)降水區(qū)主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游。受強(qiáng)降雨影響，長(zhǎng)江上游支流沱江、涪江發(fā)生超保證水位洪水，岷江及干流瀘州至寸灘江段發(fā)生超警戒水位洪水。干支流洪水嚴(yán)重遭遇，形成一次較大的復(fù)式洪水過(guò)程（4、5號(hào)洪峰）。三峽水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量分別達(dá)到62 000 m3/s和75 000 m3/s。由于本輪強(qiáng)降雨帶主要位于長(zhǎng)江上游主要產(chǎn)沙區(qū)，岷江、沱江、嘉陵江等流域出現(xiàn)了較大輸沙過(guò)程，其中沱江富順站、嘉陵江支流涪江小河壩站最大含沙量分別達(dá)到16.3 kg/m3和17.8 kg/m3，均位列各站三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用以來(lái)第三位，且含沙量大于5.0 kg/m3的天數(shù)分別達(dá)到了2 d和5 d。經(jīng)估計(jì)，8月13～23日洪水期間，三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量達(dá)到1.27億t，短短12 d的輸沙量已遠(yuǎn)大于2014～2017，2019年全年入庫(kù)輸沙量（0.320億～0.685億t）。

如此多的泥沙淤積在三峽水庫(kù)內(nèi)，將嚴(yán)重影響水庫(kù)的防洪安全和使用壽命，因此盡可能將泥沙排出庫(kù)區(qū)、減少庫(kù)區(qū)泥沙淤積至關(guān)重要［1-5］。近年來(lái)，受局部暴雨影響，三峽入庫(kù)的來(lái)沙更為集中在洪水期間，這為三峽水庫(kù)沙峰排沙調(diào)度提供了可行性［6-8］。所謂沙峰排沙調(diào)度，就是利用庫(kù)區(qū)洪峰沙峰異步傳播特性，在洪峰到來(lái)時(shí)進(jìn)行攔洪削峰，減輕下游防洪壓力；當(dāng)沙峰臨近大壩時(shí)水庫(kù)維持較大泄量進(jìn)行排沙［9-15］。2020年汛期，三峽水庫(kù)在泥沙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了沙峰排沙調(diào)度。調(diào)度期間，三峽水庫(kù)壩前最高調(diào)洪水位雖然高達(dá)167.65m，但此次沙峰過(guò)程排沙比仍達(dá)到了27%，高出試驗(yàn)性蓄水以來(lái)平均排沙比9%，沙峰排沙調(diào)度取得良好效果。

本文對(duì)2020年長(zhǎng)江4、5號(hào)洪水期間，上游暴雨產(chǎn)沙特性、三峽入庫(kù)泥沙組成和增多原因、沙峰排沙調(diào)度等進(jìn)行了分析總結(jié)，以期為今后長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙研究以及三峽水庫(kù)更好地進(jìn)行科學(xué)調(diào)度提供技術(shù)支持。

1 2020年8月水沙情勢(shì)

2020年8月11～13日、14～18日，長(zhǎng)江上游嘉陵江、岷江、沱江等流域接連發(fā)生兩次強(qiáng)降雨過(guò)程，見(jiàn)圖1和圖2，降雨集中、強(qiáng)度大、范圍廣，寸灘以上區(qū)域累計(jì)降雨量達(dá)到了96 mm，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間及累計(jì)雨量均超1981年7月9～14日的78 mm，且強(qiáng)降雨帶基本位于長(zhǎng)江上游主要產(chǎn)沙區(qū)。

圖2 2020年8月14～19日長(zhǎng)江流域降雨圖（8月14日08：00至19日08：00）

受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，8月中下旬，岷江、沱江、涪江、嘉陵江的上游發(fā)生了大或特大洪水，在長(zhǎng)江上游形成兩次編號(hào)洪水（4、5號(hào)），先后出現(xiàn)了較大沙峰過(guò)程，見(jiàn)圖3。

圖3 2020年8月長(zhǎng)江上游主要控制站流量和含沙量過(guò)程

2020年8月14日，因強(qiáng)降雨，長(zhǎng)江上游的支流沱江、涪江發(fā)生超保證水位洪水，岷江及干流瀘州至寸灘江段發(fā)生超警戒水位洪水，形成長(zhǎng)江2020年“第4號(hào)洪水”。8月13日03：00岷江高場(chǎng)站出現(xiàn)洪峰流量24 000 m3/s，13日17：00沙峰含沙量為7.54 kg/m3；沱江富順站14日05：00洪峰流量9 050 m3/s，13日20：00沙峰含沙量達(dá)8.51 kg/m3。涪江小河壩站13日16：00洪峰流量17 200 m3/s，13日02：00沙峰含沙量達(dá)22.7 kg/m3；嘉陵江北碚站14日13：00洪峰流量25 300 m3/s，13日17：00沙峰含沙量9.69 kg/m3。長(zhǎng)江干流朱沱站14日09：00洪峰流量39 800 m3/s，13 日08：00沙峰含沙量為2.38 kg/m3；寸灘站14日17：00，洪峰流量59 400 m3/s，14日05：00沙峰含沙量4.77 kg/m3。

2020年8月17日14：00，受強(qiáng)降雨影響，長(zhǎng)江上游支流岷江、沱江、嘉陵江發(fā)生超警戒水位洪水，涪江發(fā)生超保證水位洪水，干流寸灘站流量漲至50 400 m3/s，形成長(zhǎng)江2020年“第5號(hào)洪水”。岷江高場(chǎng)站18日10：00洪水超保證水位，19日01：00洪峰流量達(dá)到37 300 m3/s，18日22：00沙峰含沙量為7.20 kg/m3。沱江富順站17日23：00洪水超保證，18日20：00洪峰流量10 500 m3/s，18日11：00沙峰含沙量為8.19 kg/m3。涪江小河壩站16日22：00洪水超保證水位，18日08：00洪峰流量達(dá)到20 500 m3/s（歷史第二位），19日11：00沙峰含沙量達(dá)到了17.7 kg/m3。嘉陵江北碚站18日18：00洪水超保證水位，19日10：00洪峰流量37 400 m3/s，19日13：00含沙量為7.18 kg/m3。長(zhǎng)江干流朱沱站19日19：00洪峰流量48 400 m3/s，19日23：00沙峰含沙量為4.40 kg/m3。寸灘站20日05：00流量達(dá)到了74 600 m3/s，20日08：00沙峰含沙量3.99 kg/m3。

實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明：2020年“4號(hào)洪水”8月12～16日，寸灘站輸沙量為3 260萬(wàn)t；“5號(hào)洪水”8月17～25日，寸灘站輸沙量為8 630萬(wàn)t；兩次洪水期間寸灘站總輸沙量達(dá)到11 890萬(wàn)t。

2 三峽水庫(kù)入庫(kù)水沙組成

2020年8月，長(zhǎng)江上游4、5號(hào)洪水相隔時(shí)間較近，為典型的雙峰型洪水過(guò)程；三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙集中，8月13～23日洪水期間，入庫(kù)沙量達(dá)到了1.27億t，短短12 d的輸沙量已遠(yuǎn)大于2018年2號(hào)洪水期間（7月11日08：00至17日08：00）的入庫(kù)沙量7 440萬(wàn)t，遠(yuǎn)大于2014～2017年、2019年全年入庫(kù)輸沙量（3 200萬(wàn)～6 850萬(wàn)t）。兩次洪水過(guò)程中長(zhǎng)江上游主要產(chǎn)輸沙過(guò)程均集中在8月。實(shí)測(cè)資料表明：2018年8月寸灘站徑流量為980億m3，長(zhǎng)江上游來(lái)水主要為嘉陵江、金沙江和岷江，其中嘉陵江北碚站、金沙江向家壩站和岷江高場(chǎng)站來(lái)水分別占寸灘站8月份徑流量的31%，30%和28%。2020年8月寸灘站輸沙量為1.29億t，長(zhǎng)江上游泥沙主要來(lái)自于嘉陵江，北碚站輸沙量為8 055萬(wàn)t，占寸灘站8月沙量的63%，其次分別為岷江和沱江，高場(chǎng)站和富順站輸沙量分別為5 070萬(wàn)t和1 980萬(wàn)t，分別占寸灘站8月份沙量的39%和15%，橫江來(lái)沙僅為102萬(wàn)t（見(jiàn)圖4）。

圖4 2020年8月長(zhǎng)江上游主要水文站徑流量與輸沙量

嘉陵江泥沙主要來(lái)自于涪江和嘉陵江上游，2020年8月涪江小河壩站輸沙量為6 970萬(wàn)t，占北碚站的87%；嘉陵江上游武勝站輸沙量為1 580萬(wàn)t，占北碚站的20%（見(jiàn)圖5）。

圖5 2020年8月嘉陵江上游主要水文站徑流量與輸沙量

由此可見(jiàn)，2020年8月三峽入庫(kù)泥沙主要來(lái)源于涪江和岷江，分別為寸灘站同期沙量的54%，39%；其次為沱江和嘉陵江上游，分別為寸灘站同期沙量的15%，12%。

3 三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙增多原因分析

（1）長(zhǎng)江上游發(fā)生強(qiáng)降雨過(guò)程且降雨帶位于強(qiáng)產(chǎn)沙區(qū)。2020年8月11～18日，長(zhǎng)江上游出現(xiàn)了強(qiáng)降水過(guò)程，受高空槽、冷暖空氣和特殊地形共同影響，嘉岷流域附近出現(xiàn)持續(xù)性暴雨～大暴雨的極端降水過(guò)程，過(guò)程維持時(shí)間達(dá)7 d，累計(jì)雨量≥100 mm的籠罩面積約24.7萬(wàn)km2，≥250 mm的籠罩面積約7萬(wàn)km2，強(qiáng)降水區(qū)主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，上述分區(qū)面均雨量多在140 mm以上，其中涪江390 mm、沱江313 mm。從單站雨量來(lái)看，涪江北川站累計(jì)雨量946 mm、沱江漢王場(chǎng)站855 mm。受強(qiáng)降雨影響，長(zhǎng)江上游高場(chǎng)、富順、小河壩、北碚、朱沱、寸灘等站洪峰流量分別列歷史第1～11位，各站洪峰水位超保證幅度0.08～8.12 m，其中，高場(chǎng)站洪峰水位291.08 m，位居歷史最高水位第一位；寸灘站洪峰水位191.62 m，位居歷史最高水位第二位，寸灘站洪峰流量達(dá)到74 600 m3/s，見(jiàn)表1。

表1 2020年8月長(zhǎng)江上游干支流主要控制站洪峰特征值

嘉陵江上游支流西漢水、白龍江中游、岷江等流域?qū)儆趶?qiáng)產(chǎn)沙地區(qū)。2020年8月，受暴雨洪水影響，長(zhǎng)江上游涪江、岷江、沱江、嘉陵江上游等支流出現(xiàn)大含沙量沙峰過(guò)程，增加了三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量。岷江高場(chǎng)站沙峰含沙量7.54 kg/m3；沱江富順站沙峰含沙量達(dá)8.51 kg/m3；涪江小河壩站沙峰含沙量達(dá)22.7 kg/m3；嘉陵江上游武勝站沙峰含沙量3.65 kg/m3，北碚站沙峰含沙量9.69 kg/m3；長(zhǎng)江干流朱沱站沙峰含沙量4.40 kg/m3，寸灘站沙峰含沙量4.77 kg/m3。

（2）長(zhǎng)江上游地震帶前期產(chǎn)生了大量松散堆積體，在暴雨誘發(fā)下易形成滑坡和泥石流。2020年輸沙量較大河流——涪江、岷江、沱江和嘉陵江的上游均流經(jīng)龍門山斷裂帶，再由龍門山出山口進(jìn)入沖積平原或丘陵區(qū)。龍門山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（斷層、裂層交錯(cuò)），其巖石尤以風(fēng)化嚴(yán)重易碎、層理發(fā)育的灰?guī)r、泥巖和沙巖為主，這些巖石抗侵蝕極差，而且沿層面或裂隙易產(chǎn)生滑動(dòng)或崩塌。

近年來(lái)，在龍門上斷裂帶附近相繼發(fā)生了汶川地震、蘆山地震、九寨溝地震等特大地震。2008年5月12日，四川汶川發(fā)生Ms8.0級(jí)的大地震，地震釋放主要位于龍門山北川至映秀地區(qū)；2013年4月20日，四川省蘆山縣發(fā)生Ms7.0級(jí)地震，震中位于龍門山斷裂帶上的西南段；2017年8月8日，四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生Ms7.0地震，震中位于岷江斷裂、塔藏?cái)嗔押突⒀罃嗔阎g。這些地震在上游產(chǎn)生了上百億方的松散堆積體，隨著時(shí)間的推移，松散體中的細(xì)小顆粒泥沙會(huì)隨水流向下游地區(qū)輸移。

2020年8月，長(zhǎng)江上游發(fā)生強(qiáng)降雨過(guò)程，降雨帶主要沿龍門山斷裂帶呈帶狀分布，位于揚(yáng)子板塊與青藏板塊的地縫合線上。前期地震在山坡、山谷產(chǎn)生大量的松散體，在大暴雨或特大暴雨的誘發(fā)下，形成滑坡和泥石流進(jìn)入河流，導(dǎo)致入庫(kù)泥沙增多。

（3）上游低水頭水庫(kù)攔沙作用有限，大洪水時(shí)暢泄，導(dǎo)致下游輸沙量突然增大。長(zhǎng)江上游岷江、沱江、嘉陵江等支流低水頭航電樞紐和閘壩水利設(shè)施已建成多年，部分已達(dá)到淤積平衡，攔沙作用減弱，遇到大洪水時(shí)，庫(kù)區(qū)大量泥沙被攜帶出來(lái)，導(dǎo)致下游輸沙量突然增大。另外隨著一些大型水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增加，庫(kù)區(qū)泥沙淤積增加，攔沙能力逐漸減弱。岷江紫坪鋪水庫(kù)，雖然庫(kù)容較大，但由于淤積強(qiáng)烈，攔沙量大，死庫(kù)容已基本淤滿，攔沙能力大幅減弱。白龍江碧口水庫(kù)已運(yùn)行40余年，因水庫(kù)淤積庫(kù)容損失達(dá)60%，庫(kù)區(qū)已基本成為河道形態(tài)，不具備攔沙庫(kù)容，大多數(shù)懸移質(zhì)泥沙直接隨水流進(jìn)入下游河道。

4 沙峰期間三峽水庫(kù)調(diào)度效果分析

4.1 沙峰期間三峽水庫(kù)調(diào)度

根據(jù)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)成果，2020年8月19日開(kāi)始沙峰到達(dá)三峽水庫(kù)壩前，長(zhǎng)江防汛抗旱總指揮部實(shí)施了防洪調(diào)度，同時(shí)兼顧排沙、航運(yùn)調(diào)度。

2020年8月18日16：00起，三峽水庫(kù)下泄流量由44 000 m3/s增大至49 000 m3/s，8月22日壩前最高調(diào)洪水位達(dá)167.65 m（見(jiàn)圖6），后基本維持下泄流量在48 000 m3/s直至25日12：00。為了減輕長(zhǎng)江中下游防洪壓力，保障兩壩間通航安全，8月27日08：00三峽水庫(kù)下泄流量逐漸減小至34 000 m3/s左右。9月4日下泄流量逐漸減小至27 000 m3/s左右，見(jiàn)圖7。

4.2 沙峰排沙調(diào)度效果分析

圖6 2020年長(zhǎng)江4、5號(hào)洪水三峽水庫(kù)調(diào)度過(guò)程

圖7 2020年長(zhǎng)江4、5號(hào)洪水黃陵廟站流量和含沙量過(guò)程

2020年長(zhǎng)江4號(hào)、5號(hào)洪水三峽水庫(kù)調(diào)度期間，出庫(kù)黃陵廟站含沙量連續(xù)11 d大于0.5 kg/m3，持續(xù)天數(shù)為試驗(yàn)性蓄水以來(lái)第一位，出庫(kù)最大含沙量達(dá)到0.931 kg/m3，見(jiàn)圖7，為試驗(yàn)性蓄水以來(lái)的第三位（第一位2018年1.33 kg/m3，第二位2013年1.24 kg/m3），日出庫(kù)沙量最大達(dá)340萬(wàn)t（見(jiàn)圖7）。按沙峰輸移過(guò)程統(tǒng)計(jì)，三峽水庫(kù)入庫(kù)沙峰過(guò)程為8月13～23日，對(duì)應(yīng)入庫(kù)沙量為12 650萬(wàn)t，出庫(kù)沙峰過(guò)程為8月17日至9月7日，對(duì)應(yīng)出庫(kù)沙量為3 390萬(wàn)t，沙峰過(guò)程排沙比為27%，比試驗(yàn)性蓄水以來(lái)平均排沙高9%。與往年場(chǎng)次洪水排沙比相比（見(jiàn)表2），2012，2013，2018，2020年沙峰排沙調(diào)度后，水庫(kù)沙峰過(guò)程排沙比均有所提高。

從水庫(kù)淤積量沿程分布來(lái)看，2020年8月清溪場(chǎng)以上庫(kù)段淤積泥沙2 337萬(wàn)t，占8月庫(kù)區(qū)總淤積量的22%；清溪場(chǎng)以下庫(kù)段淤積泥沙8 237萬(wàn)t，占8月庫(kù)區(qū)總淤積量的78%。與試驗(yàn)性蓄水以來(lái)相比，2020年8月由于壩前洪水位較高，清溪場(chǎng)以上庫(kù)段泥沙淤積占比有所偏大，見(jiàn)表3。

表2 2010～2020年場(chǎng)次洪水排沙比統(tǒng)計(jì)

表3 2020年8月庫(kù)區(qū)分段沖淤量與試驗(yàn)性蓄水以來(lái)對(duì)比（輸沙法）

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，三峽水庫(kù)利用入庫(kù)洪峰、沙峰在水庫(kù)內(nèi)傳播時(shí)間的差異，提出了沙峰排沙調(diào)度模式，進(jìn)行減淤調(diào)度試驗(yàn)，并在2012，2013，2018年汛期進(jìn)行了初步試驗(yàn)，取得了較好的效果。

2020年8月中旬，長(zhǎng)江上游接連形成4、5號(hào)洪水，三峽水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量分別達(dá)到62 000，75 000 m3/s，8月13～23日洪水期間三峽入庫(kù)沙量達(dá)到1.27億t。根據(jù)泥沙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)成果，三峽水庫(kù)在進(jìn)行防洪、航運(yùn)調(diào)度的基礎(chǔ)上，實(shí)施了沙峰排沙調(diào)度，沙峰過(guò)程排沙比為27%，比試驗(yàn)性蓄水以來(lái)平均排沙比高9%，取得了較好的排沙效果，為進(jìn)一步完善三峽水庫(kù)“蓄清排渾”新模式積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。