《1 引言》

1 引言

三峡工程位于长江干流的三斗坪, 在宜昌上游约46 km处。它的主要任务是防洪、发电和通航。长江位于中国的湿润地区, 径流丰沛, 经常发生洪水。1870年洪水在宜昌流量达到105 000 m3/s 的惊人数字, 并在右岸冲开松滋河, 分流入洞庭湖。这一带洪水经常超过6×104 m3/s。 荆江有一段悬河尤为吃紧。三峡工程的首要任务是防长江中、下游, 特别是荆江河段的大洪水。

三峡工程最大坝高175 m, 总库容393×108 m3 。总装机1 820×104 kW, 年发电量847×108 kW·h。近年又在右岸加建一座地下厂房。

每年9月至次年6月为枯水期, 万吨船队可使用左岸的5级船闸上溯过坝, 进入水库, 并在水库中远航至上游约500 km处的重庆。

显然, 要发挥上述三大效益, 就必须在三峡设计水平年 (80年) 内保持足够的库容。由于长江的输沙量相当大, 要长远维持足够的库容, 就必须妥善处理河流的泥沙, 利用长江丰沛的径流, 进行水库泥沙调度。对三峡泥沙问题曾进行过大量研究。1985年以后, 结合论证和设计又进行了大量计算和试验研究。研究遵循计算、试验和原型三结合的原则进行, 已为原型观测拨出大量经费。2003年水位蓄至135~156 m后, 第一批验证工作即可开始。

《2 径流量和输沙量》

2 径流量和输沙量

表1给出了一些主要测站的年径流量, 年输沙量和含沙量平均值。图1和图2 给出了寸滩站的年径流量和年输沙量的过程线。宜昌站的情况相似。由图1和图2可见1991年以后来水来沙都出现较大波动。但因这仍可能是水文波动的一部分, 所以在研究中仍采用表中所列数字 (相当于图1和图2中的粗横线) , 使研究略偏于安全, 同时密切注意未来的变化。1953至1998年的年径流量和年输沙

表1 年输沙量和径流量 Table 1 Annual sediment load and runoff

《表1》

测站年径流量
/108 m3
年输沙量
/108 t
含沙量
/kg·m-3
统计时段
宜昌4 390 5.24 1.211950-1989
寸滩3 5104.601.301953-1989
武隆4900.3040.641955-1989

量平均值分别为3 475×108 m3 和4.44×108 t, 只略小一些。粗于1mm的推移质在本文研究的河段中每年只有几百万吨, 可以忽略不计。

《图1》

图1 寸滩年径流量
Fig.1 Runoff past Cuntan

图1 寸滩年径流量 Fig.1 Runoff past Cuntan  

《图2》

图2 寸滩年输沙量
Fig.2 Sediment load past Cuntan

图2 寸滩年输沙量 Fig.2 Sediment load past Cuntan  

上文已说明, 三峡水库的总库容为393×108 m3。对比表1, 可知如不采取相应措施, 库容将较快淤损。因此做好泥沙调度工作, 减少水库淤积, 对于保证三峡水库正常运转是十分重要的。

《3 泥沙调度的基本方案》

3 泥沙调度的基本方案

三峡的汛期是每年6—9月。在此期间, 平均有61%的年径流和88%~90%的年输沙量进入三峡水库[1], 这应是水库排沙的好时机。为此, 制定了水库运行的基本方案。每年6月水库坝前水位控制在枯季限制水位155 m, 即枯限水位 (DCL) 。当第一次洪水出现时, 库区水深增大。此时坝前水位可降低至高程145 m, 即低于坝顶40 m。该水位称为汛期限制水位或汛限水位 (FCL) 。当大坝在这个水位下泄流与下游区间洪水组合后、在枝城的流量不大于56 700 m3/s 时, 该水位维持不变;否则水库开始调洪, 水位应上升, 借以维持枝城的流量不变。上升的幅度取决于调洪需要, 一般不超过175 m, 视调洪方案而定[2]。汛后约9月底至10月初, 水库可蓄水到正常高水位175 m;这时, 电厂可以满发, 万吨船队可以通航到重庆。随着发电、航运等方面持续用水, 水库水位将消落。但要求在来年汛前不低于枯限水位, 以便通航[3]

根据建设计划, 2003年三峡工程便可蓄水到156 m 高程。由于库区高程156 m以上的移民工作十分繁重, 起初估计须到2013年才能完成。另外泥沙研究方面, 鉴于泥沙研究的误差较大, 也希望有一段时间 (10年) 留供室内研究 (图见封面) 和原型资料对比校核。所以, 尽管在结构上, 大坝在2009年末已具备蓄水到175 m的能力, 泥沙专家组也同意最早要到2013年才将水库蓄到175 m[4]

由于泥沙研究的误差较大, 泥沙专家组建议作为一种备用的安全措施, 当水库出现意外大淤积时, 允许将水库短期降低到130 m冲沙。此时要求水库的泄水建筑物仍能泄放流量4×104 m3/s[4]

以上条件给泄水建筑物的设计提出了很高的要求。表2说明这些要求都很好地得到了满足。

表2 泄水建筑物过流能力 Table 2 Discharge capacities of combined spillway and outlet works

《表2》

水库水位/m130135140145150
过流能力/m3·s-1 51 78056 23059 90060 90064 040

《4 水库长期保留库容及洪水位》

4 水库长期保留库容及洪水位

在实行上述水库调度的条件下, 水库运用100年后, 保留的库容和重庆的洪水位见表3。在表3中, 中国水科院的洪水位相应于水库运用109年后、遇流量 82 800 m3/s 时的情况。上文已说明与泥沙有关的研究精度较低, 特别是关于回水曲线的计算。由于不易准确估计阻力系数, 计算河段又长达550 km 以上, 阻力系数的误差会引起较大的水位误差。库区河床初始可能为裸露岩石或部分为粗颗粒覆盖的岩石, 以后逐渐为细泥沙所覆盖。所以河床阻力系数不易确定, 误差在所难免。因此泥沙专家组认为重庆洪水位的计算值可能有正负3 m 的误差[3]。由表3可见运用基本调度可使三峡水库

表3 保留库容和重庆洪水位的计算值 Table 3 Computed reservoir capacities and flood stages

《表3》

研究单位长科院中国水科院
145 m以上库容 (占222×
108 m3的百分比) /%
85.8 90.5 (108 a)
155 m以上库容 (占165×
108 m3的百分比) / %
91.596.4 (108 a)
1%洪水下 (88 700 m3/s)
的重庆水位/ m
199199

长期保留较大的兴利库容供发电和通航之用。

《5 泥沙调度的优化》

5 泥沙调度的优化

在上述基本调度方案的基础上, 提出了优化调度方案, 用以减少淤积, 增加动库容。本优化调度方案简称为双汛限方案, 由第一作者提出[5], 第二作者进行了详细分析[6]。它适用于径流丰沛的河流。在三峡, 本调度方案每年只应用一次。本方案的特点是:一方面减少向床面沉积泥沙量, 同时也设法增大冲刷能力。因此在本方案中, 重视断面边界和形状的改善。本方案要求当上游寸滩流量预报将超过4.5×104 m3/s时, 迅速增加大坝泄量至5×104 m3/s以上 (同时维持枝城流量不超过 56 700 m3/s) , 将坝前水位迅速降低到135 m。此后在来流增加的条件下, 坝前水位将回升。当水位到达143 m时, 船闸即可恢复通航。根据数学模型计算, 坝前水位由145 m降至135 m约需34 h;从135 m回升到143 m也需要相当的时间, 每年水位停留在135 m的时间是4至5天。平均每年需要断航1周时间。在水位消落过程中, 流速将增大, 并将更多细泥沙输送到水库的下段。由于细泥沙不同程度地填平原来凹凸不平的河床, 使阻力系数减少, 流速增加, 输沙能力加大, 将更多泥沙输送到坝前, 送入下游。又如每年都实行双汛限调度, 在低水位强输沙能力水流的作用下, 断面将变得更为窄深。这也有利于将更多的泥沙输至坝前, 排入下游。

实行双汛限调度时, 船闸每年在洪季须停航约1周。因洪水流量超过4.5×104 m3/s时, 两坝间及铜锣峡等多处都已不能通航万吨船队, 所以对航运量的影响应较小。

实行双汛限调度时, 最大的出库水流含沙量约为入库含沙量的1.6倍。由于持续时间较短, 将被迅速稀释, 对于下游航道和生态影响不会很大。

《6 双汛限调度方案的优点》

6 双汛限调度方案的优点

对本方案曾运用不恒定流输沙数学模型进行分析。该数学模型于1988年发表时[7], 曾用室内试验成果做了初步验证。最近又利用黄河下游10年的不恒定输沙观测资料, 做了进一步的率定和验证。以第一年资料率定模型, 其余9年资料作为验证之用。考虑到泥沙研究的误差一般较大, 验证的结果应说是较好的[8]

根据数学模型的分析结果, 双汛限调度方案应尽早投入使用。最好在三峡工程开始按175—145—155方案运用时, 即行投入。在尽早投入的前提下, 双汛限调度方案可带来以下好处:

1) 锣峡至大渡口之间30 km的重庆河段, 淤积可大量减少。本河段淤积100年后呈加速发展趋势。200年后的淤积量大于100年淤积量的2倍。用双汛限方案200年后, 本河段的淤积量可减少一半以上 (图3) 。

《图3》

图3 原方案和双汛限调度方案下重庆的淤积过程
Fig.3 Deposition in Chongqing under 
 different schemes

图3 原方案和双汛限调度方案下重庆的淤积过程 Fig.3 Deposition in Chongqing under different schemes  

2) 运用双汛限调度方案后, 初期可增加防洪库容约30×108 m3 , 后期则增至50 ×108m3

3) 动回水区的洪水位可显著降低。例如, 重庆淤积100年后, 如遇1 %频率的洪水, 洪水位可降低约2 m。

4) 坝前河床将明显刷深, 包括上引航道的口门区和连接段都将明显刷深。这将减少两处的疏浚量。由于水深加大, 流速也减少, 有利于航行。

5) 制约三峡水库满蓄到175 m水位的主要因素之一是变动回水区, 特别是重庆主河道的淤积。如果蓄水到175 m高程会引起重庆严重淤积, 便不应允许蓄水到175 m高程。可行性论证阶段进行的计算和模型试验大都说明重庆淤积不会很严重。但因泥沙研究的误差往往较大, 泥沙专家组曾要求保留一个验证时间 (参阅第3章第2段) , 以便与原型资料对比验证。因此, 最早蓄至175m高程的时间曾建议为2013年。应用双汛限调度方案后, 重庆淤积将大幅度减少, 减少的幅度已大大超出误差可能影响的范围。加以上游干流即将兴建大型水电站, 进入三峡水库的泥沙将显著减少。因此如移民进度允许, 对2009年水库蓄水到175 m可持乐观态度。三峡年发电量达847×108 kW·h。提前满发效益很大, 自不待言。

虽然在研究双汛限调度方案中使用了有一定可靠度的数学模型, 鉴于三峡工程的重要性, 上述成果仍待进一步用实物模型及其他数学模型进行验证。本文的报道提供了重要的线索和可能。

《7 结语》

7 结语

在像长江这样径流丰沛的河流上兴建水库, 可以有较大余地进行泥沙和水库调度的优化工作, 借以减少淤积、延长水库寿命和增进水库的效益。为此需要相应规划设计泄水建筑物, 以满足排沙要求。水库调度除加大排沙量外, 还应有利于减少边界阻力和改善断面形态, 借以增进水流输沙能力。优化调度可带来可观的效益, 值得进一步深入研究。