三峡水库汛末蓄水对长江中游航道条件影响及调度优化探讨

茆长胜，李 彪

（长江航道规划设计研究院，武汉 430011）

三峡水库汛末蓄水对长江中游航道条件影响及调度优化探讨

茆长胜，李 彪

（长江航道规划设计研究院，武汉 430011）

根据实测资料分析了三峡水库汛末蓄水对长江中游航道条件的影响，在此基础上，对正常运行期的蓄水调度方案进行了优化探讨。研究结果初步认为：目前水库蓄水时间必须提前至9月，宜昌下泄流量应大于10 000～12 000 m3/s，每日流量变幅不宜超过1 500 m3/s。

汛末蓄水；航道条件；优化调度;三峡水库

Biography：MAO Chang-sheng（1958-），male，senior engineer.

三峡工程举世瞩目，具有防洪、发电、航运等综合效益，先后经历了135 m围堰发电期、156 m初期运行期、175 m试验性蓄水运用等不同阶段，即将进入175 m正常运行期。三峡水库蓄水运用后，水库汛前降水速度、汛后蓄水时机和进程、枯期消落方式等调度都会对长江中游航道产生重要影响。三峡大坝拦蓄了大部分泥沙，下泄水流含沙量急剧减少，葛洲坝坝下近坝河段及中游部分河道普遍冲刷，导致水位下降，枯水期及汛后通航水深不足，中游浅水道多次发生碍航情况，航道维护困难，长江黄金水道重要作用难以充分发挥［1-3］。

三峡水库进入正常运行期后，由于三峡水库水位进一步抬高，拦蓄水沙能力进一步加强，加上三峡电站进行日调节，将加快坝下游河段的冲刷进程，可能造成中游航道碍航问题加剧或出现新问题。为了保证坝下游航运的安全畅通，针对三峡水库正常运行期的实际情况，从航运角度研究三峡水库正常运行期汛前降水和汛后蓄水坝前水位控制条件以及葛洲坝枢纽下泄流量、日变幅等方面的基本调度需求，提出相应的航运调度优化方案，消减给航运带来的不利影响，已成为目前航道管理中亟待研究解决的关键难题，也是制约三峡水库正常运行期航运效益发挥的重大问题。本文重点阐述三峡水库汛末蓄水调度对长江中游航道条件的影响，并对调度方案进行了优化探讨［4-5］。

1 三峡水库汛末蓄水对中游河段航道的影响

1.1 三峡水库汛末蓄水方式

初步设计三峡水库蓄水方式为：在每年汛后10月1日开始蓄水，库水位由防洪限制水位逐渐抬升，至10月31日库水位达到175 m（156 m）高程，实现最终（阶段性）蓄水目标。自2008年三峡水库进入175 m实验性蓄水阶段以来，相较设计调度方式而言，其蓄水时间均有所提前，其中2008年提前到9月28日、2009年提前到9月15日、2010年提前到9月10日；从坝前水位起蓄水位看，2008年为145.27 m，2009年为145.87 m，2010年为160.2 m；从蓄满状况看，2008年蓄到172.8 m，2009年因为中下游发生持续旱情，蓄到171.43 m，2010年顺利蓄到175 m最高蓄水位。2011年度，根据三峡集团公司的计划，三峡水库计划从9月10日155 m开始试验性蓄水。

与天然情况相比，三峡水库汛末蓄水，水库拦蓄上游来流，下泄流量减少较多，可能对该时期的浅滩冲刷时间和冲刷流量造成不利影响。

另外，由于长江来水变化随机性较大，按三峡水库设计的蓄水方式，三峡水库在较多的年份难以在10月底蓄满。但随着西部大开发和长江上游水电建设的蓬勃发展，上游建库后由于梯级水库综合调度能力增强，上游水库的汛后蓄水将进一步减少三峡水库的可蓄水量，将加重三峡水库的蓄不满情况。选用1950～2002年水文系列计算可知，在上游无水库条件下，10月底蓄不满比例约占72%，上游建库后蓄不满比例有所提高约占75%；至11月底，蓄不满比例分别约为8%和9%；即使至12月底，水库蓄不满比例分别约6%。由此可见，按目前三峡水库汛后蓄水方式，某些年份水库不仅在10月底蓄不满，即使推迟到11月，乃至12月份，水库仍难以蓄满。

水库10月底不能蓄满使得下泄流量减少，不仅难以满足蓄水期和枯水期下游航道条件的要求，而且也将影响水库综合效益。如何保证水库尽可能蓄满，对于枯期航道条件具有重要意义。

1.2 蓄水以后汛末流量过程及引起的航道条件变化

以1990～2002年以及2003～2010年分别作为蓄水前后的代表流量系列，对比蓄水前后的年内流量过程如图1所示。蓄水后相比于蓄水前最明显的流量过程变化特征就表现在汛后流量的减少，其发生的时间始于9月中旬，终于11月上旬，该段时间内流量过程较蓄水前平均减少了5 000 m3/s以上。

以20 000 m3/s流量视为汛期和退水期的分界流量，流量退至8 000 m3/s视为退水期结束的标志，每年汛后流量由20 000 m3/s减小到8 000 m3/s所历经的天数视为退水期长度。按照这个标准，蓄水前退水期的长度一般在35～55 d，天数小于35或者大于55的年份都很少。退水期结束的时间，一般出现在11月中旬至12月下旬，11月中旬之前结束的不多；三峡水库蓄水以来的2004～2007年退水期长度和结束时机相对于蓄水前减幅不大，仅2006年由于出现历史罕见的特枯水年，7月份流量便小于20 000 m3/s，因而使退水期时间较长。由2008年以后的下泄流量过程可见，三峡水库进入正常运行期后，汛后退水特征的变化趋势是：退水期结束的时间大大提前，退水期长度大幅减少。

图1 三峡水库蓄水前后年内平均流量过程Fig.1 Average flow of the Three Gorges Reservoir before and after impoundment

伴随着汛后退水加快，坝下游沙质河床的浅滩演变出现了一些新的特性。例如2008年三峡水库试验性蓄水过程中，10月下旬汉口水位5 d内陡降3 m，汉阳边滩不断淤宽下移，浅区不断向大桥#5桥孔移动，桥区上水航道水深日益减小，通过禁航疏浚才确保了桥区航道畅通。2009年11月份后水库下泄流量较小，中下游各港埠水位提前回落，太平口等部分浅水道航道维护困难［6］。

2 三峡水库汛末蓄水期优化调度方式分析

2.1 航道条件对下泄流量过程及变幅的要求分析

2.1.1 航道条件对流量过程的需求分析

对于河道中存在边心滩的河段，水位在由汛期向枯期的退落过程中，水流由漫滩状态逐渐归于主河槽，并对主河槽进行冲刷，从而使浅滩水深得以增加，该流量可称为冲槽流量。从监利水道水位与浅滩脊水深关系图（图2）可以看出，当水位高于航行基面以上6 m时，水位下降幅度与浅滩脊水深下降幅度基本一致，表明随着水位的下降浅滩冲刷幅度很小。而当水位低于航行基面以上5 m时，随着水位的下降，浅滩脊水深变化不大，表明此时浅滩冲刷较大。藕池口水道水位与浅滩脊水深关系（图3）同样也表明当水位低于航行基面以上5 m时，浅滩冲刷增强［7］。

图2 监利水道水位与浅滩脊水深之间关系Fig.2 Relationship between water level of Jianli waterway and water depth of shallow ridges

图3 藕池口水道水位与浅滩脊水深关系Fig.3 Relationship between water level of Ouchikou waterway and water depth of shallow ridges

进一步分析发现，冲槽流量对应的水位与航道条件较好年份的边、心滩高程基本一致，基本位于航行基面以上4～6 m。为简单起见，取冲槽流量对应水位为航行基面以上5 m，结合沙市、监利站水位流量关系可知，上荆江冲槽流量约为12 000 m3/s，下荆江冲槽流量约为10 000 m3/s。需要指出的是，这里提出的冲槽流量是指边心滩较为高大完整情况下的统计值，对于蓄水后边心滩散乱的河段，显然需要更长的冲刷期，也即需要更大的冲刷流量［8-9］。

2.1.2 航道条件对流量变幅的需求分析

下泄流量降幅过大对航道条件影响较大。2008年三峡水库蓄水时间为9月28日。蓄水分两个阶段进行。第一阶段蓄水期间，三峡入库流量大，葛洲坝出库流量也大，该阶段坝上水位逐步抬升，中、下游河段水位缓慢退落；第二阶段蓄水期间，三峡入库流量大，而葛洲坝出库流量小，该阶段宜昌流量从10月17日13 600 m3/s快速下降，尤其是中、下旬下降速度较快，最小流量仅5 510 m3/s，长江中、下游河段水位快速回落,监利水位由10月16日的6.85 m降至24日的3.78 m，8 d降幅达3.07 m，最大日降幅达0.62 m，日均降幅0.38 m，其中17日至23日日均降幅达0.49 m。在此期间，窑监水道泥沙得不到及时有效冲刷，航道水深迅速减小，仅能维持3.2 m×80 m（水深×航宽）航道维护尺度，长江航道部门紧急派遣两艘挖泥船驻守该水道，坚持每天施工，但因浅区范围大，挖槽内回淤严重，航道维护挖泥疏浚效果不明显。后经多方协调，三峡水库下泄流量适当增加，勉强保证了该水道维护尺度要求。

因此，汛后蓄水过程中，蓄水过快容易造成下泄流量的变幅较大，对中下游航道产生不利影响。为消除这种不利影响同时又能保障水库蓄满，应当根据入库流量过程实际情况适当延长蓄水时间，放缓蓄水速度。

综合以上分析可以看出，为维持良好的航道条件，对汛末蓄水期的流量过程有如下要求：（1）应满足冲槽流量最低要求且能保持一定的持续时间，该流量对于荆江河段而言为10 000～12 000 m3/s。（2）流量的退落过程尽量均匀，避免中下游河段水位快速回落，尤其当流量低于12 000 m3/s，日均流量变幅不能相差太大，一般应小于1 500 m3/s。为达到这2个目标，建议将水库蓄水开始时间适当提前，蓄水时间适当延长，从而使蓄水期间下泄流量应控制在一个比较合理的区间。

2.2 保障水库蓄满的蓄水时间分析

针对三峡水库汛末蓄水期坝下游河段航道条件的变化及航运需求，175 m正常运行期调度方式的优化主要集中在两方面，一方面是水库需要及时蓄满，蓄水时间的确定；另一方面应能满足下游浅滩冲刷的要求，应能保障浅滩冲刷所必须的宜昌最小下泄流量。这里分别从蓄水时间对蓄满状况的影响、起蓄水位的优化以及不同蓄水时间对浅滩冲刷流量满足状况等方面分别论述。

水库能否蓄满对水库的发电和枯期下泄流量有重要的影响，这里分析了上游无库及上游建库两种情况下不同蓄水时间的三峡水库蓄满状况。考虑到目前175 m试验性蓄水运用以来蓄水时间均提前至9月份，2011年已提前至9月10日，基于9月不同蓄水时间，设定蓄水时间方案如表1所示。其中，正常调度方案为三峡水库设计论证阶段提出的蓄水时间方案，即10月1日开始蓄水；优化调度方案是相对正常调度方案而言的，即提前至9月份的蓄水方案，优化调度1方案蓄水时间为9月21日，优化调度2方案蓄水时间为9月11日，优化调度3方案蓄水时间为9月1日。上述各方案相比，差别仅在蓄水时间的早晚上，蓄水过程及方式无差异。

采用1950～2002年水文系列，分别计算分析了不同蓄水方案下上述系列10～12月底的蓄满状况。计算径流系列平均径流量接近多年平均值，具有较强的代表性，实际计算时间为1950年6月1日至2003年5月31日。表2给出了上游无库与上游建库情况下三峡水库蓄满年数对比。

由表分析可知，汛后蓄水优化调度后水库蓄满率大为提高，而且提前天数越多，水库蓄满保证率越大。为保证水库蓄满，在设计调度方式的基础上，提前至9月份蓄水是必要的。

2.3 三峡水库汛末蓄水期优化调度方式

宜昌洪水主要来自上游，三峡水库设计论证阶段，对宜昌洪水进行了大量论证，综合各方面的考虑，最终确定了10月1日蓄水的方案。随着近年来长江上游水沙情势的变化以及大量水电工程的建成运用，三峡水库防洪压力可进一步缓解，也为汛后蓄水时间及起蓄水位优化奠定了基础。这里仅从蓄水期下泄流量优化及对蓄水时间要求加以介绍。

根据三峡水库航运论证成果及下游浅滩冲刷实际情况，三峡水库蓄水期下泄流量应尽量保证在10 000 m3/s以上。根据原设计调度运行方式，由于10月份本身来流相对较小，水库蓄水与保证下泄流量的矛盾较为突出（表3）。汛后蓄水优化调度后，上述矛盾可以得到有效缓解，在不影响正常蓄水的基础上，将进一步提高三峡水库蓄水期下泄流量不小于10 000 m3/s的保证率。

从尽量保障航道部门的要求出发，计算了蓄水期保证下泄流量10 000 m3/s的满足比例，优化蓄水时间后，各方案满足比例分别为99.6%、99.8%和99.8%，对于下泄流量10 000 m3/s的情况，满足比例可达到99%以上。

综合三峡水库汛后蓄水期坝下游的航道条件需求情况来看，水库蓄水时间必须提前。综合蓄满状况、坝下浅滩冲刷需求来看，蓄水时间以9月中旬为宜，9月宜昌下泄流量应大于10 000～12 000 m3/s，同时保证过程平稳，每日流量变幅不宜超过1 500 m3/s，避免水位陡降导致河床得不到及时有效冲刷。蓄水中后期（10月份）下泄流量可继续按2011年试验性蓄水期最小下泄流量8 000 m3/s控制。如果考虑将来溪洛渡、向家坝水库的运用后对坝下游航道条件的影响，起蓄时间仍可进一步提前，有待下一步的深入研究。

表1 蓄水时间计算方案Tab.1 Calculation scheme of storage time

表2 上游无库与上游建库蓄满年数对比（统计年份1950～2002）Tab.2 Comparison of full storage years of the reservoir（1950～2002）

表3 1946～2002年蓄水期下泄流量小于10 000 m3/s天数Tab.3 Days of discharge flow less than 10 000 m3/s in storage period from 1946 to 2002

3 结论

根据蓄水以来的实测资料，本文分析了三峡水库汛末蓄水对长江中游河段航道条件的影响，并针对正常运行期的航运调度优化进行了研究与探讨，主要认识如下：

（1）三峡水库175 m蓄水运用以来，汛末蓄水引起汛后退水加快，流量过程缩短，下泄流量的变幅较大，导致坝下游沙质河床的浅滩在枯水初期至枯水中期淤沙难以冲刷，是其碍航的主要原因之一。

（2）根据三峡水库汛末蓄水期坝下游河段航道条件的变化及航运需求，对175 m正常运行期汛末蓄水不同调度方式进行了研究，结果显示现有蓄水时间必须提前，水库蓄水应提前至9月份进行，蓄水时间以9月中旬为宜。

（3）坝下河段蓄水期由于水库拦蓄上游来流，下泄流量减少较多，可能对该时期的浅滩冲刷时间和冲刷流量造成不利影响。为维持良好的航道条件，对汛末蓄水期的下泄流量过程一是要求维持9月宜昌最小下泄流量10 000～12 000 m3/s；同时保证流量变化过程平稳，当流量低于12 000 m3/s，日均流量变幅不能相差太大，日均流量变幅不宜超过1 500 m3/s，以避免水位陡降导致河床得不到及时有效冲刷。蓄水中后期（10月份）下泄流量可继续按2011年试验性蓄水期最小下泄流量8 000 m3/s控制。

考虑到长江上游溪洛渡、向家坝水库即将投入运用，将对三峡水库的入库水沙条件造成重要影响，进而对三峡水库正常运行期的调度和航道安全产生影响。目前调度方式及航运指标能否适应溪洛渡、向家坝水库运用后的实际情况，以及溪洛渡—向家坝—三峡水库梯级联合运行对航运指标有何要求，建议在下一步工作中继续开展深入研究。

［1］李明，胡小庆，李彪，等.长江三峡工程航道泥沙原型观测2010～2011年度分析报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2011.

［2］付中敏，刘怀汉，雷国平，等.长江三峡工程航道泥沙原型观测2009～2010年度分析报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2010.

［3］方春明，董耀华，陈松生，等.三峡工程水库泥沙淤积及其影响与对策研究［M］.武汉：长江出版社,2011.

［4］李义天.三峡水库提前蓄水优化调度方案研究［R］.武汉：武汉大学，2006.

［5］李义天.三峡蓄水后宜昌—城陵矶河段航道条件变化分析［R］.武汉：武汉大学，2010.

［6］计玉健，李矩海，薛俊，等.三峡—葛洲坝枢纽河段航运条件及航运调度规程技术研究［R］.武汉：长江三峡通航管理局,2008.

［7］付中敏，闫军，刘奇峰，等.长江中游藕池口水道航道整治一期工程工程可行性研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［8］付中敏，刘怀汉，刘奇峰，等.长江中游窑监河段航道整治一期工程工程可行性研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2008.

Discussions on effects of the Three Gorges Reservoir filling on waterway condition in middle Yangtze River and reservoir operation mode optimization

MAO Chang-sheng,LI Biao
（Changjiang Waterway Planning Design and Research Insititute,Wuhan430011,China）

Based on the measured data,the effects of the Three Gorges Reservoir filling at the end of the flood season on waterway condition in middle reach of Yangtze River were analyzed.On that basis,optimization of the reservoir operation mode in the normal operation period was discussed.The results generally show that the water storage time must be arranged in September early.The outlet discharge of Yichang should be greater than 10 000～12 000 m3/s,and the daily discharge variation amplitude should not be more than 1 500 m3/s.

water storage at the end of flood period;waterway condition;optimal operation;the Three Gorges Reservoir

U 617.9

A

1005-8443（2013）02-0139-05

2012-11-26；

2013-02-18

茆长胜（1958-），男，高级工程师，主要从事航道整治工程研究。