关于三峡水库排沙调度的建议
2015-01-03潘庆燊
潘庆燊
(长江科学院河流研究所,武汉 430010)
关于三峡水库排沙调度的建议
潘庆燊
(长江科学院河流研究所,武汉 430010)
在回顾三峡水库长期使用问题已往研究成果和分析三峡水库初期蓄水运用以来库区泥沙淤积状况的基础上,提出了关于三峡水库排沙调度的建议。排沙调度是三峡水库运行调度的重要组成部分。排沙调度的目的是保证三峡水库大部分有效库容能长期使用;排沙调度的主要要求是在水库泥沙淤积达到初步平衡之前,仍应控制水库有效库容的年损失率小于1 000万m3/a,以及水库变动回水区上、中段无累积性泥沙淤积。汛期防洪限制水位的调整应符合上述要求。按三峡水库排沙调度方案,可以保持三峡水库大部分有效库容长期使用。
三峡水库;水库泥沙淤积;水库长期使用;有效库容年损失率;排沙调度
2015,32(12):1-7
1 三峡水库长期使用问题研究历程
三峡水利枢纽工程因其规模宏大,且具有防洪、发电、航运等巨大综合效益,20世纪50年代以来,毛泽东主席对三峡水库泥沙淤积和水库寿命问题极为关心。1958年夏,毛主席听取了长江水利委员会主任林一山关于三峡水库寿命问题的汇报。林一山根据三峡以上干、支流在300 a内不修建其他水库的情况,认为三峡水库至少可以运行200~300 a。毛主席听完汇报后很惋惜地说:“这样大的工程,千年大计的工程,200~300 a就淤死了,很可惜”[1]。1964年林一山将三峡水库长期使用的设想书面报告毛主席后,安排长江科学院河流研究所开展三峡水库长期使用问题研究,并亲自带领科技人员到华北、东北、西北地区,对多沙和少沙河流的8个水库进行考察。长江科学院根据国内外水库泥沙淤积和水库运用等方面大量资料综合分析研究,编写了《水库淤积调查报告》[2]。林一山在调查研究和水库资料分析基础上,提出了水库长期使用理论,即根据水库建成运用后,河道原有的边界条件和冲淤相对平衡状态会有不同程度的改变,大量泥沙淤积于库区,最终重新建立新的相对平衡的水库泥沙淤积一般规律,以及河流来水来沙大多集中于汛期的特点,认为采取汛期降低坝前水位,泄洪排沙,汛期末蓄水运用的水库调度运用方式,三峡水库可以长期保留大部分有效库容,达到长期发挥综合效益的目的。1966年林一山将此研究成果向毛主席作了书面报告[3]。70年代以来,长江科学院等单位进一步从理论上对水库长期使用问题进行了研究,对长期使用水库的相对平衡形态、水库长期使用与水库运用方式的关系、水库长期使用与水库效益关系等方面取得进一步的认识[4-6]。
研究结果认为三峡水库长期使用的有利条件为:
(1)长江水量大,上游来沙以悬移质为主,水流含沙量小。长江上游干流各站卵石推移质年输移量均为数10万t。
(2)三峡水库库区建库前河床主要由基岩、卵石组成,河床平均坡降约为,水流挟沙力不饱和程度大。库区泥沙淤积平衡后的河床坡降与长江中下游河道输沙总体处于平衡状态的河床坡降接近,其中荆江河段河床平均坡降为,两者的比值为0.25,表明三峡水库库区水流挟沙能力较为富余。
(3)三峡水库属河道型水库,坝址上游长约660 km的库区主要为峡谷与宽谷相间。大部分库段的水面宽度不超过1 000 m,小于长江中下游河道的河宽,上荆江河段的平滩河宽为1 320 m。水库的有效库容主要为槽库容组成,滩库容所占比例很小。
(4)三峡水利枢纽是长江中下游防洪体系的一项关键性的控制工程,汛期降低库水位,腾出库容准备调洪,汛期弃水多,有利于排沙,加之三峡水库的总库容与年径流量的比值<0.1,有利于汛后蓄水。
为确保三峡水库大部分有效库容能长期使用,三峡工程初步设计阶段确定的水库调度运行方式为:“三峡水库按照满足防洪、发电、航运和排沙的综合要求,进行水库调度。每年5月末至6月初,水库水位降至防洪限制水位145 m(初期蓄水相应为135 m,下同),整个汛期6—9月,水库一般维持此低水位运行(图1)。超过电站过流能力的水量,通过泄洪坝段下泄。仅当入库流量超出下游河道安全泄量时,水库拦洪蓄水,库水位抬高;洪峰过后,库水位仍降至145 m(初期135 m)运行。10月份,水库蓄水,库水位逐步升高至正常蓄水位175 m(初期156 m)运行,少数年份蓄水过程延续到11月份。11月至次年4月底,水库应尽量维持在较高水位,水电站按电网调峰要求运行。当入库流量低于电站保证出力对流量的要求时,动用调节库容,库水位开始下降,但4月末以前库水位最低高程不低于枯水期消落低水位155 m(初期140 m)。”[7]
图1 水库水位年内变化过程示意图Fig.1 Schematic diagram of variation process of reservoir water level in a year
初步设计阶段三峡水库泥沙淤积数学模型计算结果表明:采用1961—1970年水库上游来水来沙条件(入库平均年径流量为4 202亿m3,平均年输沙量为5.1亿t),水库按上述运用方式运行100 a后,高程175~145 m的防洪库容能保留86%,高程175~155 m的兴利调节库容能保留92%[7]。
2 三峡水库2003年6月初期蓄水运用后库区泥沙淤积状况
2.1 三峡水库上游来水来沙情况
20世纪90年代以来,三峡水库上游各年的年径流量变化不大,年输沙量减小趋势明显。2003—2014年三峡水库入库平均年径流量为3 602亿m3,平均年悬移质输沙量为1.84亿t,较三峡水库蓄水前1953—1990年平均值分别减少6.3%和62%(表1)[8]。
三峡水库入库推移质输沙量很小。2003—2013年寸滩站砾卵石推移质平均年输沙量为4.37万t,2014年为1.28万t;砂质推移质平均年输沙量为1.47万t,2014年为0.28万t。
三峡水库入库悬移质和推移质输沙量较蓄水运用前减少的原因主要是上游新建水库和水土保持工程的拦沙作用,砂石建筑材料开采也有一定影响。
表1 长江上游主要水文站年径流量和年输沙量与多年均值比较Table 1 Comparison of annual runoff,annual suspended sediment runoff and average annual sediment concentration at the major stations in the upstream of Yangtze River
2.2 三峡工程初期运行情况
2.2.1 水库蓄水运用过程
三峡工程2003年6月开始初期蓄水运用至今,运行情况可分为3个阶段(图2)。
(1)围堰蓄水运行阶段:此阶段为2003年6月—2006年9月,坝前水位为135(汛期)~139 m(非汛期)。
(2)156 m运行阶段:此阶段为2006年9月—2008年9月,坝前水位为144(汛期)~156 m(枯水期)。
(3)175 m试验性蓄水阶段:此阶段从2008年9月开始至今。水库调度运用方案为正常蓄水位175 m、防洪限制水位145 m、枯水期消落低水位155 m。
图2 三峡水库蓄水运用以来坝前水位变化过程Fig.2 Curve of water level before the dam vs.time since the operation of the Three Gorges reservoir
2.2.2 水库调度运用方案
175m试验性蓄水期间,根据三峡水库来水情况,并考虑充分发挥三峡工程防洪、发电、航运等方面的效益,有关部门对初步设计阶段确定的水库调度运用方案作了如下调整。
2.2.2.1 消落期水位运用方式
一般情况下,自5月25日开始,视长江中下游来水情况从枯水期消落低水位155 m均匀消落水库水位,6月10日消落到防洪限制水位145 m,水位下降速率按0.6 m/d控制。
2.2.2.2 汛期水位运用方式
汛期水库在不需要因防洪需求拦蓄洪水时,原则上水库水位应按防洪限制水位145 m控制运行。实时调度时水库水位可在防洪限制水位上下一定范围内变动。考虑泄水设施启用时效、水情预报误差和电站日调节需要,实时调度中水库水位可在防洪限制水位145 m以下0.1 m至以上1.0 m范围内变动。水库水位在146.0~146.5 m之间运行的条件为沙市站水位在41.0 m以下、城陵矶站水位在30.5 m以下,且三峡水库来水流量<25 000 m3/s。
2.2.2.3 汛期末蓄水方式
水库开始兴利蓄水的时间一般不早于9月15日。当沙市站、城陵矶站水位均低于警戒水位(分别为43.0,32.5 m),且预报短期内不会超过警戒水位的情况下,方可实施提前蓄水方案。蓄水期间水库水位按分段控制的原则,在保证防洪安全的前提下,均匀上升。一般情况下,9月25日水位不超过153.0 m,9月30日水位不超过156.0 m。在对防洪风险、泥沙淤积等情况作进一步分析的基础上,9月30日蓄水位视来水情况,经防汛部门批准后可蓄至158.0 m。10月底可蓄至正常蓄水位。
2.2.2.4 汛期中小洪水调度
三峡水库汛期对中小洪水滞洪调度,是一种汛期酌情启用的机动性调度。三峡水库启用中小洪水滞洪调度的原则为:以不降低水库防洪标准,也基本不增加下游防洪压力为前提;以大洪水来临之前将水库水位预泄至防洪限制水位145 m为条件,由防汛部门根据防洪形势、实际来水以及预报情况进行机动控制,当不需三峡水库进行防洪调度时,利用三峡水库部分库容,发挥水库的综合效益,当需要三峡水库进行防洪调度时,以服从防洪调度为原则。
2.2.3 水库调度运用情况
2008年9月28日三峡水库首次进行175 m试验性蓄水,同年的11月10日坝前最高水位达172.8 m。根据上述调度运用方案和各年的调整方案进行水库运用调度的结果为:2009—2014年汛期由于实施中小洪水调度,7—9月平均坝前水位为147.54~157.07 m,较初步设计确定的防洪限制水位145 m超出2.5~12 m;汛期末开始蓄水时间多数年份为9月10日,起蓄水位为146.25~165.13 m,2009年11月24日坝前水位最高达171.41 m,2010—2014年各年汛期末10月或11月均蓄至正常蓄水位175 m;汛期前6月10—22日坝前水位消落至145.06~146.50 m。
在175 m试验性蓄水期间,为减少库区泥沙淤积,进行了消落期库尾减淤调度试验和汛期沙峰调度试验;为改善坝下游河段鱼类繁殖条件,进行了消落期生态调度试验。
2.3 三峡水库泥沙淤积量及排沙比
采用输沙法计算的三峡水库泥沙淤积量,由入库和出库控制站的输沙量算得,其中入库沙量未计及水库区间来沙。2003年6月—2014年12月,不考虑库区的区间来沙,三峡水库累计入库悬移质泥沙量为20.832亿t,出库为5.074亿t,水库泥沙淤积量为15.759亿t,年均淤积泥沙1.31亿t;水库排沙比为24.4%(表2)。
表2 三峡水库泥沙淤积及排沙比Table 2 Total amount of deposition and ratio of sediment discharging in the Three Gorges reservoir
三峡水库蓄水运用以来,随着汛期坝前水位的逐步抬高,水库排沙比相应减小。不考虑区间来沙,围堰发电期(2003年6月—2006年8月)水库排沙比为37%,初期蓄水期(2006年8月—2008年9月)为18.8%,175 m试验性蓄水期(2008年10月—2014年12月)为17.6%。入库水量和沙量的大小对排沙比也有明显影响,例如2009年和2011年汛期(5—10月)平均坝前水位均为154m左右,2009年入库水量和沙量分别为3 464亿m3和1.83亿t,2011年分别为3 015亿m3和1.017亿t,2009年和2011年排沙比分别为19.7%和6.8%。
2.4 水库泥沙淤积沿程分布
三峡水库蓄水运用后,回水末端随不同运用阶段坝前水位的抬高而上延。三峡水库175 m试验性蓄水后,回水末端上延至距大坝约660 km的江津附近,变动回水区为江津至涪陵段,长约173.4 km,常年回水区为涪陵至大坝段,长约486.5 km。
根据库区干流实测固定断面资料分析,2003年3月—2014年10月库区干流累计淤积泥沙14.691亿m3,其中变动回水区(江津至涪陵段)冲刷泥沙0.367亿m3,常年回水区淤积15.058亿m3。
2.5 有效库容内的泥沙淤积量
2003—2014年,库区江津至大坝段干、支流175m高程下累计淤积泥沙16.166亿m3;145 m高程下累计淤积泥沙14.768亿m3;175~145 m高程之间的防洪库容内累计淤积泥沙1.398亿m3,占初步设计防洪库容221.5亿m3的0.63%,主要集中在奉节至大坝库段。由于围堰蓄水运行阶段(2003—2006年)坝前水位为135~139 m,故156 m运行阶段和175 m试验性蓄水阶段(2007—2014年)防洪库容平均每年损失达1 750万m3。
综上所述,三峡水库2003年6月初期蓄水运用以来,2003—2014年平均年入库悬移质沙量为1.84亿t,仅为初步设计阶段采用值(1961—1970年平均值)的36%;由于来沙减少,水库淤积量为16.166亿m3,年均淤积量为1.4亿m3,仅为初步设计阶段预测年均淤积量的50%左右;水库年均排沙比为24.4%,而初步设计阶段预测值约为30%,与入库水沙条件的差异及175 m试验性蓄水期间汛期7—9月坝前平均水位较防洪限制水位抬高2.5~12 m有关(见表2)。三峡水库初期蓄水运用以来,防洪库容已淤积泥沙1.398亿m3,防洪库容年损失率达1 750万m3/a,应予以足够重视。
3 三峡水库排沙调度
3.1 排沙调度的重要性
三峡工程是治理开发长江的关键性水利枢纽和千年大计的工程,确保三峡水库大部分有效库容长期使用应为选定水库运用方式的制约条件。按照三峡工程初步设计,三峡水库是季调节水库,防洪库容为221.5亿m3,兴利调节库容为165亿m3,库容是历经40 a的研究论证,并以千亿投资、百万移民和建设者20多年艰苦奋斗换来的。三峡工程具有防洪、发电、航运和供水等方面的综合效益,但其效益将因水库泥沙淤积所导致有效库容的减小而逐渐减小。由于上游干支流溪洛渡、向家坝等大型水库较初步设计阶段预计的进程提前实施,三峡水库来沙进一步减少,加之对三峡水库运用调度的要求也较初步设计预定的有所增加,例如洪水资源利用、生态调度和补水等,对初步设计阶段确定的水库调度运用方式加以调整是必要的。但从远期利益考虑,正确处理近期利益与长远利益的关系,采取排沙调度等措施,控制合理的有效库容损失率,尽量减小因泥沙淤积导致的有效库容损失,仍为有待进一步研究的重要问题。
由此可见,水库排沙调度是三峡水库调度运用方式的重要组成部分,关系到水库有效库容的保留程度,以及坝下游河道冲刷强度和冲刷发展过程。
3.2 排沙调度要求
3.2.1 三峡水库泥沙淤积导致的有效库容损失应控制在合理范围内
三峡水库泥沙淤积达到基本平衡后,大部分有效库容仍可长期保留以供使用。三峡水库泥沙淤积达到基本平衡的历时相当长,但为了长期充分发挥工程的综合效益,在水库泥沙淤积达到基本平衡之前,合理控制水库有效库容的年损失率仍十分重要。初步设计阶段三峡水库泥沙淤积数学模型计算结果表明:采用1961—1970年水库上游来水来沙条件,水库按照初步设计阶段确定的水库长期使用运用方式运行100 a,水库泥沙淤积接近初步平衡,水库泥沙淤积量为171.7亿m3,相应防洪库容损失为31亿m3,占初步设计防洪库容221.5亿m3的14%,防洪库容年损失率为3 100万m3/a;同时,按拟定的2004—2043年长江上游干支流大型水库的建设程序,进行三峡水库淤积计算,结果表明三峡水库运用100 a后其水库泥沙淤积量相当于三峡水库单独运用40 a的淤积量[7]。上述计算中考虑的大中型水库有:金沙江的溪洛渡、向家坝,雅砻江的二滩,岷江的紫坪铺、瀑布沟、龚咀(高坝),嘉陵江的碧口、宝珠寺、亭子口、合川,乌江的东风、乌江渡、洪家渡、构皮滩、彭水,共计15座,除合川和龚咀水库未按规划建成外,其余的现均已基本建成。根据国务院批准的《长江流域综合规划(2012—2030年)》,至2030年,包括四川、贵州、云南、陕西、甘肃、青海、重庆、广西和西藏等省(自治区、直辖市)在内的长江上游西部地区经济可开发的水能资源力争全部开发。
关于长江流域的水土保持工作,20世纪80年代末,国务院批准将金沙江下游及毕节地区、三峡库区、嘉陵江中下游和陇南陕南等长江上游“四大片”列为国家水土保持重点防治区,流域水土保持工作进入重点防治阶段。全流域水土流失面积由20世纪80年代中期的62.22万km2减少到53.08万km2。《长江流域综合规划(2012—2030年)》确定的水土保持规划目标为至2030年完成75%左右的水土流失治理任务。
综合上述初步设计阶段以后长江干支流大型水库建设和水土保持治理完成情况以及2030年前规划目标,估计三峡水库泥沙淤积达到初步平衡的时间将由初步设计阶段预计的三峡水库运用100 a延后至300 a左右。在此期间,三峡水库防洪库容年损失率为1 000万m3左右。
3.2.2 三峡水库变动回水区上、中段应无累积性泥沙淤积
三峡工程初步设计阶段确定的三峡水库淹没处理标准为:对于人口、房屋、城乡均为20年一遇洪水,移民迁移线为坝前177 m(坝前正常蓄水位175 m加 2 m风浪浸没影响)接不考虑泥沙淤积影响的20年一遇洪水回水水面线(图3)。因此,距坝址514 km的石沱以上水库变动回水区上、中段若无累积性泥沙淤积,则可避免汛期遇大洪水时遭受淹没损失,也有利于航道、港口的正常运行[9]。
图3 三峡水库淤积前干流库区深泓线及移民迁移线Fig.3 Thalweg and resettlement line in the main reservoir areas of the Three Gorges reservoir before depositing
3.3 三峡水库排沙调度运行方式
3.3.1 汛期水库排沙调度运行方式
为满足防洪、发电、航运、排沙、供水和生态等方面对三峡水库调度运用的要求,三峡水库汛期防洪限制水位为145 m,但在确保防洪安全的前提下,可根据不同情况允许在一定范围内上下浮动。当入库流量超过坝下游河道安全泄量时,或者长江中下游干堤发生重大险情,以及三峡与葛洲坝枢纽之间的航道发生船舶严重滞留现象时,可短时间适当抬高坝前水位。允许防洪限制水位抬高的幅度和历时由有关部门研究确定。对于汛期小于坝下游河道安全泄量的一般洪水,为充分发挥三峡工程的综合效益,可以考虑采取分时段预留防洪库容的水库运用调度方案,但必须确保库区和坝下游河道防洪安全,具体调度方案尚待结合上游水库群调度进一步研究。若由此导致库区泥沙淤积超过上述排沙调度的要求时,应在当年或次年汛期采取措施加以解决。根据已往研究和三峡水库初期蓄水运用以来的观测分析结果,对增大水库排沙比和减少水库泥沙淤积起关键作用的因素是汛期坝前水位的高低和枢纽下泄流量的大小。因此,可以采取如下措施:一是汛期短期内将坝前水位降低至143 m运行,此时船闸第一闸首底槛高程为139 m,最小通航水深为4 m,不影响通航;二是汛期加强水沙监测,对洪水过程中含沙量较大的时段,特别是沙峰出现时加大枢纽下泄流量,以利于水库排沙[9]。
3.3.2 汛前库水位消落期水库调度运行方式
三峡水库蓄水运用后,汛期变动回水区内淤积的泥沙,大部分在次年库水位消落期才能被水流冲刷下移。影响消落期泥沙冲刷率的主要因素为消落期入库流量、含沙量大小及变化过程,以及坝前水位及消落速度,汛期泥沙淤积量和淤积物的颗粒组成也有一定影响。为达到三峡水库变动回水区上、中段无累积性泥沙淤积的要求,可加强泥沙监测,优化消落期水库调度,掌握库水位消落时机和进程,并力求消落过程中库水位平缓下落,以利于航槽和航深的相对稳定[9]。
4 结 语
三峡工程是治理开发长江的关键性水利枢纽和千年大计的工程,按照初步设计阶段确定的水库调度运用方式进行运用,可以保持三峡水库大部分有效库容长期使用。根据水库泥沙淤积的一般规律,预计三峡水库运用300 a后泥沙淤积可达到初步平衡,水库大部分有效库容仍可长期使用。在泥沙淤积达到初步平衡之前,仍应采用合理的排沙调度方式,控制水库有效库容(防洪库容)的年损失率<1 000万m3/a,以及变动回水区上、中段无累积性泥沙淤积。汛期防洪限制水位的调整应符合上述要求。
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(编辑:姜小兰)
水利部科技推广项目“南方崩岗发育快速测算技术构建及推广”通过验收
2015年10月26日,水利部国际合作与科技司在湖北省武汉市主持召开了由长江科学院主持的水利部科技推广计划项目“南方崩岗发育快速测算技术构建及推广”(项目编号:TG1310)验收会。长江水利委员会国科局张洪刚处长、长江科学院汪在芹副院长、科研处唐文坚处长、李昊洁副处长、水土保持研究所张平仓所长及项目组主要成员参加了验收会。
验收专家组由来自水利部水土保持生态工程技术研究中心、水利部水土保持司、水利部水土保持植物开发管理中心、长江流域水土保持监测中心站、华中师范大学、湖北省水土保持监测中心、长江水利委员会国库集中支付与会计核算中心等单位的专家组成。与会专家认真听取了项目负责人对项目完成情况、资金使用情况等的汇报,审阅了相关技术文件材料,一致认为项目提供的验收资料齐全、内容完整,经费使用符合有关规定,全面完成了任务书规定的考核指标,同意通过验收。项目综合评价为A。
在项目实施期内,针对南方崩岗危害大,监测技术手段效率不高、精度低,机理不清等问题,项目组以江西赣州市于都县左马小流域作为实施地点,通过野外实地调查,结合原位实验和HDS3000三维激光扫描仪等,分析了崩岗与降雨、坡度、下垫面物质组成之间的关系;确立了三维激光扫描法定量观测崩岗侵蚀形态及过程的数据获取、处理、分析流程,形成崩岗快速高精度监测技术使用手册1套。确定的监测技术使崩岗侵蚀监测的工作效率提高了70%,精度较常规调查提高28%~37%。结合项目实施,开展宣传培训22人,培养硕士研究生2名,发表学术论文2篇。并在江西省于都县左马小流域(4.0 km2)和广东省五华县河东镇万华村(0.25 km2)得到推广应用,有效提高了崩岗调查的精度和效率。项目成果对于摸清崩岗发展速度、评价崩岗治理成效等能提供快速有效的监测方法和技术手段。
Suggestions on the Regulation of Sediment Discharging of the Three Gorges Reservoir
PAN Qing-shen
(River Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)
On the basis of reviewing the previous research results for the permanent use of the Three Gorges reservoir,and analyzing the sedimentation situation since the operation of the Three Gorges reservoir,suggestions about operating mode of sediment discharging were proposed.Operating mode of sediment discharging is important for the operating mode of Three Gorges Reservoir.The purpose of operating mode of sediment discharging is to realize the permanent use of the main usable capacity of Three Gorges reservoir.Its preliminary requirements are to control the loss rate of reservoir usable storage less than 1 000×104m3per year before primary equilibrium of the reservoir deposition,and to resist the occurrence of the progressive deposition in the upper and middle reaches of fluctuating backwater region.The adjustment of flood control level in flood season should be in keeping with above requirements.According to the operating mode suggested,usable storage of the Three Gorges reservoir can be permanently used.
Three Gorges reservoir;deposition in the reservoir;permanent use of reservoir;loss rate per year of reservoir usable storage;regulation of sediment discharging
TV145
A
1001-5485(2015)12-0001-07
10.11988/ckyyb.20150676
2015-08-13;
2015-09-17
潘庆燊(1935-),男,广东南海人,教授级高级工程师,1992年获国务院政府特殊津贴,主要从事河流泥沙与河道整治研究,(电话)027-82820079(电子信箱)heliusuo@sina.com。