论三峡水库“蓄清排浑”运用方式及其优化

胡春宏，方春明，许全喜

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）

1 研究背景

泥沙问题涉及水库寿命、库区淹没、泥沙冲淤与航道演变等一系列重要问题，是三峡工程关键技术问题之一。在论证及可行性研究阶段，国家对三峡工程的泥沙问题极为重视，动员了全国大专院校和科研设计等二十多家单位的专家学者，投入了大量人力、物力，通过原型观测分析、实体模型试验、数学模型计算和国内外水库类比分析等研究方法，对三峡工程的泥沙问题进行了系统深入的研究论证，取得了丰富的研究成果，为确定三峡工程蓄水位175 m的水库规模和“蓄清排浑”的运用方式等解决泥沙问题的重要途径和措施提供了科技支撑［1-3］。

鉴于泥沙问题的复杂性和长期性，三峡工程泥沙专家组从论证阶段开始一直保留至今，组织协调国内科研、设计、运行、院校、监测、管理等相关单位，在三峡工程论证、初设、建设、运行各个阶段，实施了系列泥沙问题研究［4-6］。2003年三峡水库蓄水运用后，根据运行的需要，重点研究了来水来沙变化条件下，如何优化调度，在控制泥沙淤积允许的条件下，拓展三峡工程的综合效益，提出了提前实施三峡水库175 m试验性蓄水运行和汛后蓄水时间提前等措施［7］。为了及时全面了解三峡工程泥沙冲淤变化情况，三峡集团公司、水利部、交通运输部等部门开展了大规模的水文泥沙原型观测，取得了大量的实测资料，众多专家学者开展了相关的分析和研究工作［8］。三峡水库蓄水运行15年来，在水库防洪、发电、航运、供水、抗旱、泥沙和生态等运行调度方面积累了宝贵的经验，2009年开始，又进一步采取了提前蓄水、汛期水位动态变化等水库优化调度措施［9］。本文系统分析了三峡水库运行方式优化调整的利弊，提出了汛期水位动态变化等对水库淤积和坝下游河道演变的长远影响。随着三峡上游新建大型水库群的蓄水拦沙和上下游水库的联合调度，提出了三峡水库运用方式进一步优化的建议。

2 三峡水库“蓄清排浑”运用方式及其优化调整

2.1 水库初步设计运用方式根据三峡工程论证阶段解决泥沙问题的研究成果与结论［4］，水库采取“蓄清排浑”运用方式，确定的水库调度运行方案如图1所示，其中：正常蓄水位为175 m，防洪限制水位为145 m，枯水期消落低水位为155 m。所谓“蓄清排浑”运用方式作为三峡水库有效库容长期保留的基本措施［10］，在汛期多沙季节，水库水位绝大多数时间维持在防洪限制水位145 m，有利于泥沙排出库外，汛后在泥沙较少的10月份才开始蓄水到175 m。12月至次年4月，水库尽量维持在较高水位，4月末以前水位最低不低于155 m，以保证水电站发电水头和库尾航道必要的航深，5月开始进一步降低库水位。按照初步设计，每年的5月末至6月上旬，为了腾出水库的防洪库容，坝前水位降至汛期防洪限制水位145 m；汛期6月至9月，水库维持此低水位运行，水库下泄流量与天然情况相同。在遇大洪水时（枝城流量大于56 700 m3/s），根据下游防洪需要，水库拦洪蓄水，库水位抬高，洪峰过后，仍降至防洪限制水位145 m运行。

图1 三峡水库初步设计调度方案与优化调度方案示意图

2003年6月三峡水库蓄水至135 m，进入围堰发电期；同年11月，水库蓄水至139 m。围堰发电期运行水位为135（汛限水位）～139 m（蓄水位）。2006年10月，水库蓄水至156 m，较初步设计提前1年进入初期运行期，初期运行期运行水位为144～156 m。

2.2 水库提前5年实施175 m试验性蓄水运用初步设计提出2007年水库初期蓄水至156 m，初期蓄水的历时根据移民安置和库尾泥沙淤积情况相机确定，暂定2013年水库最终蓄水至175 m，在此6年期间，观察重庆港区的泥沙冲淤情况和研究治理对策。由于工程建设和移民进度总体提前，特别是入库泥沙大幅减少，使水库提前实施175 m蓄水成为可能。通过预测三峡入库泥沙变化，模拟了库区泥沙淤积，提出了泥沙调控技术，使得重庆河段泥沙淤积控制在允许的范围内［11］，研究成果表明，水库提前蓄水到175 m后，九龙坡港口和金沙碛港口的碍航淤积量将分别小于25万m3和17万m3，是一个可以接受的疏浚量，不会影响港口的正常作业。为此，三峡工程泥沙专家组建议，2008年汛后水库开始实施175 m试验性蓄水运用是可行的，建议得到了决策部门的采纳。2008年和2009年水库最高蓄水位分别达172.80 m和171.43 m，2010—2017年连续8年均实现了175 m蓄水目标。

2003年三峡水库蓄水运用以来，坝前水位变化过程如图2所示，历年特征水位和流量等如表1所示。由图和表可见，鉴于历年来水来沙情况不同，水库各年汛期最高水位和平均水位是不同的，且差别较大，但最低水位基本控制在145 m左右。从2010年开始，水库采取了中小洪水调度，对于20 000～30 000 m3/s范围的入库流量，在保障防洪安全的条件下，减少下泄流量，对于大于50 000 m3/s的洪水，消峰到50 000 m3/s以下，使汛期水位较145 m有较大幅度的上浮。例如2010年7月20日，三峡水库出现了入库洪峰流量达70 000 m3/s的洪水，控制出库流量约40 000 m3/s，坝前水位上升近8 m；2012年7月24日入库洪峰流量达71 200 m3/s，出库流量控制在43 000 m3/s，削峰率达40%，7月24日至28日坝前水位上升约5 m，最高水位达163.11 m，避免了荆江河段出现接近保证水位的高水位。

三峡水库水文泥沙实测资料表明，提前5年实施175 m试验性蓄水运用，一方面，水库没有出现严重的泥沙淤积情况，把泥沙淤积调控在允许的范围内，2003年至2017年，水库干支流累积淤积泥沙量为16.7亿m3，年平均淤积量为初步设计预测的约40%，淤积在有效库容内的泥沙量仅占同期淤积量的7.5%，也小于初步设计预测值；另一方面，充分利用了汛期水资源，拓展了三峡水库发电和航运效益，按初步设计的175 m运行和156 m运行年均发电量差计算，5年多发电达735亿度。实践证明，三峡水库提前至2008年汛后实施175 m试验性蓄水是正确的，不仅泥沙淤积量和分布控制在允许范围内，提前发挥了三峡水库的综合效益，并在水库调度运行等方面取得了许多宝贵的经验。

图2 三峡水库蓄水运用以来坝前水位变化过程

表1 三峡水库蓄水运用以来历年特征水位和流量等统计

2.3 水库汛期水位动态变化与汛后蓄水时间提前2009年，针对长江上游干支流水库群建设、三峡水库蓄水运用以来入库水沙量减少等新情况，为满足水利部门和航运部门在坝下游供水、防洪、航运等方面对三峡水库调度提出的更高需求，在保证防洪安全和泥沙淤积许可的条件下，三峡水库开始实施《三峡水库优化调度方案》（以下简称《方案》），其蓄水调度方式，如图1所示，主要调整与作用分析如下。

（1）汛期水位动态变化。如前所述，三峡工程在初步设计时，从防洪和排沙考虑，水库采用“蓄清排浑”运用方式，汛期多泥沙季节，控制水库汛限水位为145 m，以避免悬移质泥沙淤积末端较早到达重庆［4］，遇大洪水时（枝城流量56 700 m3/s），根据防洪需要，水库拦洪蓄水。三峡水库175 m试验性蓄水运用后，为了适应新水沙情势下进一步拓展工程综合效益的需要，三峡工程泥沙专家组积极组织开展了三峡工程汛期水位动态变化对库区泥沙淤积影响研究［12］，结果表明汛期水位在145～150 m之间浮动变化，库区泥沙总淤积量相差在5%以内，主要是变动回水区淤积变化较明显。由于预测泥沙将呈减少趋势，认为有较好的条件允许汛期水位适当抬高，应重点关注变动回水区泥沙淤积变化。

《方案》允许汛期水位上浮至146.5 m，2010年开始明确了“当长江上游发生中小洪水，根据实时雨水情况和预测预报，在三峡水库尚不需要实施对荆江或城陵矶河段进行防洪补偿调度，且有充分把握保障防洪安全时，三峡水库可以相机进行调洪运用”。水库调度实践表明，三峡水库实施汛期水位动态变化后（中小洪水调度），汛期实际控制下泄流量基本未超过45 000 m3/s，对提高汛期水资源利用率和减轻下游防洪负担有利。实行汛期水位动态变化后，汛期水库平均水位较145m汛限水位有较大幅度提高，如2010年汛期平均库水位为151.69 m，2012年为152.78 m，库水位最高达163.11 m。优化调度效果表明，进一步提高了汛期水资源利用率，提高了水库的蓄满率。根据实测资料分析，2003—2006年汛期平均水位为135.5 m，2007—2009年为145.6 m，2010—2017年为150.6 m，三个时段奉节以上库段淤积量占同期水库总淤积量的比例不断增加，而奉节至大坝库段淤积量占比在减少，库区淤积分布上移，如图3所示。

图3 三峡水库汛期不同平均水位运行时段各库段淤积量占比变化

对于坝下游河道，汛期水位动态变化后减小了河道漫滩洪水，减轻了防洪压力，但可能造成坝下游河道萎缩，对河道长期演变和大洪水时的行洪能力会产生一定影响。如汉江丹江口水库坝下游随着河道冲刷下切，呈现出中低水时同流量水位下降、洪水时对应水位抬高的现象，黄家港站25 000 m3/s以上大流量时水位升高了近1 m，行洪能力衰减，如图4所示。就长江中游的防洪而言，汛期水位动态变化后荆江大堤和长江干堤的护岸工程尚未经受原设计的河道安全泄量洪水的检验，不利于发现可能的潜在隐患，对其长远影响仍需深入分析。

（2）汛后蓄水时间提前。在天然情况下，重庆主城区河段及其港口码头区存在洪淤枯冲的规律，汛后走沙量（输沙量）主要集中在9月中旬至10月中旬，占当年汛后走沙总量的80%以上，为减少重庆主城区淤积，初步设计确定三峡水库在汛后10月1日开始蓄水。

图4 丹江口水库运用后坝下黄家港站水位流量关系变化

2003年三峡水库蓄水运用后，由于上游干支流水库群建成运行，汛后同时集中蓄水等原因，10月份进入三峡水库的流量较初步设计预期大为减少，如按原设计三峡水库在汛后10月1日开始蓄水，水库不能蓄满的概率大增。因此，提出了水库汛后蓄水时间可否提前的问题，新水沙情势下三峡工程提前汛后蓄水时间对库区泥沙淤积影响研究表明［12］，汛后蓄水时间提前对水库的总淤积量影响不大，所增加的淤积主要发生在变动回水区重庆以下河段，水库运行到10年末，提前蓄水方案比原方案的库区总淤积量增加0.24%～0.86%，变动回水区的淤积量增加12.7%～31.4%，且由于增加淤积的泥沙于次年消落期能大部分冲走，认为将汛后水库蓄水时间提前至9月中旬、9月底水位控制在165 m上下是可行的，实际调度中可根据8月份的入库水沙情况控制。

《方案》将蓄水时间由10月1日提前至9月15日，10月底可蓄至汛后最高水位。2010年以来，三峡水库在提前蓄水实践中，采取了汛末提前蓄水与前期防洪运用相结合的方法，汛末蓄水时间进一步提前至9月10日。汛后提前蓄水对提高水库蓄满率起到了重要的保障作用，分析表明，如按初步设计方案，2003—2017年径流过程，水库有4年不能蓄满，按优化《方案》只有1年不能蓄满。

对坝下游河道而言，蓄水时间提前减少了汛末下游河道流量，可能造成坝下游河道一些汛期发生淤积的浅滩汛后难以有效冲深，航道维护量增加。同时，汛后蓄水时间提前对洞庭湖和鄱阳湖及下游生态环境和水资源利用等也会产生一定影响，这些问题仍需要深入系统研究。

2.4 消落期库尾减淤调度与汛期沙峰排沙调度试验2012年至2017年期间，三峡水库根据来水来沙条件，进行了库尾减淤调度和汛期沙峰排沙调度试验，以减少库尾淤积和增加水库排沙比。图5和图6分别为2012年和2013年沙峰调度期间出库黄陵庙水文站的水沙过程，表明2012和2013年7月水库排沙比分别达到28%、27%，较2009、2010和2011年同期的13%、17%和7%有较大提高，可见汛期沙峰排沙调度对水库取得了一定的减淤效果。2012、2013和2015年三次库尾减淤调度试验结果表明，三峡水库库尾均整体呈现冲刷状态，如表2所示。鉴于三峡水库消落期库尾冲淤变化与入库水沙条件、消落过程、河段前期淤积量等诸多因素相关，机理十分复杂；而坝前水位、入库流量与沙量等都是影响排沙比的重要因素。因此，库尾减淤调度试验和汛期沙峰排沙调度试验的机理和效果还有待进一步分析研究。向家坝与溪洛渡水电站蓄水运用后，三峡入库泥沙以区间支流来沙为主，下一步应重点研究支流突发洪水泥沙入库及洪峰与沙峰不同步情况下的三峡水库排沙调度措施等。

图5 2012年汛期三峡水库出库黄陵庙站流量和含沙量过程

图6 2013年汛期三峡水库出库黄陵庙站流量和含沙量过程

表2 2012-2015年库尾减淤调度过程及其效果统计表

2.5 三峡水库“蓄清排浑”运用方式优化调整对库区泥沙淤积综合效果分析从2009年开始，三峡水库“蓄清排浑”运用方式进行了优化调整，采用实测水文泥沙资料，对库区泥沙淤积综合效果分析如下。

（1）水库泥沙淤积量大幅减少。根据实测资料分析，三峡水库175 m试验性蓄水运用以来，2009—2017年期间，入库泥沙量为10.23亿t，出库泥沙量为1.81亿t，水库淤积量为8.42亿t，年平均淤积量为0.94亿t/a。2009—2017年水库年平均排沙比为17.7%，略小于2007—2008年期间平均排沙比19.0%，但年平均淤积量明显小于2007—2008年的1.77亿t。可见，水库运用方式优化调整后，由于汛期平均水位抬高等影响，水库排沙比总体有所降低，但由于入库沙量大幅减小，三峡水库泥沙淤积量仍大幅减少。据分析，按目前预测的入库沙量，水库淤积平衡年限由论证预测的100年可延长到300年以上。

（2）水库淤积形态得到优化。通过在调度中采取水库泥沙淤积调控措施，水库淤积形态得到了优化。2003年水库蓄水运用至2017年与论证预测运用前20年比，变动回水区和常年回水区上段的大渡口至丰都库段，泥沙淤积量占总淤积量比率由论证预测的12.9%减少至0.5%，丰都至大坝段淤积量占总淤积量比由论证预测的87.1%增加至99.5%。水库淤积部位下移，淤积形态得到优化，如图7所示。

图7 三峡水库库区分段泥沙淤积量占比与论证预测比较

（3）重庆河段未出现累积性淤积。由于采取水库泥沙减淤调控措施及入库沙量减少，三峡水库175 m试验性蓄水后至2017年，重庆主城区60 km河段累计冲刷泥沙量为1789万m3（包括采砂）、没有出现累积性淤积、洪水位没有变化。较论证期间预测的淤积量4500万m3、20年一遇洪水位将抬高约0.8 m有很大的改善。

从三峡水库实际运行情况看，由于三峡水库运用方式优化调整后仍基本遵循了“蓄清排浑”运用方式，加之入库泥沙减少的有利条件，三峡水库泥沙淤积量比初步设计预测大幅减少，重庆主城区出现了冲刷，水库淤积形态得到了优化。与此同时，三峡水库运用方式优化调整充分利用汛期洪水资源，大幅减轻了坝下游防洪负担，较好地满足了三峡和葛洲坝间中小船舶的通航需求，增加了发电量。三峡水库汛期水位动态变化承接汛后提前蓄水，有效减轻了10月份蓄水对坝下游河道及洞庭湖与鄱阳湖的影响，缓解了水库蓄满与下游供水的矛盾，提升了水库蓄满率。三峡水库枯水期逐步提升最小下泄流量，从2003年到2017年，宜昌站最小流量由3000 m3/s提升至6200 m3/s，对提高坝下游河道通航水深及生态环境等方面效益显著。

3 三峡水库运行方式进一步优化研究

实测资料表明，长期以来三峡入库径流量是呈减小的趋势，图8为1882年以来宜昌站年径流量减去多年平均值后的径流差累积曲线，累计减幅达564亿m3。水库蓄水运用以来2003—2017年宜昌水文站径流量平均值为4049亿m3，较初步设计的4510亿m3减少了10%。其中7—10月份，入库流量分别减少了2300、4000、3000和4100 m3/s，减幅分别达到7.7%、14.6%、11.4%和22.2%。汛期入库径流量的减少，有利于减轻水库的防洪压力，而9—10月份入库径流量大幅减少，则不利于水库汛末蓄水，且随着上游干支流更多水库群的建成投运，三峡水库汛后蓄水与下游供水的矛盾将更加突出，三峡水库调度仍需进一步优化。

图8 长江宜昌水文站年径流量差累积曲线

1990年代以来，受降雨变化、水利工程拦沙、水土保持减沙和河道采砂等影响，三峡入库沙量减少趋势明显。2003—2017年期间，三峡水库年平均入库悬移质沙量（朱沱+北碚+武隆统计）为1.48亿t，寸滩站年平均入库推移质输沙量为5.0万t，分别较2002年前平均值减小了66%和90%，为水库调度方式进一步优化提供了有利条件。在新的水沙条件下，针对三峡工程出现的新情况、新问题和新需求，进一步优化水库调度方式，形成水库“蓄清排浑”运用的新模式，保持水库长期使用是十分必要和迫切的。

3.1 汛期水库水位上浮幅度可进一步提高初步设计提出的汛期限制水位为145 m，《方案》允许汛期水位上浮至146.5 m，2010年后调蓄中小洪水，汛期水位变幅较大。随着上游干支流更多水库建成投运，研究认为汛期水位上浮幅度可进一步提高［13］，当6月中旬—8月下旬三峡水库水位按150 m控制，9月上旬按158 m控制时，水库防洪风险可控，综合效益较优。但汛期水位提高将减少水库排沙比，如图9所示，同时库区泥沙淤积重心将上移，有效库容内淤积量占总淤积量比例将增加。如何确定合适的水位上浮幅度，保持水库一定的排沙比和合理的淤积分布，仍需进一步研究后提出相应的淤积控制措施。

图9 同流量时不同坝前水位三峡水库场次洪水排沙比变化

3.2 汛后水库蓄水时间进一步提前随着上游干支流水库群陆续建成投运，按现在的蓄水方案，未来三峡水库的蓄水形势仍将非常紧张，根据2015年批复的三峡（正常运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程，三峡水库从9月1日起水位开始上浮。研究表明［13］，即使把蓄水时间提前至9月1日，未来水库蓄满率为89%，遇1959年水文形势，入库径流甚至还不能满足下泄要求，要保证三峡水库90%以上的蓄满率，蓄水时间仍需要进一步提前。

为了使三峡水库达到90%以上的蓄满率，建议中枯水年（8月中旬平均流量小于40 000 m3/s）从8月下旬开始蓄水，8月底控制蓄水位155 m，9月10日控制蓄水位160 m，防洪与泥沙淤积风险是可控的，但要注意控制最大流量时库尾段不超过淹没线。

3.3 三峡水库城陵矶补偿调度控制水位进一步提高三峡工程建成运行后，可使荆江地区防洪标准由十年一遇提高到百年一遇，上游水库群建设后，流域对遭遇大洪水调蓄能力提高，为了充分发挥三峡水库的防洪效益，从2015年开始，三峡水库实行兼顾对城陵矶防洪补偿调度，控制水位为155 m。2017年城陵矶防洪补偿调度在防御洞庭湖流域大洪中发挥了重要作用。城陵矶补偿调度将使三峡水库淤积有一定增加，2017年三峡水库排沙比为9%，明显低于相似水沙条件下水库的排沙比，但2017年水库入库沙量只有3700万t，增加的淤积量不是很大。研究表明［13］，当三峡水库对城陵矶补偿调度控制水位控制在158 m范围内时，上游临时淹没风险和对水库泥沙淤积影响可控。

3.4 汛前库水位推迟消落研究按初步设计要求，5月底库水位不低于枯季消落低水位155 m，6月上旬末库水位降至防洪限制水位145 m。目前是6月10日消落到防洪限制水位，此时上游入库流量一般还不大，重庆至长寿河段尚不能满足三峡水库运行以来航运快速发展、船舶大型化的通航要求。有专家建议消落至汛限水位的时间推迟至6月20日［14］，认为如果6月初入库流量较小，消落至汛限水位的时间还可进一步推迟，航运部门也提出了类似的建议。这虽然有利于库区通航和三峡工程发电效益，但延长水库较高水位运行时间，可能会影响消落期泥沙冲刷和增大中下游河道的防洪风险，需要进一步研究。也有专家建议上游水库群蓄水、消落过程中加强沟通协调，统一安排，结合预报制定科学合理的计划，更好地兼顾各种需求。

3.5 水库汛限水位和正常蓄水位提高的研究自三峡工程论证以来近30年，长江上游干支流水库群陆续建成，上游来水来沙条件发生了较大变化，三峡水库淤积好于预期，同时长江流域的防洪能力有了明显提高，2017年纳入联合调度的水库已有28座，远景三峡及上游控制性水库总调节库容近1000亿m3，总防洪库容达500亿m，研究提高初步设计阶段确定的三峡水库汛限水位已具备条件。三峡水库采取的汛期水位动态控制虽然使汛期平均水位有大幅提高，但汛前仍需消落至汛限水位145 m，同时汛期水位变幅频繁，提高汛限水位能更好地拓展三峡工程综合效益，长江航务管理局和重庆市已在全国“两会”上提出了相关的建议。

适当提高三峡水库汛限水位，有利于长江航运功能更好发挥、有利于提高三峡电站发电能力、有利于维护水库库岸稳定，减少地质灾害、有利于保护消落区生态环境，有利于降低三峡水库汛后蓄水期对长江中下游的影响。如提高汛限水位至155 m，水库常年回水可至重庆木洞，将淹没丰都至涪陵7处碍航礁石和长寿附近的洛碛、王家滩等浅滩，可显著改善重庆木洞至丰都河段的航道条件。提高汛限水位的不利影响包括水库泥沙淤积和防洪风险等，关于汛限水位提高应开展相关的研究论证。

此外，三峡水库正常蓄水位为175 m，但大坝坝顶高程为185 m，正常蓄水位具有适当提高的基本条件。但提高正常蓄水位涉及的因素更多，还包括库区淹没、生态环境等问题，对其利弊可开展初步论证工作。

4 主要认识与建议

2003年三峡水库蓄水运用以来，根据入库水沙条件的变化及拓展水库综合效益的需求，对水库运用方式进行了优化调整，并在运行调度方面积累了宝贵的经验，为三峡水库安全高效运行提供了科技支撑。

（1）三峡水库调度运行基本上遵循了“蓄清排浑”的运用原则，并根据来水来沙情况和经济社会的需求，提前5年实施了175 m试验性蓄水，在保证防洪安全和泥沙淤积允许的条件下，2009年以后，实施了汛期水位动态变化、汛后蓄水时间提前及水库减淤调度试验等优化调度措施，拓展了水库综合效益。

（2）按照优化调整后的“蓄清排浑”运用方式，三峡水库泥沙淤积量比初步设计预测大幅减少，淤积形态得到优化，重庆主城区河段出现了冲刷，水库排沙比有所减少，但水库泥沙淤积控制在允许范围内。

（3）随着三峡上游新建大型水库群的蓄水拦沙和上下游水库群的联合调度，防洪能力将进一步提升，入库沙量在今后相当长时段内处于较低的水平，汛期水位上浮幅度、汛前消落和汛后蓄水时间等还可以进一步优化。

（4）在新的水沙条件下，针对三峡工程出现的新情况、新问题和新需求，应研究进一步优化水库调度方式，形成水库“蓄清排浑”运用的新模式，保持水库长期使用。

（5）需高度重视三峡水库优化调度对泥沙问题的长期影响，包括对水库长期有效库容、坝下游河道萎缩和长期演变、大洪水过流能力的影响等。