2020年三峡水库沙峰排沙调度分析

董炳江，许全喜，杨成刚，姜莉玲

（1.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010；2.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 400020）

2020年8月中旬，长江流域上游发生集中性强降雨，强降水区主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游。受强降雨影响，长江上游支流沱江、涪江发生超保证水位洪水，岷江及干流泸州至寸滩江段发生超警戒水位洪水。干支流洪水严重遭遇，形成一次较大的复式洪水过程（4、5号洪峰）。三峡水库入库洪峰流量分别达到62 000 m3/s和75 000 m3/s。由于本轮强降雨带主要位于长江上游主要产沙区，岷江、沱江、嘉陵江等流域出现了较大输沙过程，其中沱江富顺站、嘉陵江支流涪江小河坝站最大含沙量分别达到16.3 kg/m3和17.8 kg/m3，均位列各站三峡水库175 m试验性蓄水运用以来第三位，且含沙量大于5.0 kg/m3的天数分别达到了2 d和5 d。经估计，8月13～23日洪水期间，三峡水库入库沙量达到1.27亿t，短短12 d的输沙量已远大于2014～2017，2019年全年入库输沙量（0.320亿～0.685亿t）。

如此多的泥沙淤积在三峡水库内，将严重影响水库的防洪安全和使用寿命，因此尽可能将泥沙排出库区、减少库区泥沙淤积至关重要［1-5］。近年来，受局部暴雨影响，三峡入库的来沙更为集中在洪水期间，这为三峡水库沙峰排沙调度提供了可行性［6-8］。所谓沙峰排沙调度，就是利用库区洪峰沙峰异步传播特性，在洪峰到来时进行拦洪削峰，减轻下游防洪压力；当沙峰临近大坝时水库维持较大泄量进行排沙［9-15］。2020年汛期，三峡水库在泥沙实时监测和精确预报的基础上，进行了沙峰排沙调度。调度期间，三峡水库坝前最高调洪水位虽然高达167.65m，但此次沙峰过程排沙比仍达到了27%，高出试验性蓄水以来平均排沙比9%，沙峰排沙调度取得良好效果。

本文对2020年长江4、5号洪水期间，上游暴雨产沙特性、三峡入库泥沙组成和增多原因、沙峰排沙调度等进行了分析总结，以期为今后长江上游来水来沙研究以及三峡水库更好地进行科学调度提供技术支持。

1 2020年8月水沙情势

2020年8月11～13日、14～18日，长江上游嘉陵江、岷江、沱江等流域接连发生两次强降雨过程，见图1和图2，降雨集中、强度大、范围广，寸滩以上区域累计降雨量达到了96 mm，强降水持续时间及累计雨量均超1981年7月9～14日的78 mm，且强降雨带基本位于长江上游主要产沙区。

图2 2020年8月14～19日长江流域降雨图（8月14日08：00至19日08：00）

受持续强降雨影响，8月中下旬，岷江、沱江、涪江、嘉陵江的上游发生了大或特大洪水，在长江上游形成两次编号洪水（4、5号），先后出现了较大沙峰过程，见图3。

图3 2020年8月长江上游主要控制站流量和含沙量过程

2020年8月14日，因强降雨，长江上游的支流沱江、涪江发生超保证水位洪水，岷江及干流泸州至寸滩江段发生超警戒水位洪水，形成长江2020年“第4号洪水”。8月13日03：00岷江高场站出现洪峰流量24 000 m3/s，13日17：00沙峰含沙量为7.54 kg/m3；沱江富顺站14日05：00洪峰流量9 050 m3/s，13日20：00沙峰含沙量达8.51 kg/m3。涪江小河坝站13日16：00洪峰流量17 200 m3/s，13日02：00沙峰含沙量达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。长江干流朱沱站14日09：00洪峰流量39 800 m3/s，13 日08：00沙峰含沙量为2.38 kg/m3；寸滩站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，受强降雨影响，长江上游支流岷江、沱江、嘉陵江发生超警戒水位洪水，涪江发生超保证水位洪水，干流寸滩站流量涨至50 400 m3/s，形成长江2020年“第5号洪水”。岷江高场站18日10：00洪水超保证水位，19日01：00洪峰流量达到37 300 m3/s，18日22：00沙峰含沙量为7.20 kg/m3。沱江富顺站17日23：00洪水超保证，18日20：00洪峰流量10 500 m3/s，18日11：00沙峰含沙量为8.19 kg/m3。涪江小河坝站16日22：00洪水超保证水位，18日08：00洪峰流量达到20 500 m3/s（历史第二位），19日11：00沙峰含沙量达到了17.7 kg/m3。嘉陵江北碚站18日18：00洪水超保证水位，19日10：00洪峰流量37 400 m3/s，19日13：00含沙量为7.18 kg/m3。长江干流朱沱站19日19：00洪峰流量48 400 m3/s，19日23：00沙峰含沙量为4.40 kg/m3。寸滩站20日05：00流量达到了74 600 m3/s，20日08：00沙峰含沙量3.99 kg/m3。

实测资料统计表明：2020年“4号洪水”8月12～16日，寸滩站输沙量为3 260万t；“5号洪水”8月17～25日，寸滩站输沙量为8 630万t；两次洪水期间寸滩站总输沙量达到11 890万t。

2 三峡水库入库水沙组成

2020年8月，长江上游4、5号洪水相隔时间较近，为典型的双峰型洪水过程；三峡水库入库泥沙集中，8月13～23日洪水期间，入库沙量达到了1.27亿t，短短12 d的输沙量已远大于2018年2号洪水期间（7月11日08：00至17日08：00）的入库沙量7 440万t，远大于2014～2017年、2019年全年入库输沙量（3 200万～6 850万t）。两次洪水过程中长江上游主要产输沙过程均集中在8月。实测资料表明：2018年8月寸滩站径流量为980亿m3，长江上游来水主要为嘉陵江、金沙江和岷江，其中嘉陵江北碚站、金沙江向家坝站和岷江高场站来水分别占寸滩站8月份径流量的31%，30%和28%。2020年8月寸滩站输沙量为1.29亿t，长江上游泥沙主要来自于嘉陵江，北碚站输沙量为8 055万t，占寸滩站8月沙量的63%，其次分别为岷江和沱江，高场站和富顺站输沙量分别为5 070万t和1 980万t，分别占寸滩站8月份沙量的39%和15%，横江来沙仅为102万t（见图4）。

图4 2020年8月长江上游主要水文站径流量与输沙量

嘉陵江泥沙主要来自于涪江和嘉陵江上游，2020年8月涪江小河坝站输沙量为6 970万t，占北碚站的87%；嘉陵江上游武胜站输沙量为1 580万t，占北碚站的20%（见图5）。

图5 2020年8月嘉陵江上游主要水文站径流量与输沙量

由此可见，2020年8月三峡入库泥沙主要来源于涪江和岷江，分别为寸滩站同期沙量的54%，39%；其次为沱江和嘉陵江上游，分别为寸滩站同期沙量的15%，12%。

3 三峡水库入库泥沙增多原因分析

（1）长江上游发生强降雨过程且降雨带位于强产沙区。2020年8月11～18日，长江上游出现了强降水过程，受高空槽、冷暖空气和特殊地形共同影响，嘉岷流域附近出现持续性暴雨～大暴雨的极端降水过程，过程维持时间达7 d，累计雨量≥100 mm的笼罩面积约24.7万km2，≥250 mm的笼罩面积约7万km2，强降水区主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，上述分区面均雨量多在140 mm以上，其中涪江390 mm、沱江313 mm。从单站雨量来看，涪江北川站累计雨量946 mm、沱江汉王场站855 mm。受强降雨影响，长江上游高场、富顺、小河坝、北碚、朱沱、寸滩等站洪峰流量分别列历史第1～11位，各站洪峰水位超保证幅度0.08～8.12 m，其中，高场站洪峰水位291.08 m，位居历史最高水位第一位；寸滩站洪峰水位191.62 m，位居历史最高水位第二位，寸滩站洪峰流量达到74 600 m3/s，见表1。

表1 2020年8月长江上游干支流主要控制站洪峰特征值

嘉陵江上游支流西汉水、白龙江中游、岷江等流域属于强产沙地区。2020年8月，受暴雨洪水影响，长江上游涪江、岷江、沱江、嘉陵江上游等支流出现大含沙量沙峰过程，增加了三峡水库入库沙量。岷江高场站沙峰含沙量7.54 kg/m3；沱江富顺站沙峰含沙量达8.51 kg/m3；涪江小河坝站沙峰含沙量达22.7 kg/m3；嘉陵江上游武胜站沙峰含沙量3.65 kg/m3，北碚站沙峰含沙量9.69 kg/m3；长江干流朱沱站沙峰含沙量4.40 kg/m3，寸滩站沙峰含沙量4.77 kg/m3。

（2）长江上游地震带前期产生了大量松散堆积体，在暴雨诱发下易形成滑坡和泥石流。2020年输沙量较大河流——涪江、岷江、沱江和嘉陵江的上游均流经龙门山断裂带，再由龙门山出山口进入冲积平原或丘陵区。龙门山区地质构造复杂（断层、裂层交错），其岩石尤以风化严重易碎、层理发育的灰岩、泥岩和沙岩为主，这些岩石抗侵蚀极差，而且沿层面或裂隙易产生滑动或崩塌。

近年来，在龙门上断裂带附近相继发生了汶川地震、芦山地震、九寨沟地震等特大地震。2008年5月12日，四川汶川发生Ms8.0级的大地震，地震释放主要位于龙门山北川至映秀地区；2013年4月20日，四川省芦山县发生Ms7.0级地震，震中位于龙门山断裂带上的西南段；2017年8月8日，四川省阿坝州九寨沟县发生Ms7.0地震，震中位于岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂之间。这些地震在上游产生了上百亿方的松散堆积体，随着时间的推移，松散体中的细小颗粒泥沙会随水流向下游地区输移。

2020年8月，长江上游发生强降雨过程，降雨带主要沿龙门山断裂带呈带状分布，位于扬子板块与青藏板块的地缝合线上。前期地震在山坡、山谷产生大量的松散体，在大暴雨或特大暴雨的诱发下，形成滑坡和泥石流进入河流，导致入库泥沙增多。

（3）上游低水头水库拦沙作用有限，大洪水时畅泄，导致下游输沙量突然增大。长江上游岷江、沱江、嘉陵江等支流低水头航电枢纽和闸坝水利设施已建成多年，部分已达到淤积平衡，拦沙作用减弱，遇到大洪水时，库区大量泥沙被携带出来，导致下游输沙量突然增大。另外随着一些大型水库运行时间的增加，库区泥沙淤积增加，拦沙能力逐渐减弱。岷江紫坪铺水库，虽然库容较大，但由于淤积强烈，拦沙量大，死库容已基本淤满，拦沙能力大幅减弱。白龙江碧口水库已运行40余年，因水库淤积库容损失达60%，库区已基本成为河道形态，不具备拦沙库容，大多数悬移质泥沙直接随水流进入下游河道。

4 沙峰期间三峡水库调度效果分析

4.1 沙峰期间三峡水库调度

根据监测、预报成果，2020年8月19日开始沙峰到达三峡水库坝前，长江防汛抗旱总指挥部实施了防洪调度，同时兼顾排沙、航运调度。

2020年8月18日16：00起，三峡水库下泄流量由44 000 m3/s增大至49 000 m3/s，8月22日坝前最高调洪水位达167.65 m（见图6），后基本维持下泄流量在48 000 m3/s直至25日12：00。为了减轻长江中下游防洪压力，保障两坝间通航安全，8月27日08：00三峡水库下泄流量逐渐减小至34 000 m3/s左右。9月4日下泄流量逐渐减小至27 000 m3/s左右，见图7。

4.2 沙峰排沙调度效果分析

图6 2020年长江4、5号洪水三峡水库调度过程

图7 2020年长江4、5号洪水黄陵庙站流量和含沙量过程

2020年长江4号、5号洪水三峡水库调度期间，出库黄陵庙站含沙量连续11 d大于0.5 kg/m3，持续天数为试验性蓄水以来第一位，出库最大含沙量达到0.931 kg/m3，见图7，为试验性蓄水以来的第三位（第一位2018年1.33 kg/m3，第二位2013年1.24 kg/m3），日出库沙量最大达340万t（见图7）。按沙峰输移过程统计，三峡水库入库沙峰过程为8月13～23日，对应入库沙量为12 650万t，出库沙峰过程为8月17日至9月7日，对应出库沙量为3 390万t，沙峰过程排沙比为27%，比试验性蓄水以来平均排沙高9%。与往年场次洪水排沙比相比（见表2），2012，2013，2018，2020年沙峰排沙调度后，水库沙峰过程排沙比均有所提高。

从水库淤积量沿程分布来看，2020年8月清溪场以上库段淤积泥沙2 337万t，占8月库区总淤积量的22%；清溪场以下库段淤积泥沙8 237万t，占8月库区总淤积量的78%。与试验性蓄水以来相比，2020年8月由于坝前洪水位较高，清溪场以上库段泥沙淤积占比有所偏大，见表3。

表2 2010～2020年场次洪水排沙比统计

表3 2020年8月库区分段冲淤量与试验性蓄水以来对比（输沙法）

5 结语

近年来，三峡水库利用入库洪峰、沙峰在水库内传播时间的差异，提出了沙峰排沙调度模式，进行减淤调度试验，并在2012，2013，2018年汛期进行了初步试验，取得了较好的效果。

2020年8月中旬，长江上游接连形成4、5号洪水，三峡水库入库洪峰流量分别达到62 000，75 000 m3/s，8月13～23日洪水期间三峡入库沙量达到1.27亿t。根据泥沙实时监测与预报成果，三峡水库在进行防洪、航运调度的基础上，实施了沙峰排沙调度，沙峰过程排沙比为27%，比试验性蓄水以来平均排沙比高9%，取得了较好的排沙效果，为进一步完善三峡水库“蓄清排浑”新模式积累了宝贵的经验。