溪洛渡水库减缓三峡库区泥沙淤积的试验分析

张绪进　母德伟　肖白云

摘要 在涪陵长江河段1：150正态模型上，进行有无溪洛波水库拦沙情况下三峡水库按照156m方案运行的系列泥沙试验证明，若修建溪洛渡水库，该河段泥沙淤积总量将减少58.7%，水面比降降低0.054%-0.061%，这不仅对于改善该河段港区的航道条件，减少后期移民数量十分有利，而且对于改善整个三峡库尾的生态环境具有重要作用。

关键词 泥沙淤积 三峡 试验分析

1、 前言

溪洛渡水电站位于金沙江干流，四川省雷波县与云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷内。该工程库容129.6亿m³，电站装机1260万kW年发电量573.1亿kW·h，将是我国继三峡工程之后第二座巨型水利枢纽工程。溪洛渡水库控制流域面积45.44×104km2，占金沙江流域的96%，适宜的地理位置和巨大的水库库容决定了溪洛渡水库在拦截金沙江泥沙减缓三峡入库泥沙和库尾河段泥沙淤积具有重要作用。

图1 试验河段河势图

西南水科所原已建成三峡库区涪陵河段1：150正态泥沙模型。模型范围：长江从猫猫岩以上500m(距宜昌航道里程543.5km)至郭家咀以下约700m处(航道里程531.7km)乌江从马脚溪以上约300m处至汇合口。模型实际模拟长江河段约12km，乌江河段约4km。模型沙采用四川荣昌精煤粉，其比重γ₁＝1.33t/m³。由于涪陵河段位于三峡库区长江与乌江交汇处，在三峡水库按156m方案运行时期该河段属于水库回水变动区，其河道特征与水沙运动特性及泥沙淤积均与三峡水库按175m方案运行时重庆河段的情况类似，具有可比性。因此，我们利用原涪陵河段正态泥沙模型作三峡水库按156m蓄水位方案运行的系列泥沙试验，研究溪洛渡水库拦沙对于减缓三峡库尾河段泥沙淤积的效果和作用。

涪陵长江河段河道弯曲，河宽500～900m，弯道最小曲率半径2000m，河中靠岸一侧有锯子梁、洗手梁，南岸则有著名历史文物景观白鹤梁纵卧于江中，以下又有川江著名的和尚滩存在。由于涪陵河段岸线参差不齐，河床底部起伏不平，两江汇流相互顶托，使该河段水流结构十分复杂。

根据长江寸滩水文站资料统计及有关研究成果，涪陵长江河段多年平均流量为11200m³/s，多年平均悬移质输沙量为4.6亿t，沙质推移质为600万t，卵石推移质为28.97万t，悬移质、沙质推移质及卵石推移质的中数粒径分别为0.034mm、0.14mm和51mm。溪洛渡水库建成后，其巨大的库容将拦截金沙江进入长江三峡库尾的大量泥沙，根据溪洛渡水库调度方式及冲淤计算结果，水库运行10年、30年和50年，其出库悬移质含沙量分别为0.477kg/m³、0.548kg/m³、和0.650kg/m³，其悬移质拦沙率分别为72.4%、68.3%、62.4%，本试验采用溪洛渡水库运行10年时的出库含沙量，按比例推算长江寸滩站的含沙量，计算结果表明，溪洛渡水库运行10年时，长江寸滩站的悬移质含沙量将由多年平均值1.31kg/m³变为0.731kg/m³，悬沙中值粒径将由0.034mm减小到0.018mm。

3、 试验条件与设备

3.1 模型进出口水沙控制条件

无溪洛渡水库拦沙情况下三峡156m蓄水位方案时的泥沙淤积试验选用1961～1970年的水文系列年资料，考虑到该方案运行时，涪陵河段正处于回水变动区，使该河段同时具有天然河道和水库的双重性，汛期水库敞泄，该河段与天然情况相接近。因此本试验模型进口水量的沙量直接采用长江寸滩站乌江武隆站的日平均流量和含沙量概化成果，溪洛渡水库修建后，三峡库尾入库悬移质含沙量将有较大程度的减小，悬移质粒径将发生细化，根据国家电力公司成都勘测设计研究院提供的资料，溪洛渡水库运行10年时，长江寸滩站悬移质含沙量将减少44.2%，中值粒径将减小为d₅₀=0.018mm。为了进行对比分析，减少试验的水文系列仍采用上述无溪洛渡水库时的概化成果，其含沙量采用寸滩站的天然含沙量扣除因溪洛渡水库拦截的那一部分泥沙，悬沙级配见表1。关于沙质推移质和卵石推移质的加沙问题，两组试验均根据三峡水库运行10年模型实测各级流量水力要素用公式进行计算，采用同一加沙量和加沙级配。两组试验模型尾水位均按长科院一维数学模型计算成果进行控制。

3.2 试验设备与量测仪器

浑水系统设有地下水库1座，地上水库、水池3个，沉沙分沙池1座及相应的分水分沙和加水加沙管道网。底沙和卵石在模型进口由加沙机按时按量均匀加入，然后在尾门后的沉沙池内沉淀下来，即底沙和卵石不参加循环。为防止泥沙在进入模型前沉积，采用巴歇尔量水堰控制模型进口流量，模型尾水位用郭家咀水尺通过尾门进行调节，悬沙含沙量由1000ml比重瓶称重并配合浑度仪进行监测，悬沙级配由光电测沙仪分析确定，淤积地形用电阻式测淤仪测量。

图2 断面泥沙淤积比较图

表2 三峡水库按156m方案运行十年涪陵河段泥沙淤积汇总表
来沙条件及项目	长江(CS64～CSl41)
	边滩淤积/104m3	深槽淤积/104m3	淤积总量/104m3	单位河长淤积量/104m3·km-1
无溪洛渡水库拉沙(1)	1520.8	545.5	2066.3	256.52
修建溪洛渡水库拦沙(2)	527.7	325.4	853.1	105.91
差值 (1)—(2)	993.1	220.1	1213.2	150.61
减沙百分比[(1)-(2)]/(1)	65.3%	40.3%	58.7%	58.7%

4、 泥沙淤积与河床演变对比分析

4.1 淤积量的变化与河床演变

试验表明：在不考虑溪洛渡水库拦沙的情况下，三峡水库初期按156m蓄水位方案运行时，涪陵河段的泥沙淤积具有呈积累性增长的趋势。水库运行10年，涪陵城区长江从龟门关至苦竹沱河段(长约8.055km)的泥沙总量为2066.3万m³，单位河长的泥沙淤积量为256.52万m³/km(见表2)。溪洛渡水库修建后，由于拦截了金沙江进入长江的大量粗颗粒泥沙，在相同条件下运行10年，试验河段内仅淤积853.1万m³，单位河长淤积量为105.91万m³/km，较无溪洛渡水库拦沙时淤积总量减少1231.2万m³，单位河长淤积量减少150.61万m³/km，减淤58.7%。由试验观测和泥沙淤积的剖面图(图2)可以看出，在两种试验条件下，水库按156m方案运行10年，泥沙淤积的形态和部位均基本相似，主要分布在河床较宽浅的边滩、弯道凸岸线和岸线参差不齐的凹岸缓流区。对比有无溪洛渡水库拦沙不难看出，溪洛渡建库后，三峡水库回水变动区河段泥沙淤积量大量减少，效果十分显著。例如在石谷溪至龙王咀河段的右岸白鹤梁以内，无溪洛渡水库拦沙情况下的边滩淤积宽度在170m左右，最大淤积厚度达17.6m，淤积顶面高程达151～153m，考虑溪洛渡拦沙后，该河段的淤积边滩宽度减小到120m左右，最大淤积厚度为9.3m，滩面高程降低到144～147m。在黄巴碛沿岸，无溪洛渡水库拦沙时边滩淤积宽度一般为200m左右，最大淤厚达18m，滩面高程152～153m；溪洛渡建库拦沙后，该河段淤积值相应减小为130m，10m，146～148m。无溪洛渡水库拦沙情况下的10年系列输沙试验结果，在龙王沦形成了较大的锥形淤积体。最大淤厚约39m，淤面高程达142m；考虑溪洛渡水库拦沙时其淤积体大大减小，相应值仅为8.5m和113m。纵观本河段泥沙淤积的总体趋势可以看出，在无溪洛渡水库拦沙的情况下，三峡水库按156m方案运行至第10年末。涪陵长江河段的边滩发育已较完整，其主河槽大部分地段也已出现明显淤积，河段向着单一、规顺、微弯的高滩深槽方向发展，符合回水变动区河床演变的一般规律。考虑溪洛渡水库拦沙情况以后，在三峡水库按156m方案运行至第10年末，由于泥沙淤积明显减少，边滩发育尚不完整，其主要河段基本保持原天然河道的自然岸线，对于保持原河段的稳定和自然特性具有重要作用.

4.2 泥沙淤积的滩槽分配与粒径分布

为了说明泥沙淤积的滩槽分配与粒径分布，以实测枯水流量Q_长/Q_乌＝3040/1000水边线为标准，水边线以内的河槽为主河槽，其余为边滩。由表2可知，在无溪洛渡水库拦沙情况下，三峡水库按156m方案运行10年后本河段滩槽配比为2.79，在考虑溪洛渡水库拦沙条件下，主河槽减淤40.3%，边滩减淤65.3%，其滩槽分配比变为1.62。取不同部位淤积物分析可知，两种试验条件下相同部位的泥沙淤积物的粒径级配变化甚小，总的是边滩淤积物的颗粒相对较粗，推移质所占比例较大。由此可见，考虑溪洛渡水库拦沙时，试验河段泥沙淤积的减少主要是以悬移质淤积为主的边滩沙淤积的大量减少，这是由于在有溪洛渡水库拦沙的减沙试验中，模型进口悬移质含沙量下降，水流中可淤积的泥沙减少。同时由于入库沙变细，冲泄质含量增大，细颗粒泥沙不易落淤，加上水流含沙量减少，非饱和加大，水流挟沙能力相对增强，因此已淤积的部分泥沙有可能被冲起随水流向下游输送。上述因素说明，溪洛渡水库修建后三峡水库回水变动区悬移质泥沙将会显著减少。另外考虑到推移质泥沙的输移很复杂，溪洛渡水库建成后三峡库尾河段推移质输沙量更加难以把握，故两种情况下的输沙试验推移质采用同一加沙量。因而以推移质泥沙淤积为主的主河槽淤积量变化相对较小。

5、 水位与水面比降变化

考虑溪洛渡水库建成拦沙后，由于涪陵河段的泥沙淤积较无溪洛渡水库拦沙时有明显减少，河道有效过水面积相对较大，各级流量情况下该河段的水位有不同程度的降低。以石谷溪附近的6号水尺为例：三峡水库按156m方案运行至第十年、当Q_长/Q_乌＝16500/2330、23700/5150和45000/2390时，考虑溪洛渡建库拦沙时该水尺水位比无水库时分别降低0.24m、0.34m、和0.38m。可以看出流量小时水位降低较少，流量大时水位降低相对较多，这是因为小流量时河道内水位较低，水流归槽，边滩泥沙淤积的减少对有效过流面积的影响不大，大水流时水位高，水流漫滩，边滩泥沙淤积的减少而使有效过流面积减少较多造成的。试验还表明各级流量情况下，试验河段内上游水位降低较多，下游较少。例如当Q长/Q乌＝23700/5150时，溪洛渡水库拦沙情况下龟门关水尺(2号水尺)的水位降低0.45m，而下游黄巴碛附近(9号水尺)其水位降低值仅为0.12m。显然有溪洛渡水库拦沙时的水面比降必然较无溪洛渡水库拦沙时的天然情况有一定程度的减小，实测各级流量情况下涪陵河段的水面比降平均减小0.054%～0.0061%，局部最大比降减小0.0086%见表3和表4。由此可知，溪洛渡水库建库拦沙后，三峡库尾淤积的减小，将有效地控制库尾河段因泥沙淤积引起的水位上扬，降低该河段的水面比降，对减小三峡库尾河段后期的淹没损失和移民数量与改善通航条件都是十分有利的。

6、 溪洛渡水库建库拦沙对三峡库尾河段的主要影响

6.1 有利于改善库尾河段的通航条件

①溪洛渡水库拦沙后，由于三峡回水变动区泥沙淤积的减少，特别是边滩泥沙淤积的大量减少，对维持该河段航道的稳定，保持有效航宽较为有利，以试验河段101号和113号断面为例，在三峡水库按156m运行至第10年，当Q_长/Q_乌＝23700/5150时溪洛渡建库拦沙较无溪洛渡水库时其有效航宽分别增加约70m和110m。

②溪洛渡水库建成后，由于三峡尾河段泥沙减少，该河段有效过流面积增大，流速趋缓，水面比降减小，有利通航水流条件的改善。

③由于边滩泥沙淤积的减少，对于保持港区水域条件、保证船舶在港区的顺利航行、停靠和进出港作业及码头设施的正常运用十分有利。

6.2 有利于减少三峡库尾河段的后期移民

三峡库尾河段泥沙淤积减少，有效地延缓了该河段因泥沙淤积引起水位上扬(翘尾巴现象，)从而减少了因库尾泥沙淤积引起水位上升而产生的淹没损失，减少了移民数量。

6.3 有利于改善三峡库尾河段的环境条件

溪洛渡水库拦沙后，由于库尾回水变动区河段沿岸边滩泥沙淤积的减少，有利于已建的取水排污设施正常功能的发挥。有利于减少因泥沙淤积而引起的环境卫生问题。

7、 结论和建议

①三峡水库按156m方案运用时涪陵河段与按175m方案运用时重庆河段均处于水库回水变动区，水沙运动特征类似，具有可比性。涪陵河段泥沙模型的设计与相似性验证及泥沙试验成果已通过专家评审，认为溪洛渡水库拦沙对于减缓三峡库区回水变动区泥沙淤积效果的对比试验选择在涪陵河段1：150的正态泥沙模型上进行是恰当的，其试验成果可供重庆河段参考。

②溪洛渡水库建成以后，由于其库容巨大，有效地拦截了金沙江注入长江的大量泥沙，三峡入库含沙量将明显减少，在本试验给定的边界条件下，当三峡水库按156m方案运行10年后较无溪洛渡水库时涪陵河段泥沙淤积总量减少1213.2×104m³(减少58.7%)，其中边滩淤积量减少993.1×104m³(减少65.3%)，深槽淤积量减少220.1×104m³(减少40.3%)。减淤效果显著。

③溪洛渡建库拦沙以后，将有效地延缓河段因泥沙淤积而引起的水位上扬，减小水面比降，根据本次对比试验，三峡水库按156m方案运行10年，有溪洛渡水库拦沙较无水库拦沙，该河段的上游水位降低值为0.44～0.51m，其水面比降减小0.0054%～0.061%。

④溪洛渡水库建成以后，由于三峡库区回水变动区乃至整个库区河段泥沙淤积减少或减缓，对改善该河段的通航条件、减少后期淹没损失和移民数量、改善三峡库尾河段的生态环境十分有利。

⑤鉴于修建溪洛渡水库可以从根本上缓解三峡库区重庆河段的泥沙淤积与生态环境问题，建议国家有关部门优先安排该项目，并对该项目的有关泥沙问题作进一步论证。