三峡工程蓄水运用后水库泥沙淤积及坝下游河道冲刷分析

卢金友，黄 悦，王 军

（长江水利委员会长江科学院，武汉 430010）

1 三峡工程蓄水运用后水库泥沙淤积与坝下游河道冲刷

1.1 水库调度方式及运行过程

三峡工程于2003年6月进入围堰蓄水期，坝前水位汛期按135 m、枯季按139 m方式运行4年。2006年汛后坝前水位抬升至156 m，三峡工程进入初期蓄水期，坝前水位按156－144－144 m方式运行2年（正常蓄水位－防洪限制水位－消落限制水位，下同）。2008年汛末三峡工程进入试验性蓄水期，坝前水位按175－145－155 m方式运行，当年坝前水位最高达到172.8 m；2009年汛后坝前水位最高达到171.41 m；2010年10月26日三峡水库成功蓄水至175 m水位运行，正在发挥防洪、发电、通航及补水等综合效益。三峡工程蓄水后坝前水位变化过程见图1。

1.2 水库来水来沙

三峡工程2003年蓄水至2010年，入库水沙年均值分别为3 705亿m3、2.024亿 t（见表1）。 蓄水后8年中，除2005年来水量偏丰、2006年来水量偏枯外，其他年份来水量与多年平均值相近，但年来沙量均偏少，其中2006年的入库泥沙最少，只有多年平均值的23%，来沙较多的2005年也只有多年平均值的58%（见表1）。总的情况为入库水量变化不大，入库沙量相应减少较多。

表1 三峡水库来水来沙变化Table 1 Variations of incoming flow and sediment of Three Gorges Reservoir

图1 三峡工程蓄水运用以来坝前水位变化过程Fig.1 Water level change process in front of dam after TGP operation

1.3 三峡库区泥沙淤积

三峡水库属于典型的河道型水库，库区干流长660多 km，最宽处达 2 000 m，库区平均水面宽1 000 m。根据三峡水库进、出控制站水文观测资料统计，三峡工程2003年6月至2010年12月，总入库沙量为 15.801亿 t，出库（黄陵庙站）沙量4.118亿t，不考虑三峡库区区间来沙，库区总淤积量为11.685 亿 t［1］，平均年淤积量为 1.558 亿 t，年内淤积量主要集中在汛期6—9月。由图2和表2看出，库区泥沙淤积除受入库水沙量的影响外，坝前运行水位抬高对库区泥沙淤积也比较明显。如2005、2007、2008年和2010年的来沙量较相同运用条件的其他年份多，淤积量也相对较多；又如2008、2010年的来水量来沙量比2005年的小或略少，但库区淤积量则多淤积8 300～9 400万t。

图2 三峡水库年内淤积过程图Fig.2 Deposition process of Three Gorges Reservoir within a year

表2 三峡水库蓄水后2003—2010年进出库沙量、排沙比及库区淤积量表Table 2 Inflow and outflow sediment amount，sediment delivery rate and sedimentation amount in reservoir area from 2003 to 2010 after impoundment of the reservoir

从淤积分布看，三峡工程围堰蓄水期，常年回水区（丰都至大坝）淤积量5.433亿m3，占库区淤积量的99%，变动回水区丰都至李渡库段冲淤量小于1%；初期蓄水期，丰都至大坝库段淤积2.398亿m3，占库区淤积量的96%，变动回水区丰都至铜锣峡段只占库区淤积量的4%；试验性蓄水期的2008年汛末至2009年11月，丰都以下库段淤积2.155亿m3，占库区总淤积量的91%，丰都至铜锣峡段淤积占库区淤积量的9%；试验性蓄水期的2009年11月—2010年11月，丰都至大坝段淤积量1.319万m3，占库区总淤积量的81%，丰都至铜锣峡段淤积 0.314亿 m3，比 2009年增多了1 075万m3，占库区总淤积量的比例也增大至19%（见表3）。上述结果表明，试验性蓄水期，库区淤积分布出现了变化，变动回水区的淤积量增加较多。

表3 三峡工程不同运用时期库区干流各段冲淤量统计表（地形法）Table 3 Scouring and silting amount of the main stream in reservoir area during different operation periods of TGP （topographic change method）亿m3

1.4 出库泥沙及排沙比

由三峡水库进、出控制站水文观测资料统计，三峡工程2003年6月—2010年12月，总入库沙量为15.801亿 t，总出库（黄陵庙站）沙量4.118亿 t，平均年出库沙量0.54亿t。除2006年来水来沙特小，出库沙量小于0.09亿t，排沙比仅8.7%外，出库沙量及排沙比均受坝前水位变化的影响较大。围堰蓄水期坝前水位按139－135 m方式运行，平均出库沙量约0.84亿t，排沙比为39.8%；初期蓄水期坝前水位按156－144－144 m方式运行，平均出库沙量约0.415亿t，排沙比为18.9%；试验性蓄水期坝前水位按175－145－155 m方式运行，平均出库沙量约0.344亿t，排沙比为17%（见表2）。由此表明入库水沙变化对库区淤积量的影响起主要作用，其次是水库调度方式的影响；另外汛期控制水位高低对排沙比的影响也较大。

1.5 变动回水区重庆主城区河段泥沙冲淤

重庆主城区长江干流大渡口至铜锣峡段长约35.5 km，嘉陵江井口至朝天门段长约23 km。天然情况下，重庆主城区河段年内冲淤规律一般表现为“洪淤枯冲”，河床基本能保持冲淤平衡。根据实测断面资料分析，三峡水库蓄水运用前（1980年2月—2003年 5月），重庆主城区河段累积冲刷1 247.2万m3（含河道挖沙影响，下同）。

三峡工程蓄水运用后，2003年5月—2006年9月（围堰蓄水期）重庆主城区河段累积冲刷447.5万m3，围堰蓄水期水库按139－135 m方式运行，水库回水末端位于朝天门以下112 km的李渡镇，重庆主城区河段仍处于天然状况，故该河段为冲刷；2006年9月—2008年9月初期蓄水期水库按156－144 m方式运行，水库回水末端位于朝天门以下15 km的铜锣峡附近，重庆主城区河段累积淤积366.8万m3，其中朝天门以上干支流段均为冲刷，而朝天门以下河段呈淤积；2008年9月—2010年12月试验性蓄水期，重庆主城区河段累积淤积588.6万m3，其中干流河段淤积较多，嘉陵江井口至朝天门段淤积较少（见表4）［1］。上述结果表明，试验性蓄水后重庆主城区河段淤积量有所增大，但绝对值较小。

从重庆主城区河段冲淤过程可见：2008年9月以前，重庆主城区河段总体以冲刷为主，年内仍可概括为3个阶段，即年初至汛期初的冲刷阶段，汛期的淤积阶段，汛期末及汛期后的冲刷阶段。试验性蓄水期随着坝前水位的逐渐抬高，重庆主城区河段9月中旬至12月中旬天然情况下的冲刷阶段转为淤积阶段，汛后的河床冲刷阶段相应后移至汛前库水位的消落期（见图3）。

表4 三峡工程蓄水运用以来重庆主城区河段冲淤变化表Table 4 Scouring and silting changes of the river reach of Chongqing urban area since TGP operation万m3

图3 三峡工程蓄水后重庆主城区河段冲淤过程图Fig.3 Scouring and silting process of the river reach of Chongqing urban area after impoundment of TGP

1.6 坝区及船闸上下游引航道泥沙淤积

坝区河段指坝上游长约15.1 km的库段。三峡水库蓄水运用以来观测资料表明，坝区河段处于持续的泥沙淤积状态，泥沙绝大部分淤积在90 m高程以下，且颗粒较细。2003年3月—2010年11月累计淤积 1.286亿 m3，单位河长淤积量达到851.7万m3／km，为三峡库区蓄水以来累积性淤积强度最大的河段；从淤积部位来看，90 m高程以下河床淤积泥沙0.861亿m3，占总淤积量的66%，110 m高程以下河床淤积泥沙0.939亿m3，占总淤积量的72%。其中围堰蓄水期，大坝 ～庙河段135 m高程以下河床共计淤积泥沙6 510万m3，以淤积河槽为主，河槽的淤积量占总淤积量的79.5%。初期蓄水期，近坝上游河段156 m高程以下河床总淤积量为4 656万m3，河床以深槽的淤积为主，占总淤积量的66.3%。试验性蓄水期，坝区156 m高程以下河床总淤积量为1 430万m3，河床仍以深槽的淤积为主，占总淤积量的69.2%，主槽的淤积率有减小的趋势，坝前深泓淤积最大厚度达60.5 m。

左电厂前135 m高程以下河床淤积总量为748.2万m3，主要淤积在90 m高程以下的河槽，占总淤积量的88.6%。厂前的水域平均淤积厚度约为12 m，局部最大淤积厚度达25.8 m，离大坝愈远淤积幅度愈大，河槽的淤积则愈明显。

船闸上游引航道有淤积，但淤积量不大，对航运没有产生影响。下游引航道2003—2009年总计淤积170万m3，2003—2009年航道内及口门区泥沙总计清淤量为107.6万m3。

1.7 坝下游河道冲刷

1.7.1 坝下游宜昌至湖口河段冲刷

三峡工程坝下游宜昌至鄱阳湖口为长江中游，长955 km，沿江两岸汇入较大支流、湖泊有清江、汉江、洞庭湖和鄱阳湖水系等。荆江南岸有松滋、太平、藕池、调弦四口分流入洞庭湖（调弦口于1959年建闸控制）。

三峡工程蓄水运用后，宜昌至湖口河段出现长河段冲刷。2002—2006年全河段冲刷，其中宜昌至城陵矶河段冲刷强度较大；2006—2008年来水来沙较少，宜昌至城陵矶段微冲，城陵矶至湖口段微淤；2008—2010年试验性蓄水期，下泄泥沙进一步减少，宜昌至湖口出现全程冲刷。2002年10月—2010年10月，宜昌至湖口河段（城陵矶至湖口河段为2001年10月—2010年10月）平滩河槽总冲刷量为9.79亿m3，年均冲刷量1.088亿m3（见表5）。

表5 三峡工程蓄水前后宜昌至湖口河段冲淤变化表Table 5 Scouring and silting variation of the river reach from Yichang to Hukou before and after impoundment of TGP亿m3

三峡工程蓄水运用以来，宜昌至湖口河段河道冲刷以枯水河槽为主，其冲刷量为8.14亿 m3［1］，占平滩河槽冲刷量的83%。从冲淤量沿程分布来看，宜昌至城陵矶河段河床冲刷较为剧烈，其冲刷量为6.25亿m3，占总冲刷量的64%，其中宜昌至枝城段平均冲深2.1 m，荆江河段平均冲深1.1 m；城陵矶至武汉、武汉至湖口河段冲刷量分别为1.08亿m3、2.45亿m3，分别占总冲刷量的11%、25%。

三峡工程蓄水以前，城陵矶至湖口河段“冲槽淤滩”现象十分明显，其中武汉至湖口河段冲淤变化较大。1998年大水以前，汉口至湖口河段淤积量为5.0亿 m3（1975—1998年），1998年大水后河床冲刷剧烈，1999—2001年该段河床累计冲刷泥沙3.343亿 m3，年均冲刷量达 1.37亿 m3［2］。结果表明，三峡工程蓄水运用后对武汉至湖口河段的冲刷影响小于1998年的大水影响。

1.7.2 宜昌枯水位下降

三峡工程蓄水前（2002年汛后）宜昌站流量4 000 m3／s时，对应枯水位比 1973年下降了1.24 m。蓄水后至2010年末，宜昌站流量为4 000、5 000、7 000 m3／s时，与 2002 年汛后水位比较，相应水位分别下降 0.08、0.39、0.4 m（见表 6）。

表6 宜昌站不同时期汛后枯水流量水位下降值表（吴淞冻结／m）Table 6 Low water level decrease values at Yichang Hydrologic Station after flood season in different stages（Wusong elevation／m）

由于近坝段（胭脂坝段等）枯水河床控制冲刷（护底工程），以及古老背、南阳碛、关洲、芦家河等控制节点的河段冲刷较少，这些控制性节点的河床抗冲是宜昌枯水位保持基本稳定的重要原因之一。另外枯水期水库下泄流量增加，初期蓄水期、试验性蓄水期宜昌站流量小于4 000、5 500 m3／s的几率很少，对宜昌枯水位的稳定也有重要作用。

2 水库淤积及坝下游冲刷实测值与预测值对比分析

三峡水库蓄水运用8年来，来水来沙情况与多年平均情况有较大的变化，特别是2006年泥沙来量减少较多，与以往的研究侧重于多年变化所采用的水文年系列差异较大。因此，不能简单地进行直接对比。数学模型计算中的来水来沙采用1961—1970年和1991—2000年系列，并假定其不断重复出现。系列的均值是具有代表性的，但系列年的洪枯年份先后次序与排列却不具备代表性。水库运用方式也有差别。因此，作为初步的对比，可以针对其均值，而不宜逐年比较。4 199 亿 m3、5.09 亿 t［3］；2003—2010 年 8 年的实测年均入库水沙量分别为3 713亿m3、1.975亿t，计算系列的年均入库水量比蓄水后8年的均值大13%，入库沙量则多158%。

2.1 库区泥沙淤积

可行性论证阶段水库泥沙淤积一维数学模型预测采用20世纪60年代水沙系列为入库水沙条件，该系列的年均入库水沙量（寸滩+武隆）分别为

一维数学模型计算得出的第一个十年的年均出库泥沙为1.54亿t，年均库内淤积3.55亿t，排沙比30.3%［3］；2003—2010年8年的实测年均出库沙量0.515亿t（黄陵庙站），年均库区淤积1.46亿t，排沙比26.1%。两者比较可知，8年的实测水库淤积量明显偏小，考虑入库沙量相应偏少，计算系列的年均库内淤积量与蓄水后8年的平均值基本接近。但预测值的排沙比稍大于实测值，其主要原因是蓄水后上游实际来水量偏小，特别是汛期大流量较少，排沙能力相对小于预测采用的系列年水流条件。如采用2003—2010年实际的来水来沙量，用原数学模型进行计算，所得的水库淤积量则与实测值比较接近（见图4）。

图4 三峡水库进出库水沙、淤积量与以往研究成果对比Fig.4 Comparison of inflow and outflow sediment，sedimentation amount of Three Gorges Reservoir with the previous research results

关于三峡库区泥沙淤积体的纵向分布，实际情况和预测值基本相似，只是水库运用初期坝区段与实测值有一定差异。根据库区断面测量，越往坝前，泥沙淤积强度越大。而数学模型预测头十年坝前的淤积较少。坝前段泥沙淤积速度，与船闸引航道的淤积及电站的进水条件密切相关。三峡电站机组满发时下泄流量约 25 000 m3／s，流量大于 25 000 m3／s的部分由深孔下泄，依据断面含沙量垂线分布一般规律，坝前出库含沙量应该是深孔大于水轮机组的进水口，而原数学模型对坝前的含沙量计算是按断面平均计算，故排沙比计算值偏小。

2.2 坝下游河道冲刷

三峡工程技术设计阶段坝下游宜昌至大通河段一维冲刷数学模型计算采用的起始地形为1993年10月实测地形，其进口水沙条件采用1961—1970年系列年三峡水库淤积计算的出库水沙成果。三峡工程论证阶段坝下游河道冲刷计算采用的起始地形为1981年实测地形，计算冲刷量较技术设计阶段的大一些，以下对比采用技术设计阶段的成果。

实测值采用2002年10月—2010年10月资料统计（见表5），宜昌至城陵矶河段年平均冲刷量实测值为0.782亿m3，城陵矶至武汉河段年平均冲刷量为0.113亿m3，武汉至九江河段平均年冲刷量为0.102亿m3（武汉至湖口河段冲刷量中扣除张家洲河段冲刷量1.44亿m3）。

一维冲刷数学模型计算的长江中下游各河段在第一个十年中的平均年冲淤量［4］和用断面法实测的年均冲淤量比较如图5所示。2003—2010年全河段（宜昌—九江）实测年均冲刷0.928亿m3，计算值为0.948亿m3，计算值与实测值相差 －2.2%。其中宜昌至城陵矶河段计算值冲刷量为0.89亿m3，比实测值大13.9%；城陵矶至武汉河段计算值冲刷量为0.16亿m3，比实测值大33%，但绝对量较小；武汉至九江河段计算值为淤积，约淤积0.102亿m3。总地来看，宜昌至武汉段冲刷量计算值与实测值比较接近，武汉至九江段计算值与实测值略有差异，且绝对量较小。

上述对比结果表明，三峡水库蓄水运用初期，宜昌至九江段总冲刷量预测值与实测值比较接近，其中宜昌至武汉段冲刷预测值比实测值稍大，武汉至九江段冲淤量虽有差别，但数量较小。冲刷实测值与预测值存在差异的重要原因：一是坝下游冲刷计算的进口水沙条件是采用1961—1970年水文系列年进行水库淤积计算得出的三峡水库下泄水量、沙量和泥沙级配值，与实际出现的水沙条件有一定差异；二是宜昌至湖口河段实测冲刷量由2002年10月和2010年10月两次实测地形计算得出，未扣除宜昌至湖口河段的采砂量。

图5 下游河段计算与实测的年均冲淤量Fig.5 Calculated and measured annual average sedimentation in the lower reach

综上所述，三峡水库蓄水运用8年来坝下游河段的冲刷实测值总体上尚在预测同期值范围内，但因水库运用年限较短，有待继续进行对比。

3 结语

1）三峡工程蓄水运用8年来，水库泥沙淤积及坝下游河道冲刷等出现的情况尚在原预测范围之内，表明原预测的研究成果可行。

2）本次实测成果与论证阶段的预测研究进行对比分析，在时间上略显短促，还有待今后的观测并作进一步对比。

3）今后应加强泥沙原型观测；进一步完善水库淤积及坝下游冲刷计算模型；加强三峡水库与上游其他大型水库联合调度对三峡水库淤积及坝下游冲刷的影响与解决措施研究。

［1］长江水利委员会水文局.三峡水库进出库水沙特性、水库淤积及坝下游河道冲刷分析（2010年度），2010年三峡工程水文泥沙观测［R］.2011.

［2］潘庆燊.长江中下游河道整治研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［3］黄煜龄，梁栖蓉.三峡水库泥沙冲淤计算分析报告.长江三峡工程泥沙与航运关键技术研究专题研究报告集（下册）［M］.武汉：武汉工业大学出版社，1993：423－487.

［4］黄 悦，黄煜龄.三峡水库下游宜昌至大通河段冲淤一维数模计算分析.长江三峡工程泥沙问题研究（第七卷）［M］.北京：知识产权出版社，2002：211－311.