三峡水库减淤调度方案探讨

徐 杨，张先平(.中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 44300；. 长江水利委员会长江勘测设计研究院，武汉43000)

泥沙问题是三峡工程关注的重点之一。为有效控制水库淤积，延长水库使用寿命，三峡水库采取了“蓄清排浑”的运用方式，即在汛期降低坝前水位运用，将大量泥沙排向下游，减少水库淤积[1]。然而，为全面提高三峡工程综合效益，满足上下游对三峡水库的调度需求，三峡水库近些年进行了大量的优化调度与实践，导致变动回水区泥沙淤积有所加大；虽然水库蓄水以来入库沙量较设计论证阶段明显减小，库区泥沙淤积大为减轻，增加的淤积总量未超过初设阶段的预估值，但泥沙问题仍是社会广泛关注的焦点。同时，随着坝前水位的逐渐抬高，重庆主城区河段天然的冲淤规律发生变化，整体呈累积性淤积态势，一些重点河段局部的淤积已影响了航行安全等。因此，三峡水库有必要在弄清蓄水运用以来水库泥沙变化规律的基础上，开展减淤调度试验，在不降低水库综合效益的同时，减小水库泥沙淤积。

1 三峡水库蓄水运用以来泥沙淤积特性

1.1 三峡水库来沙特性

20世纪90年代以来，长江上游径流量略有减少，受降雨条件变化、水利工程拦沙、水土保持减沙和河道采砂等影响，入库沙量减少趋势明显[2]。进入21世纪后，三峡上游来沙减小趋势仍然持续。2003-2012年三峡年均入库(朱沱+北碚+武隆)沙量为2.028亿t，为1991-2000年系列年均入库沙量3.682 亿t的55.1%，更是1961-1970年系列年均入库沙量5.418 亿t的37.4%。来沙的年内分布有向汛期更为集中的态势；长江上游各支流来沙下降幅度不同，嘉陵江下降最为明显，其流域已从上游第一产沙区退至第二，岷江来沙目前为上游各支流中(除金沙江)最大者。预计未来10～30 a的三峡入库沙量将降至年均1.5亿t左右。

1.2 三峡水库泥沙淤积特性

三峡水库运用改变了原河道泥沙冲淤特性和规律，水库运行后泥沙在水库大量落淤[3]。根据2003-2012年悬移质输沙量法统计，入库泥沙有近75.6%在水库淤积。然而三峡水库蓄水运用以来入库泥沙大幅减小，三峡库区泥沙淤积较初步设计值大为减轻。2003-2012年，不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙14.368亿t，近似年均淤积泥沙1.44亿t，仅为论证阶段的39%左右(见图1)。从淤积分布上来看，三峡水库绝大部分泥沙淤积在水库145 m水面线以下的库容内，且水库泥沙淤积逐渐向上游发展。从淤积时间来看，水库淤积主要集中在汛期和蓄水期。

图1 三峡历年进出库泥沙与水库淤积量Fig.1 The Sediment deposition capacity change of the TGP

1.3 三峡水库排沙比特性

水库排沙比反映了水库淤积的相对程度。对于特定的水库，排沙比的大小与来水来沙特性(洪水的大小与过程，泥沙的多少、时程分布及粗细等)和运行条件(特别是蓄水位)等密切相关[4]。三峡水库蓄水以来，随着坝前水位的抬高，水库排沙比也在降低。三峡工程围堰发电期水库排沙比为37%，初期运行期水库排沙比为18.8%，而在三峡水库175 m试验性蓄水后，水库排沙比仅为16.1%，排沙比下降的主要原因就是蓄水位的变化，特别是汛期坝前水位较前有所提高(见图2)。从排沙比内分配来看，排沙比最大的是汛期，汛期三峡水库排出的沙量占全年排出沙量的80%以上；其次是蓄水期，水库排出的沙量占全年排出沙量的10%左右。

图2 三峡历年平均库水位与水库排沙比Fig.2 Change process of sediment diversion ratio and water level

1.4 重庆主城区河段冲淤特性

三峡水库试验性蓄水以来，重庆主城区河段累计冲刷558万m3，其中滩冲142.5万m3，槽冲415.5万m3。从淤积分布看：长江干流朝天门以上河段、嘉陵江河段分别为冲刷，长江干流朝天门以下河段泥沙少量淤积泥沙。同时，重庆主城区河床冲淤规律发生了一些新的变化。主要表现在：一是汛期河床淤积量有所减少、河道采砂影响日益严重；二是重庆主城区河段天然情况下汛后河床冲刷较为集中的规律则被水库充蓄、水位壅高、流速减缓的新情况所改变，河床也由天然情况下的冲刷转为以淤积为主，汛后的河道冲刷期相应后移至汛前的消落期。

2 三峡水库减淤调度方案研究

根据三峡水库蓄水运用以来泥沙淤积特性和近年来三峡减淤调度方面的实践，本文将三峡水库全年运行期分为汛期、蓄水期、消落期3个时期，根据各时期的来水来沙、淤积及调度运行特性，通过模型计算和调度实践分析，探讨三峡水库不同运行期的减淤调度方案。

2.1 三峡水库汛期减淤调度方案研究

三峡入库泥沙主要集中在汛期，汛期水库来沙量占全年来沙量比例基本在70%左右，汛期排沙量基本占全年排沙量的比重在80%以上，从汛期入库沙量、出库沙量占全年排沙量的比重等看，开展汛期减淤调度对减少水库泥沙总淤积量有重要意义。

三峡建库后，由于水位壅高，无论是变动回水区还是常年回水区，汛期普遍落淤。另外，水库试验蓄水以来，汛期实施了多次中小洪水优化调度，平均库水位较汛限水位偏高，水深加大，流速减缓，水流挟沙能力减小，易达到超饱和状态，导致泥沙淤积在库区。例如，中小洪水拦蓄较多的2010、2012年汛期，泥沙监测计算的结果表明，优化调度运行比初步设计调度运行导致库区多淤积泥沙约1 830、3 336万m3。

同时，受汛期坝前平均水位偏高、入库流量偏小和汛末提前蓄水等因素综合影响，三峡水库排沙效果有所减弱，2003-2012年汛期水库平均排沙比为23.6%，低于论证阶段的31.6%，低于“九五”攻关阶段的32.7%～33.5%，更低于“十五”攻关阶段的43%～44%。然而，三峡水库蓄水以来汛期水库平均排沙比虽然较低，场次洪水的排沙比却较高。研究表明汛期主要1～3次大洪水过程排出的泥沙可占主汛期和全年出库沙量的50%～90%，因此，如何充分利用主汛期来水来沙和坝前水位组合排沙，是水库排沙出库的主要途径。

通过选取2003年6月-2011年12月三峡水库34场汛期洪水资料，采用逐步回归的方法对汛期场次洪水排沙比SDR与入库流量Qin、入库沙量S、滞洪库容V(为坝前某一水位下的总库容，可根据水位库容曲线求出)等影响因素关系进行统计，建立回归方程，结果表明：入库流量和滞洪库容大小对汛期场次洪水排沙比起主要作用。采用2012年6月21日-8月20日水库沙峰排沙调度试验资料模拟验证，模型计算结果与实测值基本相符，因此三峡水库汛期场次洪水排沙比调度应根据入库流量和坝前水位进行调节。

为加大汛期水库的排沙效果，2012、2013年三峡水库进行了汛期减淤调度试验，主要调度方式是在防洪削峰调度的基础上，利用入库洪峰、沙峰在水库内传播时间的差异，当洪峰过后沙峰到达坝前时，加大水库泄量，将沙峰排出库外。汛期三峡水库的减淤调度试验一方面减轻了长江中下游的防洪压力，另一方面增加了水库的排沙效果，减少水库淤积，取得了较好的成效。2012、2013年7月场次洪水排沙比大部分高于30%，月平均排沙比达28%、26.8%(见表1)。

表1 2012年7月三峡水库场次洪水排沙比统计表Tab.1 The flood sediment diversion ratio in July 2012

综上所述，三峡水库汛期减淤调度原则是在满足防洪、发电、航运等综合利用的基础上，兼顾减淤调度。目标是增大水库排沙比，减少水库总淤积量。针对长江来水来沙集中的特性，水库的减淤调度主要追求汛期场次洪水的高排沙比。汛期减淤调度方式为：

(1)当汛期入库洪峰流量小于2.5万m3/s时，可不开展水库减淤调度。

(2)汛期入库洪峰流量在2.5～4.0万m3/s之间，当开展中小洪水调度时，一般情况下水库滞洪最高水位应不超过157 m，且下泄流量不低于2.5万m3/s。

(3)预报汛期入库洪峰流量将达到4.0万m3/s以上，寸滩站含沙量达到2.0 kg/m3及以上，当库水位在146.0 m以上，且中下游对三峡水库无防洪需求时，建议按4.2～4.5万m3/s下泄，以尽量利用低水位排沙减淤。

(4)汛期沙峰调度：当寸滩洪峰流量将超过5.0万m3/s，且寸滩站出现2.0 kg/m3及以上含沙量时，三峡水库应在不超过5 d的时间以内，逐步加大下泄流量，之后维持此流量下泄直至黄陵庙站出现沙峰之后3 d，3 d之后再视出库含沙量及库水位情况择机结束沙峰调度，沙峰调度过程中应尽量维持在低水位运行。

2.2 三峡水库蓄水期减淤调度方案研究

三峡水库试验性蓄水运行以来，蓄水期来沙量占全年来沙量比例在25%左右，排沙量占全年排沙量比重的10%左右。蓄水期排沙量虽然低于汛期排沙量，但远高于消落期排沙量。三峡水库蓄水期入库沙量、排沙量仍较大，加之近几年对水库蓄水过程的优化，起蓄时间和起蓄水位有所提升，因此开展蓄水期减淤调度具有重要的意义。

三峡初步设计阶段水库按照“蓄清排浑”的调度原则，从有利于水库排沙的10月初开始蓄水。然而，三峡水库蓄水运用以来，上下游各用水单位对水库蓄水期提出了新的要求，三峡水库蓄满与否也关系着水库巨大综合效益的发挥，因此近几年批复的三峡水库蓄水调度方案将蓄水期提前至9月10日，起蓄水位也有所提高(见表2)。蓄水时间的提前和起蓄水位的提高，增加了泥沙淤积量，特别对三峡水库库尾的泥沙淤积产生了一定的影响。蓄水期泥沙监测的结果表明，随着提前蓄水和坝前水位的抬高，回水范围内三峡库区泥沙沿程落淤，淤积也逐渐向上游发展，水库常年回水区和变动回水区局部河段淤积明显。重庆主城区河段9月中旬至12月中旬天然情况下的冲刷逐渐被淤积所替代，每年汛后的河床冲刷期相应后移至次年汛前库水位的消落期，但冲刷不完全，呈累积性淤积态势。

表2 2008-2013年三峡水库蓄水情况表Tab.2 Reservoir filling process of the TGP from 2008 to 2013

通过拟定不同蓄水调度方案(参照国家防总批复的历年汛末蓄水计划，对起蓄时间、9月上旬及9月底的控制水位进行拟定)，选取2010-2012年蓄水期来水来沙过程，开展三峡水库蓄水期不同调度方案的泥沙冲淤计算，结果表明：通过控制蓄水进程，可改变水库的泥沙淤积分布，适当减少淤积量。

综上所述，蓄水期减淤调度原则与目标为：在确保实现蓄水目标的同时兼顾减少水库泥沙淤积；通过水库调度，有效控制泥沙淤积在库尾的分布，并在一定程度上减少水库泥沙淤积总量。蓄水期减淤调度方式为：

(1)为减少变动回水区泥沙淤积，汛末开展预报预蓄试验性蓄水时，9月10日坝前水位应控制在150～155 m之间。8月下旬，当预报来水来沙均较大时，应尽量不蓄水或少蓄水；9月1-10日，当预报入库洪峰流量在3.5万m3/s以上，且寸滩站有约2.0 kg/m3及以上的沙峰入库时，水库应暂停蓄水直至沙峰出库。

(2)9月10-30日期间，当坝前水位已达到160～162 m，入库洪水洪峰达到2.5万m3/s以上，同时预报入库沙量仍较大时，应放缓水库蓄水进程。

(3)9月30日控制坝前水位在165 m附近。当预报入库泥沙较少，泥沙冲淤计算9月30日坝前水位在165～168 m之间的水库淤积影响差别不大时，则9月30日坝前水位可考虑适当抬高，控制在168 m以内。

2.3 三峡水库消落期减淤调度方案研究

消落期(前一年11月至次年5月)三峡水库来沙量占全年(前一年11月至次年10月)来沙量的5 %左右，远低于汛期和蓄水期来沙量；排沙量占全年水库排沙的比重基本上在5%以内，排出库外的泥沙很少。从消落期入库沙量、出库沙量占全年排沙量的比重以及消落期排沙比等看，消落期减淤调度应以优化水库泥沙淤积分布为主。

三峡水库175 m试验性蓄水后，随着水库回水范围向上游延伸，库区泥沙淤积也逐渐向上游发展。2008年汛末三峡水库进行试验性蓄水后至2012年10月，奉节以上库段年均淤积泥沙占库区总淤积量的78.3%。其次，试验性蓄水后，汛后10-12月变动回水区泥沙淤积量增多，淤积比重增大。2008-2012年10-12月涪陵以上库段淤积泥沙占库区同期总淤积量的比重达到60%～90%。重庆主城区同期泥沙观测成果亦表明，汛后河床由天然情况下的冲刷转为以淤积为主，河道冲刷期相应后移，主要走沙期改为次年汛前消落期。

为减少库尾淤积、增大汛前消落期的库尾走沙能力，尽可能的将淤积的泥沙冲往常年回水区，优化库区淤积分布。针对不同寸滩来水来沙和坝前水位组合，采用三峡水库干支流河道一维非恒定流水沙模型开展泥沙冲淤模拟计算[5]，结果表明：三峡库尾走沙需满足寸滩站流量级大于5 000 m3/s，坝前水位低于163 m，日均消落幅度不小于0.2 m，且寸滩流量越大，冲刷效果越好。

根据相关研究成果，2012、2013年5月在上游来水条件和库水位较好的情况下，三峡水库开展了库尾减淤调度试验。两次减淤调度期间三峡水库库尾均整体呈沿程冲刷，其中，2012年重庆大渡口～涪陵段河床冲刷量为241.1万m3，2013年减淤调度期间实测冲刷量大于2012年减淤调度期间实测冲刷量，库尾大渡口～涪陵段河床冲刷量达到441.3万m3，其中：长江干流段冲刷量为409.7万m3，嘉陵江段冲刷量为31.6万m3(见图3)。两次减淤调度取得了初步成功，为今后再次实施库尾河段减淤调度试验打下了良好的基础。

图3 2012、2013年减淤调度期间库尾河段沿程冲刷对比图Fig.3 The alongshore erosion in reservoir head sediment discharge regulation experiment

综上可见，恰当的消落期减淤调度可改善变动回水区泥沙分布，对长期发挥水库综合效益有利。消落期减淤调度原则与目标为：应在满足发电、航运等综合利用的基础上，兼顾库尾泥沙减淤；通过增大汛前消落期的库尾走沙能力，尽可能地将库尾淤积的泥沙冲往常年回水区。消落期三峡水库减淤调度方式为：

(1)减淤调度启动库水位和寸滩流量。消落期减淤调度启动时，库水位尽量在161～162 m附近，寸滩流量尽量在6 700 m3/s以上，在寸滩来水不理想时，寸滩5 000 m3/s流量亦可作为减淤调度的启动条件。

(2) 调度启动时间。消落期减淤调度宜放在汛前。为避免对发电、航运及水库汛前腾库防洪等方面带来不利影响，且减淤调度需要一段持续消落的过程，消落期减淤调度的启动时间最早为5月上旬。

(3)减淤调度期间的库水位日降幅。为保留一定的调度灵活性，有利于库尾走沙，库水位日降幅宜在0.3～0.6 m之间。

(4)当三峡水库消落期需要开展减淤调度而寸滩来水又不理想时，可通过上游溪洛渡、向家坝水库适当增加泄水，以满足减淤调度所需的寸滩流量条件，提高重庆主城区河段走沙能力。

3 结 语

为充分三峡工程综合效益，有效控制水库淤积，三峡水库应在满足防洪、发电、航运等综合利用的基础上，适当开展减淤调度。具体方式包括：①汛期结合水文泥沙预测预报，利用洪峰与沙峰在库区传播的时间差，尽量将沙峰排出库外，减少水库总淤积量；②优化蓄水进程，尽量减少蓄水期水库尤其是变动回水区的泥沙淤积；③汛前消落期，选择合适的入库来水过程和时机，利用库水位的消落，将库尾淤积的泥沙带往常年回水区内甚至带出库外。然而，本文针对三峡水库提出的减淤调度方案属初步探讨，今后随着减淤调度理论研究的完善以及减淤调度实践的检验，减淤调度方案还应进一步优化完善。

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[1] 蔡其华．三峡水库科学调度应准确把握三个重要前提[J]．中国水利，2012，(14)：4-6．

[2] 李海彬，张小峰，胡春宏，等．三峡入库沙量变化趋势及上游建库影响[J].水力发电学报，2011，(1)：94-99.

[3] 陈桂亚．三峡水库运行调度技术研究与实践[M]．北京：中国水利水电出版社，2013.

[4] 陈桂亚，袁 晶，许全喜．三峡工程蓄水运用以来水库排沙效果[J]．水科学进展，2012，(3):355-362.

[5] 黄仁勇，黄 悦．三峡水库干支流河道一维非恒定流水沙数学模型初步研究[J]．长江科学院院报，2009，(2):9-13.