三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式初探

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(1.长江科学院 河流研究所，武汉　430010；2.中国长江三峡集团有限公司，湖北 宜昌　443133)

1　研究背景

三峡水库来水量大，含沙量相对较小，但年输沙量较大，来水来沙大部分集中在汛期，水库属典型的河道型水库，库容系数小，初步设计确定三峡水库采用“蓄清排浑”的运用方式，汛期6月中旬—9月底除入库流量大于下游河道安全泄量时拦蓄超额洪峰及水库水位抬高外，一般维持在较低的防洪限制水位145 m运行。汛末10月份初水库开始蓄水，逐步升高至正常蓄水位175 m运行。三峡水库采用汛期排沙、枯期蓄水的“蓄清排浑”调度方式，可保留较多的有效库容，实现水库长期使用。

根据《长江三峡水利枢纽初步设计报告》研究成果[1]：“三峡水库防洪限制水位150 m方案，防洪库容还有196余亿m3，尚基本满足防洪要求。为慎重对待泥沙淤积问题，初步设计阶段推荐防洪限制水位以145 m为宜，而在水库运行的最初20～30 a内，适当抬高防洪限制水位，可增加发电收入，有利于三峡工程还贷，从泥沙淤积与航运看也存在这种可能性，这一问题可进一步研究。”可见，泥沙问题是三峡水库汛限水位选择145 m的重要原因。

三峡水库2003年蓄水运用以来，入库水量特别是蓄水期入库水量明显减少，入库泥沙呈趋势性大幅度减小，水库泥沙淤积远好于初步设计预期。在此背景下，为充分发挥水库综合效益，三峡水库开展了汛期运行水位上浮、汛期中小洪水调度、汛末提前蓄水等优化调度。其中汛期调度方式优化问题一直是社会关注的焦点，也是一个需要深入研究的重要问题。目前关于三峡水库调度方式优化、近期水沙变化及库区淤积分析的研究较多[2-7]，但这些研究均没有从支撑三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用的角度出发，有针对性地去分析三峡水库入库水沙变化、库区淤积及汛期调度方式优化。本文对三峡水库蓄水运用后入出库沙量特性变化进行了分析对比，在此基础上提出了三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用的泥沙调度方式(汛期入库沙量较小时抬高库水位蓄清水，入库沙量较大时降低库水位排浑水)，并对相关问题进行了初步探讨，研究成果可为三峡水库汛期优化调度提供参考。

2　三峡水库汛期入出库沙量特性变化分析

2.1　三峡水库汛期入库沙量变化分析

三峡水库库区干支流河道及主要水文站位置见图1。表1为三峡水库入库(朱沱+北碚+武隆)沙量变化，给出了不同统计年份不同月份的日均输沙量和日均含沙量变化。在三峡工程论证和初步设计阶段[1,8]，采用的资料系列为1990年前长系列值，其中水库泥沙冲淤数学模型预测计算和泥沙模型试验采用的是1961—1970年系列值。

图1　三峡水库库区干支流河道及水文站位置

项目日均输沙量/(万t)4月5月6月7月8月9月10月11月12月5—10月7—9月全年多年平均7.942.016443233525272.013.02.7216341111.01961—1970年15.071.0182533447402102.016.03.3289461149.01956—1990年10.057.019950339431289.013.02.7259404134.01991—2002年6.523.014938132218459.014.03.018629796.02003—2013年3.012.06024614612531.010.01.910417354.02012年2.312.04635210317128.02.00.711820960.02013年2.03.82333234112.01.00.66812735.02014年2.12.2134944654.31.30.6295215.02015年1.43.2262028186.20.70.417228.8项目日均含沙量/(kg·m-3)4月5月6月7月8月9月10月11月12月5—10月7—9月全年多年平均0.160.511.171.901.641.310.560.180.061.331.641.071961—1970年0.290.801.342.282.051.840.690.200.071.672.071.361956—1990年0.200.681.392.211.921.540.650.180.061.561.901.271991—2002年0.130.301.011.641.501.090.490.200.071.161.440.942003—2013年0.060.160.451.120.800.660.260.140.040.680.880.542012年0.050.120.381.010.540.810.210.030.020.650.840.532013年0.040.050.201.260.220.070.020.020.010.490.670.382014年0.030.030.110.240.210.270.040.020.010.180.240.142015年0.020.050.210.140.200.100.050.010.010.130.140.10

注：多年平均指1956—2013年

从三峡入库日均输沙量看，1991年以后各月入库输沙量均出现了明显减小，2003—2013年各月输沙量减小趋势进一步增加。向家坝和溪洛渡水库分别于2012年和2013年开始蓄水运用，受上游溪洛渡、向家坝水库蓄水拦沙影响，2013年、2014年和2015年汛期入库日均输沙量进一步大幅度减少。2013年汛期6月、8月、9月的入库日均输沙量分别为23万，34万，11万t，比1956—1990年及1961—1970年5月和10月的入库日均输沙量还要小，即此时的“浑水”比论证阶段的“清水”还要更清一些，2013年仅7月的入库日均输沙量相对较大；2014年6—9月入库日均输沙量分别为13万，49万，44万，65万t，亦小于论证阶段1961—1970年5月和10月的入库日均输沙量；2015年6—9月入库日均输沙量分别为26万，20万，28万，18万t，亦小于论证阶段1961—1970年5月份和10月份的入库日均输沙量。

从三峡入库日均含沙量看，1990年以前，不同统计时段三峡入库日均含沙量在1.0～1.5 kg/m3之间，属于一般泥沙河流(根据规范，多年平均含沙量为1.0～10.0 kg/m3的河流为一般泥沙河流)，1991年以后三峡入库日均含沙量已降至1.0 kg/m3以下，2013年、2014年、2015年入库日均含沙量已分别降至0.38，0.14，0.10 kg/m3，三峡水库已经成为少沙河流水库了。

2.2　三峡水库汛期出库沙量变化分析

表2为三峡水库出库(宜昌站、黄陵庙站)水沙量变化。由表2可见，与宜昌站1952—2002年相比，2003—2015年宜昌站年径流量减小了8.2%，输沙量减小了91.8%，汛期(5—10月份)和主汛期(7—9月份)径流量占年径流量的比重分别从79.0%和50.2%减小到了74.7%和47.6%，出库径流中汛期径流比重在降低；汛期和主汛期输沙量占年输沙量的比重分别从96.4%和74.4%增大到了99.0%和92.9%，出库输沙量中汛期特别是主汛期输沙量比重在增大，年出库输沙量更加集中于汛期特别是主汛期。2003—2015年出库黄陵庙站汛期和主汛期径流量分别占年径流量的74.7%和47.8%，出库黄陵庙站汛期和主汛期输沙量分别占年输沙量的99.1%和92.7%，主汛期出库沙量非常集中。

表2　三峡水库出库(宜昌站、黄陵庙站)水沙量变化

2.3　三峡水库汛期主要出库沙峰过程出库沙量分析

表3为三峡水库主要出库沙峰过程出库沙量占汛期出库沙量(6月10日—9月30日)百分比。由表3可见，三峡水库汛期出库沙量主要集中在1～2次大的出库沙峰过程中，一次沙峰过程出库沙量占6月10日—9月30日总出库沙量的40%以上是普遍现象，其中2013年7月15日—7月31日这一次出库沙峰过程的出库沙量甚至占到了汛期6月10日—9月30日总出库沙量的81.2%。可见，有些年份入出库沙峰非常集中，这也为开展“蓄清排浑”泥沙调度方式在汛期的动态使用提供了有利条件。

表3　三峡水库主要出库沙峰过程出库沙量占汛期(6月10日—9月30日)百分比

三峡水库汛期入出库沙量特性变化的实测资料分析表明，三峡入出库沙量大幅度减小，入出库沙量更加集中于汛期，尤其是主汛期，主汛期入出库沙量主要集中于1～2次相对较大的沙峰过程中，这一变化特点非常有利于开展“蓄清排浑”泥沙调度方式在汛期的动态使用。因此，汛期入出库沙量的大幅减少和输沙时间的更为集中为三峡水库开展汛期“蓄清排浑”动态运用提供了基础和前提条件。

3　三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式初步分析

3.1　防洪风险分析

按照初步设计的汛期调度方式，电站运行水头低，发电出力受阻，三峡水库洪水资源利用程度偏低。基于水文气象预报水平和调度技术的提高，为增加调度的灵活性并进一步利用洪水资源，2009年国务院批准的《三峡水库优化调度方案》明确：当沙市水位在41 m以下、城陵矶水位在30.5 m以下，且三峡水库来流量<25 000 m3/s时，三峡水库汛期实时库水位可最高上浮至146.5 m运行。同时，在《三峡水库优化调度方案研究》成果报告中[9]，还研究提出了汛期考虑1～3 d泄水历时的147,148,150 m上浮水位方案。随着长江上游溪洛渡、向家坝分别于2013年和2012年开始蓄水运用，三峡水库汛期防洪压力进一步减轻，长江勘测规划设计研究有限责任公司最新的相关研究成果表明[10]，考虑溪洛渡、向家坝建库后，三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位可从155 m进一步提高至158 m，不降低对荆江地区100 a一遇洪水的防洪标准，对水库移民淹没影响较小，三峡水库6月中旬—8月下旬和9月上旬，汛限水位分别控制在150 m以下和158 m以下时，防洪风险可控。

2009年汛期以来，三峡水库持续开展了汛期中小洪水调度，汛期“涨水时拦洪，退水后加泄”，已有的防洪风险研究成果为汛期洪水位抬高奠定了基础。与中小洪水调度的拦洪补枯不同，“蓄清排浑”动态运用的泥沙调度方式是在大水时降低库水位，其防洪风险要低于目前已经开展的汛期中小洪水调度。需要说明的是，防洪是三峡水库的首要任务，也是长江的头等大事，三峡水库汛期调度方式优化，必须建立在对防洪风险进行充分研究论证的基础上。因此，三峡水库汛期调度方式优化的防洪风险问题，仍需进一步加强研究，这也是三峡水库能否采用汛期“蓄清排浑”动态运用泥沙调度方式的一个重要前提。

3.2　库区淤积分析

三峡水库蓄水运用以来[8]，入库泥沙量与论证阶段相比大幅度减少，年均入库泥沙不足2亿t，库区淤积大为减轻。随着金沙江溪洛渡、向家坝水库的蓄水运用，金沙江99%的来沙被上游水库拦截，三峡水库入库泥沙出现了进一步的大幅减少，2013年三峡水库入库沙量(朱沱+北碚+武隆)减少至1.27亿t，2014年和2015年三峡水库入库沙量分别减少至0.554亿t和0.320亿t，随着上游干支流更多水库的不断建成运用，可以预期三峡入库泥沙量将在未来较长的一个时期维持在目前的较低水平内。2003—2012年库区年均淤积泥沙1.44亿t，2013年、2014年和2015年年淤积量分别减小至0.942亿、0.444亿、0.278亿t。2012年10月以来库尾涪陵以上变动回水区河段基本处于持续冲刷状态，2003—2015年变动回水区涪陵以上河段累计冲刷0.536亿m3，其中2015年变动回水区冲刷泥沙0.169 7亿m3；2008年175 m试验性蓄水以来库尾重庆主城区河段累计冲刷0.155 7亿m3，其中2015年冲刷泥沙0.018 3亿m3。可见，三峡库区及库尾泥沙淤积状态明显好于预期。

上游干支流水库群的蓄水拦沙作用，减少了三峡水库入库沙量，减缓了水库的淤积速度，将使三峡水库淤积平衡时间得到明显延长，这为三峡水库开展汛期优化调度奠定了基础。目前实际调度中实施的汛期中小洪水调度，会造成入库沙量大时库水位抬升，库区淤积增大，出库洪峰值降低，出库洪峰值减小,还有可能给对长江中下游河道演变带来一些不利影响。与汛期中小洪水调度方式相比，“蓄清排浑”动态运用方式有利于减少对库区淤积和出库洪峰值的影响。但与原设计的“蓄清排浑”调度方式相比，汛期“蓄清排浑”动态运用方式同样会增大水库淤积，不利于三峡水库的长期使用。而且，上游水库群拦沙均存在时效性，三峡水库来沙存在逐步恢复过程。因此，汛期“蓄清排浑”动态运用方式主要适用于近期，该调度方式的适用时间问题以及对水库长期使用的影响等问题还有待于进一步研究。

3.3　综合分析

“蓄清排浑”是指汛期排出“浑水”，汛后蓄满“清水”，“蓄清排浑”是被实践证明了的一种处理水库泥沙淤积的有效方式，已在我国的水库调度中得到了广泛使用[11-16]。但“蓄清排浑”体现的只是一个调度原则，“浑水”和“清水”也只是一种定性的划分，设计阶段往往按汛期枯期划分，年内时段划分往往较为粗略，对于一个调度年内的“浑水”和“清水”时间界限的划分，还需要具体问题具体分析。对于不同的水库，对一个水库来说是“浑水”，而对另一个水库来说可能只能算是“清水”；对于同一个水库，现在某一个时段的“浑水”有可能比过去某一个时段的“清水”还要“清”。针对入库水沙变化，实时调度中根据入库含沙量变化动态使用“蓄清排浑”泥沙调度方式，有利于在一定程度上放松设计阶段给水库调度方式施加的泥沙限制，以充分发挥水库综合效益。

按三峡水库设计调度方式，汛期6月中旬—9月底不调洪时均按145 m运行，以有利于排沙，三峡水库蓄水运用以来特别是上游溪洛渡、向家坝运用以来，汛期入库沙量大幅减少，汛期6月中旬—9月底部分时段含沙量甚至已经开始小于论证阶段10月份和5月份的含沙量，且汛期入出库沙量基本集中出现在1～2次大的沙峰过程中，即汛期不同时段也存在着相对的“浑”和“清”。因此，考虑将“蓄清排浑”调度方式动态应用于三峡水库汛期，汛期入库沙量较小时蓄清水，抬高库水位运行，入库沙量较大时排浑水，降低库水位运行。实现“蓄清排浑”泥沙调度方式在三峡水库汛期的动态使用，是一个值得探讨的泥沙优化调度方式。

4　结　论

以实测资料为基础，对三峡水库蓄水运用后入出库沙量特性变化进行了分析，在此基础上进一步对三峡水库汛期采用“蓄清排浑”动态运用的优化调度方式进行了初步探讨。主要研究结论如下:

(1)三峡水库入库泥沙呈大幅减小趋势，1991年以后三峡水库已经成为少沙河流水库了，溪洛渡和向家坝水库蓄水运用后三峡水库汛期6—9月份含沙量已经开始小于论证阶段5月份和10月份的含沙量，汛期不同时段呈现出相对的“浑”和“清”。

(2)三峡水库蓄水运用以来，出库径流中汛期径流比重在降低，出库输沙量中汛期特别是主汛期输沙量比重在增大，年出库输沙量更加集中于汛期特别是主汛期，主汛期出库沙量占年出库沙量的90%以上，且汛期出库沙量主要集中在1～2次大的出库沙峰过程中。

(3)与汛期中小洪水调度相比，三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式，其防洪风险更低，泥沙淤积更少，是一个实时调度中值得期待的泥沙优化调度方向。汛期“蓄清排浑”动态运用方式涉及到的防洪风险和水库长期使用等问题较为复杂，因此，本研究尚属初步，汛期“蓄清排浑”动态运用的具体调度方式、关键调度参数、对防洪影响以及对水库长期使用影响等是下一步研究工作的重点。