溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期联合排沙调度方式初步研究

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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

2012年和2013年汛期，三峡水库在实施中小洪水调度过程中，开展了兼顾排沙减淤的沙峰调度试验，取得了较好的排沙效果[1-4]。上游溪洛渡、向家坝水库的建成，为开展基于沙峰调度的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度提供了条件。已有研究表明，在其他条件不变时，入库流量越大，水库出库沙量也越大，且在三峡干流入库寸滩站，洪峰与沙峰同步时最有利于输沙排沙，其次是洪峰滞后于沙峰，最差的是洪峰超前于沙峰[5]。因此，当三峡水库开展沙峰调度时，上游溪洛渡和向家坝梯级水库适当增泄将有利于溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库增大出库沙量。

汛期入出库沙量的大幅减少和输沙时间的更为集中是水库开展汛期“蓄清排浑”动态使用泥沙调度的前提条件。随着金沙江中游梨园、阿海等6座梯级水库于2010—2014年相继投入运用，溪洛渡水库入库沙量开始出现大幅度的减少。2013年和2014年溪洛渡水库干流进口华弹站年输沙量分别为5 400万t和6 830万t[2，6]，与2010—2012年相比，分别相对减小了39%和23%，与多年平均值相比，分别相对减少了67%和59%。可以预期，随着2020年左右上游乌东德和白鹤滩的建成，未来溪洛渡入库沙量还会进一步减少。这为开展溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度提供了条件。

本文选取2012年汛期典型水沙过程，分别开展了溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度方式计算研究，在此基础上提出了相应的联合排沙调度方案，研究成果可为溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期泥沙调度提供科技支撑。

2 计算条件

采用自主研发的长江上游溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合调度泥沙数学模型进行不同方案的计算研究，计算范围、模型方程、模型验证等见文献[7]—文献[9]。模型计算范围为一树状河网，包含溪洛渡、向家坝、三峡3个水库以及向家坝水库坝下游天然河道和多条入汇支流。以水库坝址为界，将计算范围划分成3个计算河段，每个计算河段的水沙计算可按一般单一水库处理。模型方程为水沙运动基本方程，采用三级解法对水流方程进行求解，数值格式采用Preissmann四点隐式差分格式，对泥沙方程采用显格式进行离散求解。模型验证计算值与实测值吻合较好，模型计算精度可满足梯级水库联合调度泥沙冲淤模拟计算要求。

溪洛渡水库位于金沙江下游，其调度方式为：汛期(6月1日—9月10日)按不高于汛期限制水位560 m运行，9月中旬开始蓄水，9月底库水位蓄至正常蓄水位600 m；翌年5月底库水位降至死水位540 m。向家坝水库位于溪洛渡水库下游，其调度方式为：汛期6月中旬—9月上旬按汛期限制水位370 m运行，9月中旬开始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位380 m，翌年6月上旬末库水位降至370 m。三峡水库坝址位于湖北省宜昌市三斗坪，其正常蓄水位为175 m，汛期防洪限制水位为145 m。图1为溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库及水文站位置。

图1 溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库及水文站位置Fig.1 Location of Xiluodu-Xiangjiaba-Three-Gorges cascade reservoirs and hydrological stations

选择2012年汛期6月11日—8月31日实测水沙资料进行计算研究，三峡入出库水沙过程及坝前水位过程见图2。

图2 三峡水库2012年汛期入出库水沙过程及坝前水位过程Fig.2 Process lines of inbound and outbound water and sediment process and water level in front of the Three Gorges Dam in flood season of 2012

2012年汛期6月11日—8月31日有2个入库沙峰过程，分别为7月2日和7月24日入库沙峰。针对这2次沙峰，三峡水库均开展了沙峰调度试验，即在沙峰抵达坝前时适时增大下泄流量排沙。其中7月24日入库沙峰发生时三峡水库遭遇了成库以来的最大入库洪峰，24日20时入库洪峰流量达到了71 200 m3/s，24日寸滩站日均流量达到了63 200 m3/s，三峡水库以防洪调度为主，主要是在入库流量已定的条件下合理调度出库流量以发挥防洪作用，此时开展沙峰调度，主要手段只是有限地增大出库流量以兼顾排沙，若此时增大上游梯级水库下泄流量排沙则不利于防洪安全，故本研究只选择7月2日入库沙峰进行溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度方式计算研究。实际调度中，三峡水库针对7月2日入库沙峰开展了沙峰调度，将7月5日下泄流量增加至38 800 m3/s左右，7月8日沙峰出库。

金沙江下游干流屏山水文站于2012年下迁24 km至向家坝站，2012年汛期(6月11日—8月31日)向家坝站实测流量和含沙量过程见图3。以向家坝站2012年实测水沙过程为溪洛渡入库水沙边界，计算的基础方案为三峡坝前水位按实际调度过程控制，溪洛渡和向家坝水库则按设计调度方式控制。

图3 2012年汛期向家坝站实测流量和含沙量过程Fig.3 Time history of measured flow and sediment concentration at Xiangjiaba station in flood season of 2012

图4为按基础方案计算得到的溪洛渡出库、向家坝出库、寸滩站及三峡出库流量和含沙量过程。从计算结果看，2012年水沙条件在梯级水库联合调度运用后，经过溪洛渡和向家坝水库调节，向家坝出库沙峰出现在7月13日和7月14日，沙峰含沙量为0.528 kg/m3，7月1日之前向家坝出库含沙量<0.1 kg/m3，7月1日之后向家坝出库含沙量一直持续处于相对较高的状态；计算得到的寸滩站汛期第1个沙峰出现在7月1日，沙峰含沙量为0.983 kg/m3，其后为一个由多个小沙峰组成的连续的沙峰过程，整个大的沙峰过程持续至7月31日左右基本结束；三峡出库沙峰过程与出库流量过程几乎完全对应，可见，梯级水库作用下2012年汛期三峡水库出库沙峰主要受到水库调度的影响。寸滩站为三峡水库干流入库控制站，金沙江来沙、岷江沱江来沙、嘉陵江来沙最终都会在寸滩站得到体现，因此，本研究选择寸滩站含沙量变化作为梯级水库泥沙联合调度启动的判别站，根据寸滩站来沙情况判断是否开展梯级水库联合排沙调度。

图4 基础方案条件下2012年汛期流量和含沙量过程Fig.4 Time history of flow and sediment concentration in flood season of 2012 under basic scheduling condition

3 梯级水库联合排沙调度方式研究

3.1 基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度方式计算研究

基于沙峰调度的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度，其目标是在三峡水库坝前水位保持不变的条件下，提高沙峰过程中的出库沙量，这就需要通过上游水库实施降水增泄，以增加下游三峡水库沙峰输移过程中的入库流量。从基础方案计算结果看，寸滩站6月29日和6月30日含沙量分别为0.196 kg/m3和0.706 kg/m3，寸滩站从6月30日开始含沙量出现了明显增加，并在7月1日出现含沙量为0.983 kg/m3的第1个沙峰。7月1日对应寸滩站流量为30 106 m3/s，三峡出库流量为24 489 m3/s，坝前水位为145.43 m，根据沙峰传播时间公式可计算得到沙峰传播时间为3 d，出库沙峰大小为0.174 kg/m3。根据已有研究成果，向家坝至寸滩的洪水传播时间是36 h，三峡水库建成蓄水后，寸滩至三峡入库传播时间为6～12 h，故向家坝至三峡入库传播时间约48 h，即2 d时间。因此，考虑上游溪洛渡、向家坝梯级水库从7月2日开始降水增泄，启动梯级水库联合排沙调度，增泄时间初步定为3 d。7月2日溪洛渡入库含沙量为2.2 kg/m3，入库流量为11 600 m3/s，水库入库沙量较大，且水库输沙排沙能力较强，具备参与梯级水库联合排沙调度的条件。拟定计算方案如下：

(1)基础方案。三峡坝前水位按实际调度过程控制，溪洛渡和向家坝按设计调度方式运行。

(2)沙峰调度方案。2012年6月11日—8月31日，三峡水库坝前水位按实际调度过程控制，向家坝水库按库水位370 m不变运行；7月2日—7月4日溪洛渡库水位从560 m均匀降至555 m，7月5日—7月7日库水位从555 m均匀回升至560 m。

表1为梯级水库不同运用方案下三峡水库出库沙量计算结果。

表1 基础方案与沙峰调度方案出库沙量计算结果比较Table 1 Comparison of calculated outbound sediment discharge between basic scheduling scheme and sand peak regulation scheme

从三峡水库出库沙量的计算结果看，与基础方案相比，当统计时间为2012年6月11日—8月31日时，沙峰调度方案三峡水库出库沙量偏小1.8万t，当统计时间为2012年7月1日—7月10日时，沙峰调度方案三峡水库出库沙量偏大2.6万t。可见，在沙峰调度期间，基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度方式定性上有利于提高梯级水库出库沙量，但提高的幅度有限，其原因主要是沙峰调度期间，下游三峡水库库水位较高甚至处于库水位不断抬升过程，降低了调度排沙效果。从整个汛期看，由于沙峰调度需要上游水库库水位先下降再回升，上游水库降水增泄，有助于整个梯级水库输沙排沙出库，但在上游水库库水位回升过程中，当上游水库入库泥沙较大时，又会增加上游水库淤积，进而造成整个梯级水库出库沙量可能反而减小，即上游水库在库水位回升时需要注意避开较大的入库沙峰。

3.2 基于汛期“蓄清排浑”动态使用的梯级水库联合排沙调度方式计算研究

基于汛期“蓄清排浑”动态使用的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度，其目标是在沙峰入库时通过及时降低库水位以提高沙峰过程中的出库沙量，梯级水库同时实施降水增泄可实现梯级水库集中低水位输沙出库。从基础方案计算结果看，当入库流量达到10 000 m3/s左右时，溪洛渡水库输沙排沙能力较强，水库出库含沙量明显增大。2012年汛期6月11日—8月31日实测入库含沙量>2.0 kg/m3的天数有8 d，主要集中在6月24日—7月8日。溪洛渡实测入库流量在6月30日达到10 000 m3/s，且6月30日—8月10日入库流量均维持在10 000 m3/s以上。梯级水库联合运用计算结果表明，寸滩站6月30日含沙量出现明显增加，7月1日出现第1个沙峰，因此，综合考虑后，“排浑”调度起始时间可以确定在7月2日，“排浑”结束时间初步按7月8日控制。拟定计算方案如下：

(1)基础方案。三峡水库坝前水位按实际调度过程控制，溪洛渡和向家坝水库按设计调度方式运行。

(2)溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期“蓄清排浑”调度方式动态使用方案。6月11日—7月1日溪洛渡水库按565 m库水位运行，向家坝水库按375 m库水位运行，三峡水库按150 m库水位运行；7月2日开始溪洛渡、向家坝、三峡三库按1 m/d均匀下降至汛限水位并运行至7月8日;7月9日开始三库库水位逐步抬升至与基础方案相同。

表2为梯级水库基础方案与“蓄清排浑”方案三峡水库出库沙量计算结果对比。

表2 基础方案与“蓄清排浑”方案出库沙量计算结果比较Table 2 Comparison of calculated outbound sediment discharge between basic scheduling scheme and the scheme of storing clear water and releasing muddy water

从三峡水库出库沙量的计算结果看，与基础方案相比，当统计时间为2012年6月11日—8月31日时，汛期“蓄清排浑”调度方案三峡水库出库沙量偏大213.2万t，当统计时间为2012年7月1日—7月10日时，汛期“蓄清排浑”调度方案三峡水库出库沙量偏大192.4万t。可见，不论是在“排浑”调度期间还是在整个汛期，基于汛期“蓄清排浑”动态使用的梯级水库联合排沙调度方式均有利于提高梯级水库出库沙量，且提高的幅度相对较大，其原因主要是汛期“蓄清排浑”调度排沙期间，入库沙量大时“排浑”，此时水库库水位处于较低状态，有利于大量排沙出库，入库沙量小时“蓄清”，此时水库库水位虽然处于较高状态，但对水库淤积增大影响相对较小。

3.3 溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期联合排沙调度方案研究

根据前面的研究，初步提出溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期联合排沙调度方案如下。

3.3.1 基于沙峰调度的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度方案

(1)梯级水库中的上游溪洛渡水库开展沙峰调度时，下游向家坝和三峡水库应尽量保持较低的库水位以提高梯级水库整体排沙效果。

(2)梯级水库中的下游三峡水库开展沙峰调度时，在不增加下游防洪压力的前提下，上游溪洛渡水库可降水位增泄以提高三峡水库输沙流量，溪洛渡水库启动增泄的时间应与寸滩出现沙峰的时间相一致，以增加下游干流寸滩站沙峰对应流量为目标，尽量使得寸滩站洪峰与沙峰同步或者晚于沙峰，溪洛渡库水位回升时应避开较大的入库沙峰。

(3)开展基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度时，向家坝水库应尽量维持在汛限水位。

3.3.2 基于汛期“蓄清排浑”动态使用的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度方案

(1)基于汛期“蓄清排浑”动态使用的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度适用于汛期6月1日—8月31日，期间当水库需要开展防洪调度时，水库按防洪调度方式运行。

(2)当溪洛渡入库含沙量<2.0 kg/m3时或者入库流量<10 000 m3/s时，溪洛渡和向家坝水库按“蓄清”调度，溪洛渡库水位可选择在560～565 m之间动态运行，向家坝库水位可选择在370～375 m之间动态运行；当干流寸滩站含沙量<2.0 kg/m3时或者沙峰入库日寸滩站流量<25 000 m3/s时，三峡水库按“蓄清”调度，三峡库水位可选择在145～150 m之间动态运行。

(3)当溪洛渡入库含沙量≥2.0 kg/m3且入库流量≥10 000 m3/s，寸滩含沙量增大到≥2.0 kg/m3且当日寸滩站入库流量≥25 000 m3/s时可考虑启动溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合“排浑”调度。

(4)“排浑”调度启动时，如果溪洛渡、向家坝、三峡3座水库库水位均高于汛限水位，则3座水库应同时开始降低库水位，且要避免上游水库的下泄浑水进入下游水库时下游水库仍处于高水位或处于库水位抬升状态。3座水库应在保证下游防洪安全的前提下尽快降低库水位至汛限水位，库水位下降时溪洛渡和向家坝出库流量宜≥10 000 m3/s，三峡出库流量宜≥35 000 m3/s，联合“排浑”调度开始时库水位等于汛限水位的水库，则库水位维持汛限水位排沙。

(5)在实时调度中，应综合考虑出库含沙量变化、水库来水预报、水资源利用、防洪、航运等因素适时结束“排浑”调度。

三峡水库的主要任务是防洪，溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度应以不影响三峡工程防洪作用的发挥为前提，并且要尽量不增加长江中下游防洪负担。基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度方式，会增大沙峰排沙调度期间的下泄流量，需要确保水库排沙调度增泄阶段下游河道水位处在安全状态。基于“蓄清排浑”动态运用的梯级水库联合排沙调度方式是在有大水入库时提前降低库水位至汛限水位运行，故在“排浑”阶段不会降低三峡水库的防洪作用，但在由“蓄清”转为“排浑”的增泄期间会增大水库下泄流量，需要确保下游河道主要控制站水位处于安全可控的较低状态。因此，本文提出的2种梯级水库联合排沙调度方式，均应在长江中下游防洪安全可控的前提下开展。

4 结 论

选取2012年汛期实测典型水沙过程，分别开展了溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度方式计算，并研究提出了溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度方案。主要研究结论如下。

(1)在沙峰调度期间，基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度方式定性上有利于提高梯级水库出库沙量，但提高的幅度有限，其原因主要是沙峰调度排沙期间，下游三峡水库库水位较高甚至处于库水位不断抬升过程，降低了调度排沙效果。

(2)不论是在“排浑”调度期间还是在整个汛期，基于汛期“蓄清排浑”动态使用的梯级水库联合排沙调度方式均有利于提高梯级水库出库沙量，且提高的幅度相对较大，其原因主要是汛期“蓄清排浑”调度排沙期间，入库沙量大时“排浑”，此时水库库水位处于较低状态，有利于大量排沙出库，入库沙量小时“蓄清”，此时水库库水位虽然处于较高状态，但对水库淤积增大影响相对较小。

(3)通过计算研究，提出了溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度方案，研究成果可为梯级水库汛期泥沙调度提供技术支撑，随着入库水沙条件的变化，今后还需要对该方案做进一步的改进和完善。