盧金友,黃 悅,王 軍
(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢 430010)
三峽工程于2003年6月進(jìn)入圍堰蓄水期,壩前水位汛期按135 m、枯季按139 m方式運(yùn)行4年。2006年汛后壩前水位抬升至156 m,三峽工程進(jìn)入初期蓄水期,壩前水位按156-144-144 m方式運(yùn)行2年(正常蓄水位-防洪限制水位-消落限制水位,下同)。2008年汛末三峽工程進(jìn)入試驗(yàn)性蓄水期,壩前水位按175-145-155 m方式運(yùn)行,當(dāng)年壩前水位最高達(dá)到172.8 m;2009年汛后壩前水位最高達(dá)到171.41 m;2010年10月26日三峽水庫(kù)成功蓄水至175 m水位運(yùn)行,正在發(fā)揮防洪、發(fā)電、通航及補(bǔ)水等綜合效益。三峽工程蓄水后壩前水位變化過(guò)程見(jiàn)圖1。
三峽工程2003年蓄水至2010年,入庫(kù)水沙年均值分別為3 705億m3、2.024億 t(見(jiàn)表1)。 蓄水后8年中,除2005年來(lái)水量偏豐、2006年來(lái)水量偏枯外,其他年份來(lái)水量與多年平均值相近,但年來(lái)沙量均偏少,其中2006年的入庫(kù)泥沙最少,只有多年平均值的23%,來(lái)沙較多的2005年也只有多年平均值的58%(見(jiàn)表1)??偟那闆r為入庫(kù)水量變化不大,入庫(kù)沙量相應(yīng)減少較多。
表1 三峽水庫(kù)來(lái)水來(lái)沙變化Table 1 Variations of incoming flow and sediment of Three Gorges Reservoir
圖1 三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)壩前水位變化過(guò)程Fig.1 Water level change process in front of dam after TGP operation
三峽水庫(kù)屬于典型的河道型水庫(kù),庫(kù)區(qū)干流長(zhǎng)660多 km,最寬處達(dá) 2 000 m,庫(kù)區(qū)平均水面寬1 000 m。根據(jù)三峽水庫(kù)進(jìn)、出控制站水文觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),三峽工程2003年6月至2010年12月,總?cè)霂?kù)沙量為 15.801億 t,出庫(kù)(黃陵廟站)沙量4.118億t,不考慮三峽庫(kù)區(qū)區(qū)間來(lái)沙,庫(kù)區(qū)總淤積量為11.685 億 t[1],平均年淤積量為 1.558 億 t,年內(nèi)淤積量主要集中在汛期6—9月。由圖2和表2看出,庫(kù)區(qū)泥沙淤積除受入庫(kù)水沙量的影響外,壩前運(yùn)行水位抬高對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙淤積也比較明顯。如2005、2007、2008年和2010年的來(lái)沙量較相同運(yùn)用條件的其他年份多,淤積量也相對(duì)較多;又如2008、2010年的來(lái)水量來(lái)沙量比2005年的小或略少,但庫(kù)區(qū)淤積量則多淤積8 300~9 400萬(wàn)t。
圖2 三峽水庫(kù)年內(nèi)淤積過(guò)程圖Fig.2 Deposition process of Three Gorges Reservoir within a year
表2 三峽水庫(kù)蓄水后2003—2010年進(jìn)出庫(kù)沙量、排沙比及庫(kù)區(qū)淤積量表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
從淤積分布看,三峽工程圍堰蓄水期,常年回水區(qū)(豐都至大壩)淤積量5.433億m3,占庫(kù)區(qū)淤積量的99%,變動(dòng)回水區(qū)豐都至李渡庫(kù)段沖淤量小于1%;初期蓄水期,豐都至大壩庫(kù)段淤積2.398億m3,占庫(kù)區(qū)淤積量的96%,變動(dòng)回水區(qū)豐都至銅鑼?shí){段只占庫(kù)區(qū)淤積量的4%;試驗(yàn)性蓄水期的2008年汛末至2009年11月,豐都以下庫(kù)段淤積2.155億m3,占庫(kù)區(qū)總淤積量的91%,豐都至銅鑼?shí){段淤積占庫(kù)區(qū)淤積量的9%;試驗(yàn)性蓄水期的2009年11月—2010年11月,豐都至大壩段淤積量1.319萬(wàn)m3,占庫(kù)區(qū)總淤積量的81%,豐都至銅鑼?shí){段淤積 0.314億 m3,比 2009年增多了1 075萬(wàn)m3,占庫(kù)區(qū)總淤積量的比例也增大至19%(見(jiàn)表3)。上述結(jié)果表明,試驗(yàn)性蓄水期,庫(kù)區(qū)淤積分布出現(xiàn)了變化,變動(dòng)回水區(qū)的淤積量增加較多。
表3 三峽工程不同運(yùn)用時(shí)期庫(kù)區(qū)干流各段沖淤量統(tǒng)計(jì)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)億m3
由三峽水庫(kù)進(jìn)、出控制站水文觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),三峽工程2003年6月—2010年12月,總?cè)霂?kù)沙量為15.801億 t,總出庫(kù)(黃陵廟站)沙量4.118億 t,平均年出庫(kù)沙量0.54億t。除2006年來(lái)水來(lái)沙特小,出庫(kù)沙量小于0.09億t,排沙比僅8.7%外,出庫(kù)沙量及排沙比均受壩前水位變化的影響較大。圍堰蓄水期壩前水位按139-135 m方式運(yùn)行,平均出庫(kù)沙量約0.84億t,排沙比為39.8%;初期蓄水期壩前水位按156-144-144 m方式運(yùn)行,平均出庫(kù)沙量約0.415億t,排沙比為18.9%;試驗(yàn)性蓄水期壩前水位按175-145-155 m方式運(yùn)行,平均出庫(kù)沙量約0.344億t,排沙比為17%(見(jiàn)表2)。由此表明入庫(kù)水沙變化對(duì)庫(kù)區(qū)淤積量的影響起主要作用,其次是水庫(kù)調(diào)度方式的影響;另外汛期控制水位高低對(duì)排沙比的影響也較大。
重慶主城區(qū)長(zhǎng)江干流大渡口至銅鑼?shí){段長(zhǎng)約35.5 km,嘉陵江井口至朝天門段長(zhǎng)約23 km。天然情況下,重慶主城區(qū)河段年內(nèi)沖淤規(guī)律一般表現(xiàn)為“洪淤枯沖”,河床基本能保持沖淤平衡。根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料分析,三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前(1980年2月—2003年 5月),重慶主城區(qū)河段累積沖刷1 247.2萬(wàn)m3(含河道挖沙影響,下同)。
三峽工程蓄水運(yùn)用后,2003年5月—2006年9月(圍堰蓄水期)重慶主城區(qū)河段累積沖刷447.5萬(wàn)m3,圍堰蓄水期水庫(kù)按139-135 m方式運(yùn)行,水庫(kù)回水末端位于朝天門以下112 km的李渡鎮(zhèn),重慶主城區(qū)河段仍處于天然狀況,故該河段為沖刷;2006年9月—2008年9月初期蓄水期水庫(kù)按156-144 m方式運(yùn)行,水庫(kù)回水末端位于朝天門以下15 km的銅鑼?shí){附近,重慶主城區(qū)河段累積淤積366.8萬(wàn)m3,其中朝天門以上干支流段均為沖刷,而朝天門以下河段呈淤積;2008年9月—2010年12月試驗(yàn)性蓄水期,重慶主城區(qū)河段累積淤積588.6萬(wàn)m3,其中干流河段淤積較多,嘉陵江井口至朝天門段淤積較少(見(jiàn)表4)[1]。上述結(jié)果表明,試驗(yàn)性蓄水后重慶主城區(qū)河段淤積量有所增大,但絕對(duì)值較小。
從重慶主城區(qū)河段沖淤過(guò)程可見(jiàn):2008年9月以前,重慶主城區(qū)河段總體以沖刷為主,年內(nèi)仍可概括為3個(gè)階段,即年初至汛期初的沖刷階段,汛期的淤積階段,汛期末及汛期后的沖刷階段。試驗(yàn)性蓄水期隨著壩前水位的逐漸抬高,重慶主城區(qū)河段9月中旬至12月中旬天然情況下的沖刷階段轉(zhuǎn)為淤積階段,汛后的河床沖刷階段相應(yīng)后移至汛前庫(kù)水位的消落期(見(jiàn)圖3)。
表4 三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)重慶主城區(qū)河段沖淤變化表Table 4 Scouring and silting changes of the river reach of Chongqing urban area since TGP operation萬(wàn)m3
圖3 三峽工程蓄水后重慶主城區(qū)河段沖淤過(guò)程圖Fig.3 Scouring and silting process of the river reach of Chongqing urban area after impoundment of TGP
壩區(qū)河段指壩上游長(zhǎng)約15.1 km的庫(kù)段。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)觀測(cè)資料表明,壩區(qū)河段處于持續(xù)的泥沙淤積狀態(tài),泥沙絕大部分淤積在90 m高程以下,且顆粒較細(xì)。2003年3月—2010年11月累計(jì)淤積 1.286億 m3,單位河長(zhǎng)淤積量達(dá)到851.7萬(wàn)m3/km,為三峽庫(kù)區(qū)蓄水以來(lái)累積性淤積強(qiáng)度最大的河段;從淤積部位來(lái)看,90 m高程以下河床淤積泥沙0.861億m3,占總淤積量的66%,110 m高程以下河床淤積泥沙0.939億m3,占總淤積量的72%。其中圍堰蓄水期,大壩 ~廟河段135 m高程以下河床共計(jì)淤積泥沙6 510萬(wàn)m3,以淤積河槽為主,河槽的淤積量占總淤積量的79.5%。初期蓄水期,近壩上游河段156 m高程以下河床總淤積量為4 656萬(wàn)m3,河床以深槽的淤積為主,占總淤積量的66.3%。試驗(yàn)性蓄水期,壩區(qū)156 m高程以下河床總淤積量為1 430萬(wàn)m3,河床仍以深槽的淤積為主,占總淤積量的69.2%,主槽的淤積率有減小的趨勢(shì),壩前深泓淤積最大厚度達(dá)60.5 m。
左電廠前135 m高程以下河床淤積總量為748.2萬(wàn)m3,主要淤積在90 m高程以下的河槽,占總淤積量的88.6%。廠前的水域平均淤積厚度約為12 m,局部最大淤積厚度達(dá)25.8 m,離大壩愈遠(yuǎn)淤積幅度愈大,河槽的淤積則愈明顯。
船閘上游引航道有淤積,但淤積量不大,對(duì)航運(yùn)沒(méi)有產(chǎn)生影響。下游引航道2003—2009年總計(jì)淤積170萬(wàn)m3,2003—2009年航道內(nèi)及口門區(qū)泥沙總計(jì)清淤量為107.6萬(wàn)m3。
1.7.1 壩下游宜昌至湖口河段沖刷
三峽工程壩下游宜昌至鄱陽(yáng)湖口為長(zhǎng)江中游,長(zhǎng)955 km,沿江兩岸匯入較大支流、湖泊有清江、漢江、洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水系等。荊江南岸有松滋、太平、藕池、調(diào)弦四口分流入洞庭湖(調(diào)弦口于1959年建閘控制)。
三峽工程蓄水運(yùn)用后,宜昌至湖口河段出現(xiàn)長(zhǎng)河段沖刷。2002—2006年全河段沖刷,其中宜昌至城陵磯河段沖刷強(qiáng)度較大;2006—2008年來(lái)水來(lái)沙較少,宜昌至城陵磯段微沖,城陵磯至湖口段微淤;2008—2010年試驗(yàn)性蓄水期,下泄泥沙進(jìn)一步減少,宜昌至湖口出現(xiàn)全程沖刷。2002年10月—2010年10月,宜昌至湖口河段(城陵磯至湖口河段為2001年10月—2010年10月)平灘河槽總沖刷量為9.79億m3,年均沖刷量1.088億m3(見(jiàn)表5)。
表5 三峽工程蓄水前后宜昌至湖口河段沖淤變化表Table 5 Scouring and silting variation of the river reach from Yichang to Hukou before and after impoundment of TGP億m3
三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái),宜昌至湖口河段河道沖刷以枯水河槽為主,其沖刷量為8.14億 m3[1],占平灘河槽沖刷量的83%。從沖淤量沿程分布來(lái)看,宜昌至城陵磯河段河床沖刷較為劇烈,其沖刷量為6.25億m3,占總沖刷量的64%,其中宜昌至枝城段平均沖深2.1 m,荊江河段平均沖深1.1 m;城陵磯至武漢、武漢至湖口河段沖刷量分別為1.08億m3、2.45億m3,分別占總沖刷量的11%、25%。
三峽工程蓄水以前,城陵磯至湖口河段“沖槽淤灘”現(xiàn)象十分明顯,其中武漢至湖口河段沖淤變化較大。1998年大水以前,漢口至湖口河段淤積量為5.0億 m3(1975—1998年),1998年大水后河床沖刷劇烈,1999—2001年該段河床累計(jì)沖刷泥沙3.343億 m3,年均沖刷量達(dá) 1.37億 m3[2]。結(jié)果表明,三峽工程蓄水運(yùn)用后對(duì)武漢至湖口河段的沖刷影響小于1998年的大水影響。
1.7.2 宜昌枯水位下降
三峽工程蓄水前(2002年汛后)宜昌站流量4 000 m3/s時(shí),對(duì)應(yīng)枯水位比 1973年下降了1.24 m。蓄水后至2010年末,宜昌站流量為4 000、5 000、7 000 m3/s時(shí),與 2002 年汛后水位比較,相應(yīng)水位分別下降 0.08、0.39、0.4 m(見(jiàn)表 6)。
表6 宜昌站不同時(shí)期汛后枯水流量水位下降值表(吳淞凍結(jié)/m)Table 6 Low water level decrease values at Yichang Hydrologic Station after flood season in different stages(Wusong elevation/m)
由于近壩段(胭脂壩段等)枯水河床控制沖刷(護(hù)底工程),以及古老背、南陽(yáng)磧、關(guān)洲、蘆家河等控制節(jié)點(diǎn)的河段沖刷較少,這些控制性節(jié)點(diǎn)的河床抗沖是宜昌枯水位保持基本穩(wěn)定的重要原因之一。另外枯水期水庫(kù)下泄流量增加,初期蓄水期、試驗(yàn)性蓄水期宜昌站流量小于4 000、5 500 m3/s的幾率很少,對(duì)宜昌枯水位的穩(wěn)定也有重要作用。
三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用8年來(lái),來(lái)水來(lái)沙情況與多年平均情況有較大的變化,特別是2006年泥沙來(lái)量減少較多,與以往的研究側(cè)重于多年變化所采用的水文年系列差異較大。因此,不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行直接對(duì)比。數(shù)學(xué)模型計(jì)算中的來(lái)水來(lái)沙采用1961—1970年和1991—2000年系列,并假定其不斷重復(fù)出現(xiàn)。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與排列卻不具備代表性。水庫(kù)運(yùn)用方式也有差別。因此,作為初步的對(duì)比,可以針對(duì)其均值,而不宜逐年比較。4 199 億 m3、5.09 億 t[3];2003—2010 年 8 年的實(shí)測(cè)年均入庫(kù)水沙量分別為3 713億m3、1.975億t,計(jì)算系列的年均入庫(kù)水量比蓄水后8年的均值大13%,入庫(kù)沙量則多158%。
可行性論證階段水庫(kù)泥沙淤積一維數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)采用20世紀(jì)60年代水沙系列為入庫(kù)水沙條件,該系列的年均入庫(kù)水沙量(寸灘+武隆)分別為
一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的第一個(gè)十年的年均出庫(kù)泥沙為1.54億t,年均庫(kù)內(nèi)淤積3.55億t,排沙比30.3%[3];2003—2010年8年的實(shí)測(cè)年均出庫(kù)沙量0.515億t(黃陵廟站),年均庫(kù)區(qū)淤積1.46億t,排沙比26.1%。兩者比較可知,8年的實(shí)測(cè)水庫(kù)淤積量明顯偏小,考慮入庫(kù)沙量相應(yīng)偏少,計(jì)算系列的年均庫(kù)內(nèi)淤積量與蓄水后8年的平均值基本接近。但預(yù)測(cè)值的排沙比稍大于實(shí)測(cè)值,其主要原因是蓄水后上游實(shí)際來(lái)水量偏小,特別是汛期大流量較少,排沙能力相對(duì)小于預(yù)測(cè)采用的系列年水流條件。如采用2003—2010年實(shí)際的來(lái)水來(lái)沙量,用原數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,所得的水庫(kù)淤積量則與實(shí)測(cè)值比較接近(見(jiàn)圖4)。
圖4 三峽水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水沙、淤積量與以往研究成果對(duì)比Fig.4 Comparison of inflow and outflow sediment,sedimentation amount of Three Gorges Reservoir with the previous research results
關(guān)于三峽庫(kù)區(qū)泥沙淤積體的縱向分布,實(shí)際情況和預(yù)測(cè)值基本相似,只是水庫(kù)運(yùn)用初期壩區(qū)段與實(shí)測(cè)值有一定差異。根據(jù)庫(kù)區(qū)斷面測(cè)量,越往壩前,泥沙淤積強(qiáng)度越大。而數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)頭十年壩前的淤積較少。壩前段泥沙淤積速度,與船閘引航道的淤積及電站的進(jìn)水條件密切相關(guān)。三峽電站機(jī)組滿發(fā)時(shí)下泄流量約 25 000 m3/s,流量大于 25 000 m3/s的部分由深孔下泄,依據(jù)斷面含沙量垂線分布一般規(guī)律,壩前出庫(kù)含沙量應(yīng)該是深孔大于水輪機(jī)組的進(jìn)水口,而原數(shù)學(xué)模型對(duì)壩前的含沙量計(jì)算是按斷面平均計(jì)算,故排沙比計(jì)算值偏小。
三峽工程技術(shù)設(shè)計(jì)階段壩下游宜昌至大通河段一維沖刷數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用的起始地形為1993年10月實(shí)測(cè)地形,其進(jìn)口水沙條件采用1961—1970年系列年三峽水庫(kù)淤積計(jì)算的出庫(kù)水沙成果。三峽工程論證階段壩下游河道沖刷計(jì)算采用的起始地形為1981年實(shí)測(cè)地形,計(jì)算沖刷量較技術(shù)設(shè)計(jì)階段的大一些,以下對(duì)比采用技術(shù)設(shè)計(jì)階段的成果。
實(shí)測(cè)值采用2002年10月—2010年10月資料統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表5),宜昌至城陵磯河段年平均沖刷量實(shí)測(cè)值為0.782億m3,城陵磯至武漢河段年平均沖刷量為0.113億m3,武漢至九江河段平均年沖刷量為0.102億m3(武漢至湖口河段沖刷量中扣除張家洲河段沖刷量1.44億m3)。
一維沖刷數(shù)學(xué)模型計(jì)算的長(zhǎng)江中下游各河段在第一個(gè)十年中的平均年沖淤量[4]和用斷面法實(shí)測(cè)的年均沖淤量比較如圖5所示。2003—2010年全河段(宜昌—九江)實(shí)測(cè)年均沖刷0.928億m3,計(jì)算值為0.948億m3,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差 -2.2%。其中宜昌至城陵磯河段計(jì)算值沖刷量為0.89億m3,比實(shí)測(cè)值大13.9%;城陵磯至武漢河段計(jì)算值沖刷量為0.16億m3,比實(shí)測(cè)值大33%,但絕對(duì)量較??;武漢至九江河段計(jì)算值為淤積,約淤積0.102億m3??偟貋?lái)看,宜昌至武漢段沖刷量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近,武漢至九江段計(jì)算值與實(shí)測(cè)值略有差異,且絕對(duì)量較小。
上述對(duì)比結(jié)果表明,三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用初期,宜昌至九江段總沖刷量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近,其中宜昌至武漢段沖刷預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)值稍大,武漢至九江段沖淤量雖有差別,但數(shù)量較小。沖刷實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值存在差異的重要原因:一是壩下游沖刷計(jì)算的進(jìn)口水沙條件是采用1961—1970年水文系列年進(jìn)行水庫(kù)淤積計(jì)算得出的三峽水庫(kù)下泄水量、沙量和泥沙級(jí)配值,與實(shí)際出現(xiàn)的水沙條件有一定差異;二是宜昌至湖口河段實(shí)測(cè)沖刷量由2002年10月和2010年10月兩次實(shí)測(cè)地形計(jì)算得出,未扣除宜昌至湖口河段的采砂量。
圖5 下游河段計(jì)算與實(shí)測(cè)的年均沖淤量Fig.5 Calculated and measured annual average sedimentation in the lower reach
綜上所述,三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用8年來(lái)壩下游河段的沖刷實(shí)測(cè)值總體上尚在預(yù)測(cè)同期值范圍內(nèi),但因水庫(kù)運(yùn)用年限較短,有待繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比。
1)三峽工程蓄水運(yùn)用8年來(lái),水庫(kù)泥沙淤積及壩下游河道沖刷等出現(xiàn)的情況尚在原預(yù)測(cè)范圍之內(nèi),表明原預(yù)測(cè)的研究成果可行。
2)本次實(shí)測(cè)成果與論證階段的預(yù)測(cè)研究進(jìn)行對(duì)比分析,在時(shí)間上略顯短促,還有待今后的觀測(cè)并作進(jìn)一步對(duì)比。
3)今后應(yīng)加強(qiáng)泥沙原型觀測(cè);進(jìn)一步完善水庫(kù)淤積及壩下游沖刷計(jì)算模型;加強(qiáng)三峽水庫(kù)與上游其他大型水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度對(duì)三峽水庫(kù)淤積及壩下游沖刷的影響與解決措施研究。
[1]長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局.三峽水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水沙特性、水庫(kù)淤積及壩下游河道沖刷分析(2010年度),2010年三峽工程水文泥沙觀測(cè)[R].2011.
[2]潘慶燊.長(zhǎng)江中下游河道整治研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2011.
[3]黃煜齡,梁棲蓉.三峽水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算分析報(bào)告.長(zhǎng)江三峽工程泥沙與航運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究專題研究報(bào)告集(下冊(cè))[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1993:423-487.
[4]黃 悅,黃煜齡.三峽水庫(kù)下游宜昌至大通河段沖淤一維數(shù)模計(jì)算分析.長(zhǎng)江三峽工程泥沙問(wèn)題研究(第七卷)[M].北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2002:211-311.