, ,, , ,
(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所,武漢 430010;2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443133)
三峽水庫(kù)來(lái)水量大,含沙量相對(duì)較小,但年輸沙量較大,來(lái)水來(lái)沙大部分集中在汛期,水庫(kù)屬典型的河道型水庫(kù),庫(kù)容系數(shù)小,初步設(shè)計(jì)確定三峽水庫(kù)采用“蓄清排渾”的運(yùn)用方式,汛期6月中旬—9月底除入庫(kù)流量大于下游河道安全泄量時(shí)攔蓄超額洪峰及水庫(kù)水位抬高外,一般維持在較低的防洪限制水位145 m運(yùn)行。汛末10月份初水庫(kù)開始蓄水,逐步升高至正常蓄水位175 m運(yùn)行。三峽水庫(kù)采用汛期排沙、枯期蓄水的“蓄清排渾”調(diào)度方式,可保留較多的有效庫(kù)容,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)長(zhǎng)期使用。
根據(jù)《長(zhǎng)江三峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》研究成果[1]:“三峽水庫(kù)防洪限制水位150 m方案,防洪庫(kù)容還有196余億m3,尚基本滿足防洪要求。為慎重對(duì)待泥沙淤積問題,初步設(shè)計(jì)階段推薦防洪限制水位以145 m為宜,而在水庫(kù)運(yùn)行的最初20~30 a內(nèi),適當(dāng)抬高防洪限制水位,可增加發(fā)電收入,有利于三峽工程還貸,從泥沙淤積與航運(yùn)看也存在這種可能性,這一問題可進(jìn)一步研究?!笨梢?,泥沙問題是三峽水庫(kù)汛限水位選擇145 m的重要原因。
三峽水庫(kù)2003年蓄水運(yùn)用以來(lái),入庫(kù)水量特別是蓄水期入庫(kù)水量明顯減少,入庫(kù)泥沙呈趨勢(shì)性大幅度減小,水庫(kù)泥沙淤積遠(yuǎn)好于初步設(shè)計(jì)預(yù)期。在此背景下,為充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益,三峽水庫(kù)開展了汛期運(yùn)行水位上浮、汛期中小洪水調(diào)度、汛末提前蓄水等優(yōu)化調(diào)度。其中汛期調(diào)度方式優(yōu)化問題一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),也是一個(gè)需要深入研究的重要問題。目前關(guān)于三峽水庫(kù)調(diào)度方式優(yōu)化、近期水沙變化及庫(kù)區(qū)淤積分析的研究較多[2-7],但這些研究均沒有從支撐三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的角度出發(fā),有針對(duì)性地去分析三峽水庫(kù)入庫(kù)水沙變化、庫(kù)區(qū)淤積及汛期調(diào)度方式優(yōu)化。本文對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后入出庫(kù)沙量特性變化進(jìn)行了分析對(duì)比,在此基礎(chǔ)上提出了三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的泥沙調(diào)度方式(汛期入庫(kù)沙量較小時(shí)抬高庫(kù)水位蓄清水,入庫(kù)沙量較大時(shí)降低庫(kù)水位排渾水),并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了初步探討,研究成果可為三峽水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度提供參考。
三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)干支流河道及主要水文站位置見圖1。表1為三峽水庫(kù)入庫(kù)(朱沱+北碚+武隆)沙量變化,給出了不同統(tǒng)計(jì)年份不同月份的日均輸沙量和日均含沙量變化。在三峽工程論證和初步設(shè)計(jì)階段[1,8],采用的資料系列為1990年前長(zhǎng)系列值,其中水庫(kù)泥沙沖淤數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)計(jì)算和泥沙模型試驗(yàn)采用的是1961—1970年系列值。
圖1 三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)干支流河道及水文站位置
項(xiàng)目日均輸沙量/(萬(wàn)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項(xiàng)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
從三峽入庫(kù)日均輸沙量看,1991年以后各月入庫(kù)輸沙量均出現(xiàn)了明顯減小,2003—2013年各月輸沙量減小趨勢(shì)進(jìn)一步增加。向家壩和溪洛渡水庫(kù)分別于2012年和2013年開始蓄水運(yùn)用,受上游溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水?dāng)r沙影響,2013年、2014年和2015年汛期入庫(kù)日均輸沙量進(jìn)一步大幅度減少。2013年汛期6月、8月、9月的入庫(kù)日均輸沙量分別為23萬(wàn),34萬(wàn),11萬(wàn)t,比1956—1990年及1961—1970年5月和10月的入庫(kù)日均輸沙量還要小,即此時(shí)的“渾水”比論證階段的“清水”還要更清一些,2013年僅7月的入庫(kù)日均輸沙量相對(duì)較大;2014年6—9月入庫(kù)日均輸沙量分別為13萬(wàn),49萬(wàn),44萬(wàn),65萬(wàn)t,亦小于論證階段1961—1970年5月和10月的入庫(kù)日均輸沙量;2015年6—9月入庫(kù)日均輸沙量分別為26萬(wàn),20萬(wàn),28萬(wàn),18萬(wàn)t,亦小于論證階段1961—1970年5月份和10月份的入庫(kù)日均輸沙量。
從三峽入庫(kù)日均含沙量看,1990年以前,不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段三峽入庫(kù)日均含沙量在1.0~1.5 kg/m3之間,屬于一般泥沙河流(根據(jù)規(guī)范,多年平均含沙量為1.0~10.0 kg/m3的河流為一般泥沙河流),1991年以后三峽入庫(kù)日均含沙量已降至1.0 kg/m3以下,2013年、2014年、2015年入庫(kù)日均含沙量已分別降至0.38,0.14,0.10 kg/m3,三峽水庫(kù)已經(jīng)成為少沙河流水庫(kù)了。
表2為三峽水庫(kù)出庫(kù)(宜昌站、黃陵廟站)水沙量變化。由表2可見,與宜昌站1952—2002年相比,2003—2015年宜昌站年徑流量減小了8.2%,輸沙量減小了91.8%,汛期(5—10月份)和主汛期(7—9月份)徑流量占年徑流量的比重分別從79.0%和50.2%減小到了74.7%和47.6%,出庫(kù)徑流中汛期徑流比重在降低;汛期和主汛期輸沙量占年輸沙量的比重分別從96.4%和74.4%增大到了99.0%和92.9%,出庫(kù)輸沙量中汛期特別是主汛期輸沙量比重在增大,年出庫(kù)輸沙量更加集中于汛期特別是主汛期。2003—2015年出庫(kù)黃陵廟站汛期和主汛期徑流量分別占年徑流量的74.7%和47.8%,出庫(kù)黃陵廟站汛期和主汛期輸沙量分別占年輸沙量的99.1%和92.7%,主汛期出庫(kù)沙量非常集中。
表2 三峽水庫(kù)出庫(kù)(宜昌站、黃陵廟站)水沙量變化
表3為三峽水庫(kù)主要出庫(kù)沙峰過程出庫(kù)沙量占汛期出庫(kù)沙量(6月10日—9月30日)百分比。由表3可見,三峽水庫(kù)汛期出庫(kù)沙量主要集中在1~2次大的出庫(kù)沙峰過程中,一次沙峰過程出庫(kù)沙量占6月10日—9月30日總出庫(kù)沙量的40%以上是普遍現(xiàn)象,其中2013年7月15日—7月31日這一次出庫(kù)沙峰過程的出庫(kù)沙量甚至占到了汛期6月10日—9月30日總出庫(kù)沙量的81.2%??梢姡行┠攴萑氤鰩?kù)沙峰非常集中,這也為開展“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在汛期的動(dòng)態(tài)使用提供了有利條件。
表3 三峽水庫(kù)主要出庫(kù)沙峰過程出庫(kù)沙量占汛期(6月10日—9月30日)百分比
三峽水庫(kù)汛期入出庫(kù)沙量特性變化的實(shí)測(cè)資料分析表明,三峽入出庫(kù)沙量大幅度減小,入出庫(kù)沙量更加集中于汛期,尤其是主汛期,主汛期入出庫(kù)沙量主要集中于1~2次相對(duì)較大的沙峰過程中,這一變化特點(diǎn)非常有利于開展“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在汛期的動(dòng)態(tài)使用。因此,汛期入出庫(kù)沙量的大幅減少和輸沙時(shí)間的更為集中為三峽水庫(kù)開展汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用提供了基礎(chǔ)和前提條件。
按照初步設(shè)計(jì)的汛期調(diào)度方式,電站運(yùn)行水頭低,發(fā)電出力受阻,三峽水庫(kù)洪水資源利用程度偏低?;谒臍庀箢A(yù)報(bào)水平和調(diào)度技術(shù)的提高,為增加調(diào)度的靈活性并進(jìn)一步利用洪水資源,2009年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案》明確:當(dāng)沙市水位在41 m以下、城陵磯水位在30.5 m以下,且三峽水庫(kù)來(lái)流量<25 000 m3/s時(shí),三峽水庫(kù)汛期實(shí)時(shí)庫(kù)水位可最高上浮至146.5 m運(yùn)行。同時(shí),在《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案研究》成果報(bào)告中[9],還研究提出了汛期考慮1~3 d泄水歷時(shí)的147,148,150 m上浮水位方案。隨著長(zhǎng)江上游溪洛渡、向家壩分別于2013年和2012年開始蓄水運(yùn)用,三峽水庫(kù)汛期防洪壓力進(jìn)一步減輕,長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司最新的相關(guān)研究成果表明[10],考慮溪洛渡、向家壩建庫(kù)后,三峽水庫(kù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位可從155 m進(jìn)一步提高至158 m,不降低對(duì)荊江地區(qū)100 a一遇洪水的防洪標(biāo)準(zhǔn),對(duì)水庫(kù)移民淹沒影響較小,三峽水庫(kù)6月中旬—8月下旬和9月上旬,汛限水位分別控制在150 m以下和158 m以下時(shí),防洪風(fēng)險(xiǎn)可控。
2009年汛期以來(lái),三峽水庫(kù)持續(xù)開展了汛期中小洪水調(diào)度,汛期“漲水時(shí)攔洪,退水后加泄”,已有的防洪風(fēng)險(xiǎn)研究成果為汛期洪水位抬高奠定了基礎(chǔ)。與中小洪水調(diào)度的攔洪補(bǔ)枯不同,“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的泥沙調(diào)度方式是在大水時(shí)降低庫(kù)水位,其防洪風(fēng)險(xiǎn)要低于目前已經(jīng)開展的汛期中小洪水調(diào)度。需要說(shuō)明的是,防洪是三峽水庫(kù)的首要任務(wù),也是長(zhǎng)江的頭等大事,三峽水庫(kù)汛期調(diào)度方式優(yōu)化,必須建立在對(duì)防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分研究論證的基礎(chǔ)上。因此,三峽水庫(kù)汛期調(diào)度方式優(yōu)化的防洪風(fēng)險(xiǎn)問題,仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究,這也是三峽水庫(kù)能否采用汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用泥沙調(diào)度方式的一個(gè)重要前提。
三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)[8],入庫(kù)泥沙量與論證階段相比大幅度減少,年均入庫(kù)泥沙不足2億t,庫(kù)區(qū)淤積大為減輕。隨著金沙江溪洛渡、向家壩水庫(kù)的蓄水運(yùn)用,金沙江99%的來(lái)沙被上游水庫(kù)攔截,三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙出現(xiàn)了進(jìn)一步的大幅減少,2013年三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量(朱沱+北碚+武隆)減少至1.27億t,2014年和2015年三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量分別減少至0.554億t和0.320億t,隨著上游干支流更多水庫(kù)的不斷建成運(yùn)用,可以預(yù)期三峽入庫(kù)泥沙量將在未來(lái)較長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期維持在目前的較低水平內(nèi)。2003—2012年庫(kù)區(qū)年均淤積泥沙1.44億t,2013年、2014年和2015年年淤積量分別減小至0.942億、0.444億、0.278億t。2012年10月以來(lái)庫(kù)尾涪陵以上變動(dòng)回水區(qū)河段基本處于持續(xù)沖刷狀態(tài),2003—2015年變動(dòng)回水區(qū)涪陵以上河段累計(jì)沖刷0.536億m3,其中2015年變動(dòng)回水區(qū)沖刷泥沙0.169 7億m3;2008年175 m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)庫(kù)尾重慶主城區(qū)河段累計(jì)沖刷0.155 7億m3,其中2015年沖刷泥沙0.018 3億m3??梢姡龒{庫(kù)區(qū)及庫(kù)尾泥沙淤積狀態(tài)明顯好于預(yù)期。
上游干支流水庫(kù)群的蓄水?dāng)r沙作用,減少了三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量,減緩了水庫(kù)的淤積速度,將使三峽水庫(kù)淤積平衡時(shí)間得到明顯延長(zhǎng),這為三峽水庫(kù)開展汛期優(yōu)化調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。目前實(shí)際調(diào)度中實(shí)施的汛期中小洪水調(diào)度,會(huì)造成入庫(kù)沙量大時(shí)庫(kù)水位抬升,庫(kù)區(qū)淤積增大,出庫(kù)洪峰值降低,出庫(kù)洪峰值減小,還有可能給對(duì)長(zhǎng)江中下游河道演變帶來(lái)一些不利影響。與汛期中小洪水調(diào)度方式相比,“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式有利于減少對(duì)庫(kù)區(qū)淤積和出庫(kù)洪峰值的影響。但與原設(shè)計(jì)的“蓄清排渾”調(diào)度方式相比,汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式同樣會(huì)增大水庫(kù)淤積,不利于三峽水庫(kù)的長(zhǎng)期使用。而且,上游水庫(kù)群攔沙均存在時(shí)效性,三峽水庫(kù)來(lái)沙存在逐步恢復(fù)過程。因此,汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式主要適用于近期,該調(diào)度方式的適用時(shí)間問題以及對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期使用的影響等問題還有待于進(jìn)一步研究。
“蓄清排渾”是指汛期排出“渾水”,汛后蓄滿“清水”,“蓄清排渾”是被實(shí)踐證明了的一種處理水庫(kù)泥沙淤積的有效方式,已在我國(guó)的水庫(kù)調(diào)度中得到了廣泛使用[11-16]。但“蓄清排渾”體現(xiàn)的只是一個(gè)調(diào)度原則,“渾水”和“清水”也只是一種定性的劃分,設(shè)計(jì)階段往往按汛期枯期劃分,年內(nèi)時(shí)段劃分往往較為粗略,對(duì)于一個(gè)調(diào)度年內(nèi)的“渾水”和“清水”時(shí)間界限的劃分,還需要具體問題具體分析。對(duì)于不同的水庫(kù),對(duì)一個(gè)水庫(kù)來(lái)說(shuō)是“渾水”,而對(duì)另一個(gè)水庫(kù)來(lái)說(shuō)可能只能算是“清水”;對(duì)于同一個(gè)水庫(kù),現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)段的“渾水”有可能比過去某一個(gè)時(shí)段的“清水”還要“清”。針對(duì)入庫(kù)水沙變化,實(shí)時(shí)調(diào)度中根據(jù)入庫(kù)含沙量變化動(dòng)態(tài)使用“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式,有利于在一定程度上放松設(shè)計(jì)階段給水庫(kù)調(diào)度方式施加的泥沙限制,以充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益。
按三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)調(diào)度方式,汛期6月中旬—9月底不調(diào)洪時(shí)均按145 m運(yùn)行,以有利于排沙,三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)特別是上游溪洛渡、向家壩運(yùn)用以來(lái),汛期入庫(kù)沙量大幅減少,汛期6月中旬—9月底部分時(shí)段含沙量甚至已經(jīng)開始小于論證階段10月份和5月份的含沙量,且汛期入出庫(kù)沙量基本集中出現(xiàn)在1~2次大的沙峰過程中,即汛期不同時(shí)段也存在著相對(duì)的“渾”和“清”。因此,考慮將“蓄清排渾”調(diào)度方式動(dòng)態(tài)應(yīng)用于三峽水庫(kù)汛期,汛期入庫(kù)沙量較小時(shí)蓄清水,抬高庫(kù)水位運(yùn)行,入庫(kù)沙量較大時(shí)排渾水,降低庫(kù)水位運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)“蓄清排渾”泥沙調(diào)度方式在三峽水庫(kù)汛期的動(dòng)態(tài)使用,是一個(gè)值得探討的泥沙優(yōu)化調(diào)度方式。
以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后入出庫(kù)沙量特性變化進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)三峽水庫(kù)汛期采用“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的優(yōu)化調(diào)度方式進(jìn)行了初步探討。主要研究結(jié)論如下:
(1)三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙呈大幅減小趨勢(shì),1991年以后三峽水庫(kù)已經(jīng)成為少沙河流水庫(kù)了,溪洛渡和向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)用后三峽水庫(kù)汛期6—9月份含沙量已經(jīng)開始小于論證階段5月份和10月份的含沙量,汛期不同時(shí)段呈現(xiàn)出相對(duì)的“渾”和“清”。
(2)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái),出庫(kù)徑流中汛期徑流比重在降低,出庫(kù)輸沙量中汛期特別是主汛期輸沙量比重在增大,年出庫(kù)輸沙量更加集中于汛期特別是主汛期,主汛期出庫(kù)沙量占年出庫(kù)沙量的90%以上,且汛期出庫(kù)沙量主要集中在1~2次大的出庫(kù)沙峰過程中。
(3)與汛期中小洪水調(diào)度相比,三峽水庫(kù)汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式,其防洪風(fēng)險(xiǎn)更低,泥沙淤積更少,是一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度中值得期待的泥沙優(yōu)化調(diào)度方向。汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用方式涉及到的防洪風(fēng)險(xiǎn)和水庫(kù)長(zhǎng)期使用等問題較為復(fù)雜,因此,本研究尚屬初步,汛期“蓄清排渾”動(dòng)態(tài)運(yùn)用的具體調(diào)度方式、關(guān)鍵調(diào)度參數(shù)、對(duì)防洪影響以及對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期使用影響等是下一步研究工作的重點(diǎn)。