李 旺，祖 波，李嘉雯

（1.重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074；2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401120）

我國作為一個水利大國，研究興建了大量水利水電工程，這些大型工程在抗洪、灌溉、供水以及發(fā)電、航運等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益。三峽工程作為一個世界級的水利工程，是治理開發(fā)亞洲第一長河——長江的骨干性工程，自2003年6月開始蓄水發(fā)電至今，穩(wěn)定運行了十余年，帶來了巨大的綜合效益。首先其巨大的防洪庫容能夠有效控制洪水，自運行以來每年洪水期都能攔蓄數(shù)十億立方米的洪水，大大減輕了下游的防洪壓力，確保中下游耕地和人民的生命財產(chǎn)安全，其水力發(fā)電也能明顯緩解我國的電力緊張問題，替代部分燃煤類化石發(fā)電，使得大氣中二氧化碳、二氧化硫含量下降；另外，由于水深加大、流速減低，航運條件明顯改善，也為發(fā)展庫區(qū)航運提供了條件［1］。

大量資料表明，無論是大型、中型還是小型水庫，亦或河流含沙量高與低，只要水庫開始蓄水，就會毫無疑問的發(fā)生泥沙淤積問題［2］。我國無論是已建成的或在建的水庫也都遇到了不同程度的泥沙淤積問題，長期的淤積會導(dǎo)致有效庫容減少，影響河口地區(qū)的地形地貌，甚至?xí)氯降溃瑖?yán)重影響行船通航，如三峽庫區(qū)“忠州三彎”之一的皇華城，泥沙大量淤積左側(cè)的航道，噸位較大的船基本已無法通航［3］。

我國水電開發(fā)雖然起步較晚，但發(fā)展勢頭迅猛，建立了一系列諸如三峽、向家壩、溪洛渡、拉西瓦等特大型水利工程。因此，進一步研究庫區(qū)泥沙的淤積特性，對于水庫的合理有效調(diào)度運行，港口航道的維護，繼續(xù)做好水電開發(fā)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加快能源轉(zhuǎn)型具有重要的意義。

1 三峽庫區(qū)泥沙輸移概況

根據(jù)長江泥沙公報2003-2019 統(tǒng)計資料，基于輸沙率法［5］，求得歷年的淤積量及泥沙排沙比，表1展示了自2003年三峽蓄水以來歷年的泥沙入庫量、出庫量、淤積量及排沙比，入庫沙量未考慮區(qū)間入?yún)R。

表1 三峽庫區(qū)蓄水以來泥沙遷移量Tab.1 Sediment migration since impoundment in the Three Gorges Reservoir area

2 泥沙淤積特征

2.1 庫區(qū)淤積量及排沙比

圖1展示了2003年以來三峽庫區(qū)泥沙量的逐年變化過程。從圖1中可以看出，在2003年至2012年十年間，除2006年和2011年上游來沙量較小外，入庫泥沙量基本穩(wěn)定在1.6～2.5 億t這個區(qū)間內(nèi)，并有緩慢下降的趨勢。從2012年開始，入庫泥沙量呈斷崖式下跌，在2015年達到最低點0.32 億t，僅為2005年入庫泥沙量的13%。這一方面是由于長江上游各省市近年來逐漸開始重視水土保持工作，流域治理率逐年提高，目前基本已實現(xiàn)全流域治理覆蓋，水土流失得到了有效遏制，水土流失強度明顯降低，土壤侵蝕量減少了60%以上［7］。另一方面，三峽上游興建了數(shù)座大型水庫，如向家壩水電站2013年7月起開始滿負(fù)荷運行，溪洛渡水電站2014年6月起全部機組也都投入運行狀態(tài)，這些興建的水電站攔沙效果明顯，使得三峽入庫泥沙量逐年減小［9］。2018年，受上游來沙和水庫調(diào)度等影響，入庫泥沙量有較大增長，但仍比常年平均值少8%左右。

圖1 泥沙量逐年變化過程Fig.1 The annual variation process of sediment

另外，三峽水庫的運行使得水位抬高，水流流速變緩，改變了原河道的結(jié)構(gòu)和沖淤性質(zhì)，泥沙淤積量對入庫泥沙量的占比呈增大的趨勢［11］。雖然近幾年來沙量有較大幅度的回落，但泥沙沉降淤積情況嚴(yán)重，這使得經(jīng)三峽大壩下泄出庫的江水含沙量大幅減少，導(dǎo)致“清水下泄”，長江下游河床經(jīng)不斷沖刷，河床加深，水位降低，使得枯水期出現(xiàn)部分河床高過江水的情況。

2.2 庫區(qū)排沙比

圖2展示了2003年以來三峽庫區(qū)排沙比及壩前水位的變化過程。排沙比是反映水庫排沙程度的量化指標(biāo)，排沙比越低代表水庫淤積程度越大［12］，由圖2可知，三峽庫區(qū)排沙比總體呈下降趨勢。三峽庫區(qū)蓄水以來歷經(jīng)了多個階段，壩前水位由2003年的135.8 m 增加到2016年的175 m，隨著庫區(qū)水位的抬高，水流流速減緩，水流挾沙力減弱，泥沙多沉降淤積，使得排沙比減小。如2006年壩前水位抬升至144 m 后，排沙比直接降至7.9%，僅為前一年的19.6%。排沙比還與來水來沙情況，庫區(qū)地形，河道特性有關(guān)［13］。黃仁勇等［14］以三峽水庫運用后實測汛期場次洪水的排沙比資料為基礎(chǔ)，采用逐步回歸法確定了影響排沙比的主要因素為流量和庫容。張歐陽［15］等對洞庭湖水沙變化特征進行了分析，認(rèn)為排沙比受進口輸沙量的影響最大。王隨繼［16］等提出黃河流域的氣候變化和水土保持措施會對黃河下游汛期輸沙效率和排沙比造成一定影響，但影響效果有限。另外，劉尚武［17］等采用水文學(xué)法對三峽水庫區(qū)間入庫輸沙量進行了估算，發(fā)現(xiàn)隨著上游來沙減少，區(qū)間入?yún)R占比近年來有所增大，故三峽水庫的區(qū)間來沙量不應(yīng)忽視。

圖2 排沙比與壩前水位逐年變化過程Fig.2 Annual variation process of sand row ratio and water level in front of dam

2.3 消落帶坡度、高程與泥沙的淤積

消落帶是河流、湖泊、水庫特有的一種現(xiàn)象，是水陸生態(tài)系統(tǒng)交替控制的過渡性的帶狀區(qū)域，對于河流湖泊來說，它的形成主要是由于季節(jié)性的水位漲落，而對于水庫來說，其形成主要是由于水庫的周期性蓄水或泄洪造成水位升降而導(dǎo)致。消落帶一般按照坡度分為崖岸（＞75°）、陡坡岸（25°～75°）、灘坡岸（15°～25°）、臺岸（＜15°），三峽庫區(qū)的消落帶多為坡度較緩的臺岸和灘坡岸。根據(jù)河流的形態(tài)和走向，于2018年7月在長壽和忠縣區(qū)域選取數(shù)個有代表性的斷面進行沉積物采樣，記錄坡度、高程。

圖3展示了三峽庫區(qū)消落帶區(qū)域坡度與淤積量的關(guān)系，可以明顯看出泥沙主要淤積在臺岸和灘坡岸區(qū)域，且單位面積泥沙淤積量隨坡度的增加呈下降趨勢。對于三峽庫區(qū)而言，其臺岸和灘坡岸較多且連續(xù)性較高，水流流速穩(wěn)定且流速較低，泥沙容易沉降淤積；而坡度較大的崖岸和陡坡岸一方面數(shù)量低，另一方面密度小，且呈零星分布，水流容易在此造成沖刷，使得泥沙較難淤積。

圖3 坡度與淤積量的關(guān)系Fig.3 Relationship between slope and deposition

高程和沉積物沉積之間的相互關(guān)系之前沒有被研究過，因為大多數(shù)研究是在丘陵坡地進行的，而很少有在沿岸地帶進行的研究。圖4可以看出，隨高程的增加，淤積量呈逐漸減少的趨勢。考慮是由于淹沒時間的原因，對于高程較高的地區(qū)而言，年淹沒時間通常較少，無法獲得足夠的泥沙來源，故淤積量較少。如忠縣163 m 高程消落帶年淹沒時間僅有不到3 個月，單位面積淤積量只有126 kg，而141 m 高程的年淹沒時間有近十個月，淤積量為683 kg，為前者的五倍多。這說明三峽庫區(qū)消落帶泥沙淤積量與其高程有很大關(guān)系。

圖4 高程與淤積量的關(guān)系Fig.4 Relationship between elevation and deposition

3 水動力條件與泥沙的絮凝及沉降淤積

一般來說，泥沙絮凝及淤積受多種因素影響，如水動力條件，環(huán)境介質(zhì)條件及泥沙自身特性影響［18］。但對于三峽庫區(qū)來說，其產(chǎn)生絮凝淤積的重要原因之一是庫區(qū)蓄水后水動力條件改變，水體流速減緩，導(dǎo)致大量泥沙落淤。

目前針對三峽庫區(qū)泥沙絮凝研究采用的裝置都較為簡單，設(shè)定的流體剪切率都較大，未能反映三峽庫區(qū)較低流體剪切率下絮團的發(fā)育效果［19］。通過采用自研的各向同性均勻紊流沉降裝置（圖5）來產(chǎn)生低紊動剪切率的水流，模擬三峽庫區(qū)水流紊動狀態(tài)下泥沙的絮凝效果。

圖5 各向同性均勻紊流裝置Fig.5 Isotropic uniform turbulent flow device

沉降柱高度2 m，沉降柱內(nèi)徑0.3 m，壁厚1 cm，由有機玻璃制成，柱內(nèi)有7 層振動格柵，格柵相鄰間距H=25 cm，每個格柵中相鄰柵孔距離M=5 cm，與上方電機相連，通過垂向振動能夠產(chǎn)生較為穩(wěn)定均勻紊流場，下部設(shè)有絮體分離室，側(cè)邊設(shè)粒子觀測裝置，由相機和電腦組成，可以實時觀測分離室中泥沙絮體的運動情況，結(jié)合激光粒度（島津SALD-3101）分析其粒徑組成變化。

試驗所用泥沙采集自忠縣地區(qū)河底表層10 cm 泥沙，泥沙樣品粒度如圖6，試驗中將調(diào)配好的泥沙懸濁液注入沉降柱，泥沙濃度控制在三峽庫區(qū)多年平均含沙量區(qū)間內(nèi)，打開振動裝置，調(diào)整振動頻率以改變紊動剪切率，通過觀測裝置及激光粒度儀觀測及記錄其粒徑變化情況。

圖6 泥沙樣品粒度Fig.6 Particle size of sediment samples

圖7展示了在室內(nèi)試驗中，不同紊動剪切率下三峽庫區(qū)泥沙的絮體的發(fā)育效果及絮體特征粒徑的變化情況?？梢钥闯?，三峽庫區(qū)泥沙在低紊動剪切率下可以產(chǎn)生非常明顯的絮凝沉降現(xiàn)象，在3.84 s-1到19.94 s-1紊動強度區(qū)間內(nèi)，隨著紊動剪切率的增大，三峽庫區(qū)泥沙能夠快速發(fā)育形成較大絮團，粒徑較大的絮體（＞96μm）占比逐漸增大，此時水流紊動作用對泥沙絮凝起促進作用，絮團發(fā)育被強化，當(dāng)剪切率為19.94 s-1時，大粒徑絮體占比最大，特征粒徑也達到了最高值。隨著紊動剪切率的進一步上升，水流紊動作用對絮團的破壞作用開始顯現(xiàn)，部分絮團無法承受增大的水流紊動，泥沙絮凝效果開始降低，特征粒徑減小。紊動剪切作用對黏性泥沙絮凝的影響本質(zhì)上是泥沙顆粒在水流紊動作用下由于微觀作用力引起的顆粒聚合，它是碰撞—聚合—破碎—碰撞的動態(tài)循環(huán)過程，當(dāng)聚合與破碎達到平衡時視作絮凝過程完成［20］。當(dāng)剪切率較小時，剪切對絮凝的促進作用大于破壞作用，剪切率的增大引起的促進絮團發(fā)育作用強于破壞絮團的作用，絮團發(fā)育被強化，這時存在一個臨界剪切率，處于臨界剪切率時，顆粒的聚合作用達到最強，破碎作用最弱，此時能夠形成較多的粒徑較大的絮體［21］。當(dāng)流體剪切率超過臨界剪切率時，剪切率對絮體的破壞作用逐漸占主導(dǎo)地位，剪切率值的增大引起的破壞絮團的作用強于促進絮團發(fā)育的作用，粒徑較大而又結(jié)構(gòu)松散的絮體在強水流的作用下發(fā)生破碎、分裂。經(jīng)過一段時間，當(dāng)聚合-破碎達到平衡時，視作絮凝過程達到穩(wěn)定，水體中顆粒粒徑分布不再隨時間發(fā)生較大的變化［22］。但對于三峽庫區(qū)來說，其蓄水后庫區(qū)流速減緩，水流紊動強度一直處于較低的區(qū)間內(nèi)，使得水流紊動對泥沙絮凝沉降的促進作用加強，導(dǎo)致泥沙不斷落淤在庫區(qū)中，加重了庫區(qū)的淤積情況。

圖7 不同紊動剪切率下泥沙絮體的發(fā)育效果及絮體特征粒徑的變化Fig.7 The development effect of silt floc and the variation of its characteristic particle size under different turbulent shear rates

4 結(jié) 論

本文分析了三峽庫區(qū)運行以來十余年的泥沙淤積特征，并基于室內(nèi)試驗?zāi)M了低紊動剪切作用下泥沙的絮凝效果，得出以下結(jié)論。

（1）三峽水庫運行以來，泥沙入庫及出庫量呈震蕩下降的趨勢，淤積總量逐年上升。至2019年，泥沙入庫總量達24.129億t，出庫總量5.718 億t，累積淤積量18.314 億t。

（2）三峽水庫年均排沙比為21.0%，庫區(qū)排沙比總體呈下降趨勢，與壩前水位，來水來沙情況，庫區(qū)地形，河道特性有關(guān)。

（3）三峽庫區(qū)的消落帶泥沙淤積受坡度影響，坡度越小的地區(qū)泥沙淤積量越大，這與陡坡易受沖刷有關(guān)。消落帶高程與淤積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，考慮原因是由于高程越高，淹沒時間越短，導(dǎo)致無法獲得足夠的泥沙來源，故淤積量較少。

（4）三峽庫區(qū)泥沙在低紊動剪切下可以產(chǎn)生非常明顯的絮凝現(xiàn)象；紊動剪切對于泥沙顆粒的絮凝有較強的控制作用，大粒徑絮體占比隨紊動剪切率的增大，呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)剪切率為19.94 s-1時，大粒徑絮體占比及特征粒徑Df，95最大。明確了在庫區(qū)蓄水后水動力條件的改變也是造成庫區(qū)泥沙淤積的重要原因之一?！?/p>