胡春宏，方春明，史紅玲

（中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京）

鑒于三峽工程泥沙問題的重要性、復(fù)雜性和持續(xù)性，“十三五”以來，水利部組織實(shí)施了系列三峽工程重大泥沙問題研究項(xiàng)目，以進(jìn)一步提高工程綜合效益和保持長江健康。研究內(nèi)容主要包括未來三峽入庫水沙變化趨勢、三峽水庫優(yōu)化調(diào)度與長期有效庫容、三峽水庫中小洪水調(diào)度的影響及控制指標(biāo)、三峽庫尾推移質(zhì)輸移、庫區(qū)及壩下游重點(diǎn)河段航道治理、壩下游河道長距離沖刷機(jī)理、水沙變化對長江河流健康的影響等，取得多方面的重要成果，為三峽工程高效運(yùn)行和安全監(jiān)管提供了支撐。

一、主要研究進(jìn)展

1.未來三峽入庫沙量變化與新水沙關(guān)系代表系列

三峽入庫水沙條件在工程論證階段采用20世紀(jì)60年代水沙系列，在“十一五”期間采用20世紀(jì)90年代水沙系列，同時(shí)考慮了上游水庫的攔沙作用。2012年金沙江下游梯級水庫建成后，三峽入庫水沙發(fā)生了大的變化，需要重新研究選取水沙關(guān)系代表系列，為三峽工程調(diào)度和泥沙問題相關(guān)研究提供依據(jù)。長江水利委員會(huì)水文局等研究預(yù)測了三峽入庫水沙變化趨勢，提出了未來30年水沙關(guān)系代表系列。

（1）長江上游輸沙量減少的主要影響因素與貢獻(xiàn)率

研究表明，長江上游輸沙量影響因素在不同時(shí)期及不同區(qū)域?qū)斏沉孔兓呢暙I(xiàn)率有一定的差異，但總體上水庫攔沙占主導(dǎo)地位，水土保持和降雨影響次之。以1954—1990年系列為基準(zhǔn)，1991—2018年長江上游不同影響因子對輸沙量變化貢獻(xiàn)率如圖1所示。其中，2013—2018年三峽入庫輸沙量較1954—1990年減少4.40億t/a，上述三個(gè)因素減沙量分別占總減沙量的65.1%、22.1%和12.8%。

圖1 長江上游不同影響因子對三峽入庫輸沙量變化貢獻(xiàn)率

（2）未來30年三峽入庫沙量與代表系列

未來三峽入庫輸沙量為向家壩、橫江、岷江、沱江、嘉陵江、烏江、向家壩至寸灘區(qū)間（簡稱向寸區(qū)間）及三峽區(qū)間之和，同時(shí)考慮河道沖淤量。未來30年，三峽入庫沙量約在0.5億～2.0億t/a，平均約1.09億t/a（如表1所示）。結(jié)合最新研究成果，建議未來30年水沙系列采用2013—2022年實(shí)測系列循環(huán)，其具有較好的代表性。

表1 未來30年三峽入庫輸沙量預(yù)測 單位：萬t

2.三峽水庫泥沙調(diào)控關(guān)鍵水位與排沙比控制指標(biāo)

從2009年開始，三峽水庫采取了提前蓄水、中小洪水調(diào)度、汛限水位上浮等優(yōu)化調(diào)度措施，提高了水庫的綜合效益。隨著長江上游干支流更多水庫建成運(yùn)用，如何進(jìn)一步優(yōu)化三峽水庫運(yùn)用與排沙措施是需要研究的重大問題。中國水利水電科學(xué)研究院等采用觀測資料分析與理論研究、數(shù)學(xué)模型計(jì)算等手段，研究回答了三峽水庫泥沙調(diào)控關(guān)鍵控制水位與排沙比控制指標(biāo)等問題。

（1）汛期水沙調(diào)度關(guān)鍵控制水位

在三峽水庫泥沙淤積與運(yùn)用方式響應(yīng)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，針對典型洪水過程，模擬水庫防洪庫容淤積占比與壩前水位關(guān)系（圖2）。由圖可見，壩前水位150 m左右是控制有效庫容損失的臨界水位，當(dāng)壩前水位在150 m以下時(shí)，水庫泥沙基本都淤積在死庫容內(nèi)，防洪庫容內(nèi)基本沒有淤積，當(dāng)洪水流量較大時(shí)防洪庫容內(nèi)甚至有所沖刷；當(dāng)壩前水位在155 m，防洪庫容內(nèi)出現(xiàn)淤積，占總淤積比例6.9%～14.3%。

圖2 典型洪水過程三峽防洪庫容淤積與壩前水位關(guān)系

（2）排沙比控制指標(biāo)

提高三峽水庫綜合效益，同時(shí)盡量減少水庫泥沙淤積，需要一個(gè)合理的排沙比控制指標(biāo)。由于水庫入庫泥沙與淤積一般主要集中在汛期洪水與沙峰期間，水庫排沙比控制指標(biāo)主要是汛期場次洪水排沙比控制指標(biāo)。針對典型洪水過程，模擬水庫排沙比控制指標(biāo)如表2所示。在水庫運(yùn)用中，入庫流量越大的洪水過程，應(yīng)控制水庫排沙比越大。實(shí)際運(yùn)用過程中還應(yīng)根據(jù)入庫含沙量預(yù)報(bào)，針對入庫沙量大的特殊年份，盡量降低壩前水位，增大出庫排沙比。

表2 三峽水庫排沙比控制指標(biāo)

3.新水沙條件下三峽水庫長期有效庫容預(yù)測

如何維護(hù)長期有效庫容是三峽工程的核心問題之一，三峽工程論證階段和運(yùn)行后采用不同時(shí)期的水沙條件進(jìn)行了模擬預(yù)測。中國水利水電科學(xué)研究院等根據(jù)新水沙條件，對三峽水庫運(yùn)行300年長期有效庫容進(jìn)行了預(yù)測。

（1）淤積過程

預(yù)測考慮兩種水庫運(yùn)用方案:方案1為現(xiàn)行方案，方案2為綜合效益優(yōu)化方案（汛期水位148 m，汛后蓄水時(shí)間9 月1 日，對城陵磯補(bǔ)償調(diào)度控制水位160 m，汛期實(shí)行沙峰調(diào)度）。水庫運(yùn)用300年，水庫年均淤積量變化過程如圖3 所示。前50 年和后50 年水庫淤積較快，中間時(shí)段淤積相對較慢，與入庫泥沙量變化和淤積過程中庫容變小有關(guān)。

圖3 三峽水庫未來年均淤積量變化過程

（2）長期有效庫容

運(yùn)行100年計(jì)算結(jié)果顯示，兩種方案防洪庫容年均損失率都不到1‰。運(yùn)行300年計(jì)算結(jié)果顯示，方案1和方案2在防洪庫容內(nèi)淤積量分別為19.96億m3和33.35億m3，方案2比方案1多淤積13.39億m3，多淤67%，有效庫容保留率分別為91%和85%，與論證階段和初步運(yùn)行階段預(yù)測運(yùn)行100年時(shí)有效庫容保留率基本相當(dāng)。

4.未來三峽入庫推移質(zhì)及對航道的影響

隨著長江上游和一級支流梯級水電工程的修建，三峽水庫入庫推移質(zhì)來源主要集中在長江干流宜賓至重慶段河床干流的泥沙補(bǔ)給，掌握其變化規(guī)律對于維護(hù)治理現(xiàn)有礙航淺灘及提高庫區(qū)航道通過能力具有重要意義。重慶交通大學(xué)等基于GPVS 原型觀測數(shù)據(jù)，分析了庫尾航槽卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性，預(yù)測了2050年三峽水庫入庫推移質(zhì)來量水平及對航道的影響。

（1）三峽水庫庫尾卵石運(yùn)動(dòng)特性

自三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水以來，部分典型河段發(fā)生了卵礫石淤積礙航問題。基于GPVS原型觀測實(shí)測資料分析，三峽庫尾推移質(zhì)存在卵石沙波運(yùn)動(dòng)形式。典型礙航灘險(xiǎn)的各時(shí)段河床沖淤變化分析表明，三峽庫尾疏浚區(qū)床面呈波浪形態(tài)，統(tǒng)計(jì)各河段航槽疏浚區(qū)地形平均波長與該時(shí)段末的平均水深呈線性關(guān)系（圖4）。

圖4 地形波長與平均水深關(guān)系

以測量點(diǎn)的日平均輸沙量、斷面卵石輸移帶寬度、每年輸移時(shí)長等參數(shù)進(jìn)行卵石輸移量估算，推算未來三峽入庫推移質(zhì)年輸沙量在1萬～5萬t。

（2）推移質(zhì)輸沙變化及對航道影響預(yù)測

隨著長江上游和主要支流梯級水電工程的修建，三峽入庫推移質(zhì)大幅度減少，泥沙補(bǔ)給與輸沙能力受到限制。四川大學(xué)采用基于Logistics方程模擬預(yù)測了推移質(zhì)輸沙變化，結(jié)果如圖5 所示，至2050 年寸灘站推移質(zhì)來量基本維持在2012年以來的水平。

圖5 三峽庫尾卵石推移質(zhì)輸移量與趨勢預(yù)測

預(yù)測結(jié)果表明，未來30年三峽庫尾重點(diǎn)河段航槽內(nèi)泥沙淤積變動(dòng)回水區(qū)段不會(huì)出現(xiàn)新的淤積部位，洛磧、長壽、青巖子等重點(diǎn)河段推移質(zhì)最大淤積厚度為0.36～1.12 m，集中在航道邊界10～100 m范圍。

5.三峽水庫中小洪水調(diào)度的影響及優(yōu)化方案

三峽水庫175 m蓄水階段實(shí)施的中小洪水調(diào)度試驗(yàn)表明，三峽水庫減輕了長江中游的防洪壓力。與此同時(shí)，庫區(qū)及壩下河道隨之發(fā)生響應(yīng)和調(diào)整，河道阻力增加，壩下游河道洪水河槽過洪能力萎縮，不利于防洪。武漢大學(xué)等研究了三峽水庫中小洪水調(diào)度對水庫上下游沖淤及防洪風(fēng)險(xiǎn)的綜合影響，提出了壩下河道維持漫灘洪水出現(xiàn)概率的流量過程控制指標(biāo)。通過恢復(fù)荊江河段漫灘流量的發(fā)生頻率，抑制植被發(fā)育，緩解洪水河槽過洪能力萎縮。

（1）中小洪水調(diào)度對三峽庫區(qū)和壩下游河道演變的影響

數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果表明，中小洪水調(diào)度對水庫淤積和壩下游河道沖刷影響不大，水庫淤積量增加約8.39%，壩下游河道年均沖刷量增加約100萬t。

（2）三峽壩下游河道過洪能力變化

三峽工程蓄水運(yùn)用后,壩下游干流河道顯著沖刷，相同水位下的過水面積顯著增加，長江干流主要站點(diǎn)枯水期的同流量水位明顯下降，但各年中高水位的水位流量關(guān)系并無趨勢性變化。上述現(xiàn)象說明，在過流面積增大的同時(shí)，洪水河槽單位過水面積的過洪能力減小。

采用一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算三峽建庫前后荊江和螺山—漢口河段的糙率變化，結(jié)果表明：沙市以上的砂卵石河段內(nèi)，各級流量下的糙率均呈增大趨勢，尤其是2008 年之后的糙率增大更為明顯；沙市—監(jiān)利河段，枯水流量下糙率增幅不大，當(dāng)流量大于25 000 m3/s時(shí)，糙率增大最為明顯，增幅最大接近60%；螺山—漢口河段各級流量下糙率均增大，總體呈現(xiàn)枯水糙率增幅大、洪水糙率增幅小的特點(diǎn)。

（3）三峽水庫中小洪水調(diào)度控制指標(biāo)

建庫后壩下游河道洲灘淹沒頻率減少，洲灘植被發(fā)育導(dǎo)致河道阻力增大。長江中下游的灘地植被以草本植物為主，其中蘆葦群落的覆蓋度較高，可用年內(nèi)淹沒頻率20%、日均淹沒水深0.2 m作為蘆葦生長的臨界適宜條件。三峽水庫蓄水后，淹沒頻率小于20%的洲灘面積增加了11.2%，日均淹沒水深小于0.2 m的洲灘面積增加了74.9%。荊江河段植被生長適宜度明顯增加，這是洪水河槽阻力增大的一個(gè)重要因素。

三峽水庫運(yùn)行以來，尤其是2009年試驗(yàn)性蓄水之后，荊江河段的平灘以上流量出現(xiàn)頻率減至1.5%以下，而城陵磯以下河段仍維持在4%以上（圖6）。與此相應(yīng)，城陵磯上下游河道出現(xiàn)了不同的糙率調(diào)整模式，可將大于漫灘流量出現(xiàn)頻率4%作為洪水河槽糙率控制的臨界條件。為減小植被生長導(dǎo)致洪水河槽阻力明顯增加的可能性，應(yīng)將荊江河段大于漫灘流量出現(xiàn)頻率增加至4%，流量大于36 400 m3/s（對應(yīng)宜昌流量約為35 500 m3/s）的出現(xiàn)頻次控制在2年發(fā)生一次，每次持續(xù)時(shí)間18天以上。

圖6 長江中下游沿程各站臨界流量的超過頻率

6.新水沙條件下三峽壩下游河道演變趨勢

三峽工程蓄水運(yùn)用后，受上游水土保持減沙、干支流水電樞紐蓄水?dāng)r沙及河道采砂等因素共同影響，壩下游水沙情勢發(fā)生了顯著改變，沖刷向下游發(fā)展速度較預(yù)期更快，給防洪安全、航道安全、生態(tài)安全及河勢穩(wěn)定等帶來深遠(yuǎn)影響。長江科學(xué)院等分析了長江中下游水沙變化及其影響，預(yù)測了新水沙條件下未來30年河道沖刷與演變趨勢。

（1）宜昌—枝城河段

三峽水庫蓄水運(yùn)用后，宜昌至枝城河段岸線和灘槽格局變化不大，河勢仍保持基本穩(wěn)定。2003 年以來，宜昌—枝城河段產(chǎn)生了累積性沖刷，蓄水后的15年內(nèi)河床沖刷速率逐漸趨緩，預(yù)計(jì)2030 年左右基本接近平衡。

（2）荊江河段

三峽水庫蓄水后荊江段河床發(fā)生劇烈沖刷，2002—2018年平灘河床累計(jì)沖刷11.38億m3，年平均沖刷0.71 億m3，局部河勢變化較大，仍處于強(qiáng)烈的沖刷調(diào)整過程（圖7）。預(yù)測未來30年仍呈單向沖刷趨勢（圖8）。

圖7 荊江河段平灘河槽累計(jì)沖淤量

圖8 荊江河段未來30年沖刷強(qiáng)度

（3）城陵磯—大通河段

三峽工程運(yùn)用初期（2003—2012年），城陵磯—大通河段沖刷量較小。2013年后，強(qiáng)沖刷帶由上至下發(fā)展至該河段，沖刷強(qiáng)度顯著增大（圖9）。預(yù)測未來30年，該河段仍將以較大強(qiáng)度持續(xù)沖刷，沖刷速率總體上隨時(shí)程呈減弱趨勢（圖10）。該河段絕大多數(shù)分汊河段平面形態(tài)基本穩(wěn)定，河道進(jìn)一步朝穩(wěn)定性增強(qiáng)的方向發(fā)展。

圖9 城陵磯至大通河段平灘河槽累計(jì)沖淤量

圖10 城陵磯—大通河段未來30年沖刷強(qiáng)度

（4）大通—長江口河段

大通—長江口為感潮河段，受上游來水來沙及下游潮汐的作用，水沙動(dòng)力條件和河床演變復(fù)雜。三峽工程運(yùn)用以來，2001—2018年該河段沖刷20.4億m3。河段內(nèi)大部分汊道灘槽形態(tài)相對穩(wěn)定，汊道分流比變化不大。預(yù)測未來30年，仍處于沖刷狀態(tài)，沖刷強(qiáng)度隨時(shí)程呈明顯減弱趨勢。

7.長江中下游河道沖刷對崩岸、航運(yùn)及沿江基礎(chǔ)設(shè)施影響

三峽水庫蓄水運(yùn)行后，改變了壩下游河道水沙條件，引起河床沖刷，將對沿江崩岸、航道、供水等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（1）沖刷對崩岸及堤防安全的影響

2003—2018 年，長江中下游干流河道共發(fā)生崩岸險(xiǎn)情946 處，總長度705 km。在2003—2006 年圍堰發(fā)電期間，長江中下游干流河道崩岸長度與處數(shù)均較大，之后崩岸總體情勢趨緩。2020 年，由于河道遭受大水沖刷，長江中下游崩岸長度與數(shù)量均有較大幅度的增加。

（2）沖刷對航運(yùn)的影響

長江中下游河道沿程沖刷發(fā)展及枯水河槽下切對于河寬較小、洲灘邊界穩(wěn)定的河段，河道沖深較為顯著，航槽水深條件明顯改善。在河寬較大、河道平面形態(tài)尚未穩(wěn)定的河段及邊灘沖蝕河段，沖刷給局部河段航道條件帶來不利影響，如荊江調(diào)關(guān)彎道段、熊家洲—城陵磯河段、鎮(zhèn)揚(yáng)河段和暢洲水道等。

（3）壩下游沖刷對沿江重要基礎(chǔ)設(shè)施安全的影響

壩下游河道沿程沖刷發(fā)展也對地下穿河工程、港口碼頭工程、取排水口等涉水重要基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。如：武漢地鐵7號線隧道工程過江斷面沖刷超出預(yù)期等。

8.細(xì)顆粒泥沙減少對長江河流生境影響

泥沙是河流發(fā)揮生態(tài)環(huán)境功能的重要載體之一，對河流生境有重要作用。泥沙與生源物質(zhì)具有不同程度的親和性。懸移質(zhì)沉降將吸附的氮磷帶入沉積物，影響沉水植物和底棲動(dòng)物的生長和群落結(jié)構(gòu)。南京水利科學(xué)研究院等采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等多種技術(shù)手段，研究了長江上游水庫群建成運(yùn)用后細(xì)顆粒泥沙減少對河流生境的影響。

（1）水庫泥沙淤積對主要污染物的影響

三峽大壩攔截導(dǎo)致上游來沙在壩前沉積，沉降泥沙挾帶的顆粒態(tài)磷大部分沉積在壩前水庫底部，對水庫的磷含量影響程度較大。上游水庫群運(yùn)行前，2008年三峽庫區(qū)入庫總磷污染負(fù)荷通量約10.82萬t（不考慮區(qū)間污染負(fù)荷），出庫總磷污染負(fù)荷通量約3.19萬t，入庫量明顯大于出庫量；上游水庫群運(yùn)行后，2014—2018年三峽庫區(qū)入庫總磷污染負(fù)荷通量約4.37萬t（不考慮區(qū)間污染負(fù)荷），較上游水庫群運(yùn)用前呈明顯下降趨勢，出庫總磷污染負(fù)荷通量約4.67萬t。三峽水庫泥沙淤積對氮作用較弱，即水庫對磷和氮具有分選作用。

（2）河床沖刷對床面生物膜的影響

生物膜是泥沙、微生物及胞外聚合物等組成的微生態(tài)系統(tǒng)，是生物過程床面基礎(chǔ)生產(chǎn)力的重要組成部分，在水生生態(tài)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。水沙變化導(dǎo)致床面物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響生物膜生長并產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境效應(yīng)。

細(xì)顆粒泥沙比表面積大，容易吸附微生物和營養(yǎng)鹽，比相同條件下的生物膜生長量更多。河道沖刷及床面粗化，不利于床面生物膜量的積累，進(jìn)而影響其環(huán)境生態(tài)功能。以枝城斷面為例，斷面長期處于較快的沖刷狀態(tài)，導(dǎo)致床面生物膜量較少，僅在沖刷速率相對較慢的2002—2007年存在少量的生物膜量（約2mg/g），且因河床粗化，生物膜量逐年減少。隨著河道沖刷向下游發(fā)展，長江下游也會(huì)逐漸出現(xiàn)床面生物膜量減少的現(xiàn)象（圖11）。床面微生物高通量測序數(shù)據(jù)表明，壩下各站點(diǎn)的微生物群落豐富度和多樣性較低，下游河床沖刷導(dǎo)致微生物群落分布變得更不均勻。

圖11 2002—2012年典型斷面床面平均高程及生物膜量變化

二、三峽水庫優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行及未來研究建議

基于上述研究成果，近年來三峽工程泥沙專家組提出了水庫調(diào)度運(yùn)行中泥沙相關(guān)問題的應(yīng)對措施，以及提高三峽工程運(yùn)行綜合效益、維持長江健康的建議及需要進(jìn)一步研究的相關(guān)問題。

1.提高三峽水庫汛期水位

2003 年以來，長江上游主要水文站及三峽入庫徑流量集中度減小，輸沙量集中度增大，為開展泥沙調(diào)度提供了有利條件。從泥沙淤積看，汛期水位上浮至150 m 對水庫有效庫容淤積沒有明顯影響，沒有大洪水時(shí)，三峽水庫汛期水位控制在148～150 m 是合適的；遇特殊大水多沙年份，應(yīng)盡量降低壩前水位，增加排沙量。

2.優(yōu)化并實(shí)踐三峽水庫中小洪水調(diào)度方案

本階段研究獲得了中小洪水調(diào)度對壩下游河道演變、河道行洪能力影響的認(rèn)識，提出了優(yōu)化三峽水庫中小洪水調(diào)度的對策，建議在未來實(shí)際調(diào)度中進(jìn)行實(shí)踐。同時(shí)繼續(xù)深入研究避免河道萎縮的三峽水庫洪水調(diào)度控制指標(biāo)及方案，進(jìn)一步優(yōu)化完善三峽水庫中小洪水調(diào)度方案。

3.加強(qiáng)壩下游河道演變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

壩下游河道沿程持續(xù)沖刷，引起床面粗化、床面營養(yǎng)物質(zhì)減少、微生物多樣性降低、中低灘及岸坡坍塌等。同時(shí)河道、航道等治理工程使得河床邊界及河道局部流態(tài)進(jìn)一步復(fù)雜化，影響水生生物生境和棲息地適宜度，建議進(jìn)一步開展壩下游河道演變對水生生物生境和岸灘生態(tài)的影響研究。