范昭-长江三峡工程围堰蓄水期泥沙问题浅析

长江三峡工程围堰蓄水期泥沙问题浅析戴定忠范昭2007年9月 目录一、简述二、论证阶段主要研究的泥沙问题三、从围堰蓄水三年来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题四、结语 简述三峡工程于1993年开工，1997年大江截流。2003年6月三期围堰开始挡水，工程进入围堰蓄水期。同年6月船闸开始试通航，7月首台机组并网发电。2006年6月三期上游围堰拆除，三峡工程大坝全线挡水。 简述在2003-2006年间，三峡工程除抓紧第三期施工和进行枢纽试运行外，还开展了大量原型观测工作，监测建筑物的安全性和水库的环境影响。其中，工作量最大的一项是泥沙原型观测。 二.论证阶段主要研究的泥沙问题 二.论证阶段主要研究的泥沙问题2.1如何长期保持三峡工程的有效库容根据三门峡水库的经验和教训，三峡水库采用了“蓄清排浑”的运用方式，水库在汛期维持低水位，使泥沙可以顺利排出库外；在非汛期水库蓄水兴利。 三峡水库“蓄清排浑”示意图三峡水库防洪库容和调节库容示意图 二.论证阶段主要研究的泥沙问题按照数学模型的计算结果，在水库运用100年后，在汛期限制水位145m和正常蓄水位175m之间的防洪库容可以保持86%(静态）；175m和枯水期限制水位之间的库容可以保持92%（静态）。因此，三峡工程的大部分有效库容是可以长期保存的。 2.2三峡水库泥沙淤积后可能产生的淹没问题采用数学模型计算了水库淤积100年后，遭遇百年一遇洪水时的库区回水曲线，求得重庆朝天门地区的洪水位为199m。但考虑到水库蓄水和淤积后糙率的不确定性，三峡工程泥沙专家组提出增加1-3m的安全裕量，以决定重庆市区的防洪范围。对于农业地区，土地按5年一遇回水线征用，居民则按20年一遇回水线迁移。 2.3变动回水区的航道，港区泥沙淤积问题三峡水库蓄水后，常年回水区的滩险均被淹没，除青岩子，金川碛主航道由右槽倒向左槽，需要在新航槽中清除礁石外，其他滩险均可得到明显改善。变动回水区汛期产生淤积，汛后因水库蓄水，减少冲刷在翌年消落期有短期航深不足现象，需要进行航道疏浚和整治工作。重庆主城区港口码头前沿，在丰沙年泥沙淤积增加，可能影响货运码头正常作业，三峡工程泥沙专家组认为：“可以通过优化水库调度，结合港口改造，整治和疏浚措施，加以解决。” 2.4坝区的泥沙淤积问题三峡水利枢纽工程包括挡水大坝、泄洪闸、电厂、船闸、升船机等，因此设置了规模巨大的坝区实体模型，研究不同阶段坝区泥沙淤积对河流形态和各项建筑物的影响，从而为枢纽总体布置提供了科学依据。 永久船闸上引航道全包隔流堤全包隔流堤150mL=2.6KM 2.5三峡水库运用对下游河床演变的影响三峡工程建成蓄水后，下游水流含沙量减少，将引起下游河道长时间、长距离的冲刷下切。依靠数学模型，预报了三峡工程运行后下游河道冲刷发展过程，同流量水位变化以及对防洪、航运、供水的影响。提出了需要控制宜昌水位，整治芦家河卵石浅滩以及对荆江和城陵矶以下河道河势控制和堤防安全建设的课题。 三、从围堰蓄水三年来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 在工程论证与设计中，对泥沙问题开展过大量研究工作，做出了相关的预测，并对可能出现的问题提出了相应的对策。由于问题的复杂性与当前泥沙研究的水平，这些研究成果尚属初步的、预估性的。工程运行后，泥沙问题的实际状况如何？研究的结论是否符合实际？是否定性准确、定量合理，并留有安全余度？有无出现未曾预料的重大问题或存在新问题的苗头？提出的对策是否有效？研究的手段和方法是否可靠或需要进行哪方面的修正和改进？……所有这些问题只有通过工程的运行实践和原型观测才能正确回答。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题三峡工程于2003年6月开始蓄水发电，汛期按135m运行，枯季按139m水位运行，工程进入围堰发电期。2006年汛后实施二期蓄水，9月20日22时至10月27日8时，三峡水库蓄水至155.36m水位，水库防洪库容达到110.0亿m3。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题在三峡工程135-139m蓄水运用阶段，入库流量30000m3/s时回水末端距大坝460km（蓄水位135m），入库流量4850m3/s时回水末端距大坝510km（清溪场站上游约40km，蓄水位为139m）。156m蓄水后，入库流量4140m3/s时回水末端距大坝约584km（鱼嘴～铜锣峡段，位于寸滩站下游约13km）。（见表1）表1135-139m蓄水期回水末端变化表坝前水位（m）入库流量（m3/s）回水末端距大坝（km）末端地理位置13530000460清溪坊水文站下越0km1394850510清溪坊站上越40km1564140584鱼咀~铜锣峡段位于寸滩站下游越10km 至2005年底，左岸电站已装机14台，装机容量980万千瓦。累计发电968.5亿千瓦时，缓解了华中、华东、广东等地区用电紧张的压力。库区航运条件大为改善，运输成本不断降低，航运能力逐步提高，2005年过坝货运量已超过4390万吨，比历史最高水平增加一倍，客运量超过188万人次。按照工程建设进度，大坝于2006年汛前全线达到185米高程，2006年汛后蓄水位抬高到156米，相应库容为262亿m3，三峡工程将进一步发挥更大的防洪、发电、航运综合效益。三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 3.1近期上游来水来沙变化趋势及成因分析三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题三峡工程蓄水以来（2003.6-2006.7）入库泥沙年平均1.9亿t，比多年平均来沙量相比减少55%。表2入库水沙（寸滩站）年份径流量（亿立方米）与平均值比（%）输沙量（亿吨）与平均值比（%）20033918-32.11-5320043898-41.66-6320054297+62.54-43Qmax=59800m3/smax=3.17kg/m3 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题进入三峡水库的泥沙不断减少，特别嘉陵江北碚站减少因素减少量（近十年平均）占减少总量（%）1径流减少3400~3500万t占32~33%2水土保持综合治理1600~1800万t占15~17%3水电工程3200万t占30%4河道采砂及河道淤积2000~2300万t占19~22%表3嘉陵江来沙量减少因素分析表除第一项是靠“老天爷”，人力尚无法调控，只能微调，如高炮增雨或驱云，但其增减量极其有限。第二至四项取决于人类活动，“天与人”之比，可能为四六，虽然不能“人定胜天”，人类是有作为的。 由此可见，上游来沙减少的趋势将继续保持。特别是金沙江上有一系列大型水电枢纽将陆续建成投入，三峡入库泥沙将进一步减少。由于入库泥沙量对三峡工程上下游的泥沙问题具有重大影响，准确预报今后三峡水库入库的泥沙量是泥沙研究工作首先需要解决的问题。三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 3.2重庆主城区河道的泥沙淤积情况重庆主城区河段的泥沙淤积问题是三峡工程可行性论证中的一个重要技术问题，为了保证重庆主城区港口和航道的安全运行，三峡工程论证期间，确定了“分期蓄水”的建设方案。三年来，泥沙原型观测表明，由于入库泥沙量减少，重庆河段的泥沙淤积的数量和分布发生了很大的变化，从年内冲淤平衡转变成累积性冲刷。三年来，共冲刷泥沙989万m3（见表4），使重庆河段内泥沙淤积问题大为减轻，有利于进行河道和港口的治理工作。三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 表4重庆主城区河段冲淤情况(2003-2005)(单位:万m3)时段长江干流支流(22.1km)全河段(57.6km)汇口以上（21.1km）汇口以下（14.4km）02.12-03.1253.3-81.9-147.4-176.003.12-04.12-76.8-332.8-98.1-507.704.12-05.12-332.089.0-62.1-305.1三年总计-355.5-325.7-307.6-988.8三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 2004年三峡工程泥沙专家组建议采用1991-2000年的来水来沙系列研究重庆主城区的泥沙淤积问题，认为论证时提出采用港口整治、疏浚和优化调度等措施后，泥沙问题是可以得到解决的。因此，在其他条件具备时，三峡工程可以早日抬至正常蓄水位175米，以发挥三峡工程的综合效益。三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 3.3三峡水库库区淤积情况由于三峡水库入库泥沙量减少，库区的泥沙淤积比预计的数量减少。在可行性论证期间，曾用数学模型预估三峡水库的淤积过程，在第一个十年期间，平均每年入库泥沙4.81亿t，出库泥沙1.45亿t，排沙比30%，库区淤3.36亿t。三峡工程蓄水三年来（2003年至2005年），平均每年入库泥沙量为2.10亿t，出库泥沙量0.85亿t（黄陵庙站），排沙比40.5%，库区淤积泥沙1.25亿t。水库库区内淤积速度慢，淤积量少，对保留有效库容有利，也有利于库区航道的维护工作。因此，我们认为蓄水三年来水库淤积情况比预计要好（见表5）。三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题表52003至2005年三峡库区淤积体积（断面法）年·月李渡-万县万县-大坝全库区03.3-03.100.5191.4251.94303.10-04.100.4910.7581.24904.10-05.100.2320.6940.926三年合计1.2422.8764.117（单位：亿m3） 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题3.4三峡库区泥沙淤积分布据长江委水文局水下实测地形表明，2003年3月～2006年10月间，泥沙以宽谷段淤积为主，占库区总淤积量的94%，窄深段淤积相对较少或略有冲刷。从淤积量沿程分布来看，越往坝前，淤积强度越大，例如，近坝段（大坝至庙河）长度仅15.1km，共淤积泥沙约0.73亿m3，最大淤积厚度达53.4m，但绝大部分泥沙淤积在90m高程以下，且颗粒较细，不会影响水库的运行（图1-图4）。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题图12003年3月至2004年10月三峡工程坝前河段深泓变化过程 图2距三峡大坝5.6公里图3距三峡大坝160.1公里图4距三峡大坝356公里 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题3.5变动回水区的泥沙淤积问题蓄水三年来，在水库135m至139m的运行期间，土脑子河段处于变动回水区内。根据土脑子河段的原型观测成果，可以得出以下几点认识： 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题图5土脑子河段固定断面布置图 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题土脑子河段位于三峡库区涪陵珍溪镇至南沱镇之间，长约3km，两岸由岩石组成，库底由砂卵石覆盖，江中有巨大的兔耳碛和下丝瓜碛，深槽紧贴右岸，汛期主流左移，河道形成缓流深水区，泥沙大量淤积，汛后水流归槽，右槽泥沙被冲刷，航线回归右槽，年内呈周期性摆动（图5，6)，三峡工程蓄水以来的三年中，土脑子河段有冲有淤，在一年中包括两个淤积阶段，即上年末至翌年消落前的淤积阶段和汛期淤积阶段。两个冲刷走沙阶段，即汛末和汛后的冲刷阶段和消落期冲刷阶段。表6是三年来各时段土脑子河段的冲淤情况。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题图6土脑子河段典型断面（S253）冲淤变化 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题表6蓄水以来土脑子河段冲淤量（单位：万m3）时段总淤积量2003.3-03.12+84.22003.12-04.12+226.92004.12-05.12+126.12003.3-05.12+437.6 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题由表6可见，在135-139m运用条件下，由于受水库水位壅水影响，不再能保持年内冲淤平衡，三年来，产生累积性淤积437.6万m3。但是由于水位抬高，航道的水深和宽度相应增加，从维护一定的航运条件出发，每年需要清除的碍航淤积量并未增加很多。例如，在2003年的汛期8月19日至10月8日，土脑子河段共淤积泥沙719.68万m3，但翌年5-6月水库水位消落时，疏浚的碍航淤积量仅仅是7.4万m3，就保证了航道畅通。当水库正常蓄水位抬升至156m或175m后，变动回水区将向上游延伸，范围也相应扩大，还会产生新的情况和问题，需要结合实际情况，予以研究解决。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题3.6宜昌水位的控制问题三年来，宜昌河段（宜昌至枝城）冲刷8128万m3，宜昌站4000m3/s水位，2005年比2002年下降8cm，10000m3/s水位下降22cm。在清水继续冲刷的条件下，预计水位还要进一步下降，对保证葛洲坝3号船闸下闸坎上的通航水深不利。葛洲坝3号船闸下闸坎坎顶高程为34.5m（吴淞资用水位），因此，船闸下游宜昌最低通航水位为39.0m。在三峡工程近期156m运用时，宜昌最低通航水位为38.5m，相应最小通航流量为4000m3/s。 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题鉴于宜昌4000m3/s水位目前已经接近38.5m（参见图7），总公司根据泥沙专家组的意见，开始实施宜昌下游河床抗冲护底工程(见图8）。但上述工作受到河道挖沙活动的严重干扰。根据长江委水文局的调查，三年来（2003-2005年）宜昌至沙市河段的挖沙量可能达到2070-3830万m3。宜昌-沙市河段原为禁止采沙区，采沙活动如果不能得到制止，将对未来的船舶通航造成难以弥补的影响。 宜昌站历年水位流量关系图 胭脂坝护底实验工程施工砼板软排沉放现场 三、从围堰蓄水以来的泥沙原型观测资料看三峡工程的泥沙问题3.7长江中下游河道的长距离冲刷三峡工程蓄水后，水库拦沙，“清水”下泄，长江中下游河道将发生长距离、长时间的冲刷，这是在可行性论证阶段就估计到的。根据长江水文局近三年来的实测资料，在流量为30000m3/s水面线以下的冲刷体积，宜昌至城陵矶的冲刷量3.83亿m3，城陵矶至九江1.12亿m3，宜昌至九江910.4km，冲刷量为4.95亿m3（见表7） 起止地点长度（km）时段冲淤量（万m3）枯水河槽平滩河槽宜昌至城陵矶4082002~2003-9311-135852003~2004-10641-150332004~2005-8553-96782002~2005-28505-38296城陵矶至九江502.42001~20037812-4852003~20043056-37712004~2005-13401-145362001~2005-2534-11250宜昌至九江910.42002~2003-1499-1401702003~2004-7585-112622004~2005-21954-242142002~2005-31039-49546表7宜昌至九江河段河道冲淤统计表 结语三峡工程举世瞩目，对我们这一代水利人能亲身经历它的建设全过程，是非常难得的机遇。三峡工程的成功，应视为中国人民引以骄傲、自豪的闪光工程，而且我们有责任把三峡工程对下游“清水”冲刷的负面影响降低到最低限度，使江湖两利，两湖共赢，让长江上这颗明珠—三峡工程更加辉煌，造福人民。 谢谢！