三峡水库蓄水以来水库淤积和坝下冲刷研究.pdf

第43卷第7期人民长江Vo1．43，No．72012年4月YangtzeRiverApr．．20l2文章编号：1001—4179(2012)O7—0001—06三峡水库蓄水以来水库淤积和坝下冲刷研究许全喜(长江水利委员会水文局，湖北武汉430010)摘要：为了分析三峡工程对库区及坝下长江中游河势的影响，基于实测资料，较为系统地研究了三峡水库蓄水运用以来水库泥沙淤积和坝下游河床中刷特性。研究表明，1991年以来长江干流各站径流量变化不大，输沙量明显减小；三峡水库蓄水运用后的2003～20l1年入库沙量继续大幅减少，仅为原设计值的40％，水库年均淤积泥沙1．40亿t，也仅为论证阶段的40％左右，且绝大部分淤积在常年回水区和死库容内；受上游来沙减小和三峡水库蓄水拦沙影响，坝下游输沙量大幅减小，悬移质泥沙颗粒也明显变粗，长江中游原有的冲淤相对平衡状态被打破，河床发生沿程中刷，2002年l0月至2010年10月，宜昌至湖口河段总冲刷量为9．79亿m，河床冲淤形态转变为“滩、槽均冲”，主要冲刷发生在宜昌至城陵矾河段。关键词：水库淤积；河床；中刷；蓄水运用；三峡工程中图法分类号：TV697文献标志码：A称输沙率法、沙量平衡法)。对于三峡水库而言，采用1数据源及研究方法输沙量法计算水库淤积量，根据地形和固定断面资料1．1数据源分析水库淤积形态和分布。实测资料表明，采用输沙量法和断面法计算三峡水库淤积量的差别很小，基本本文所用数据为长江干、支流主要水文站1950～在5％以内。长江中游河道冲淤计算，则采用较为常2011年年径流量和输沙量实测资料系列，三峡水库库见的断面法。区2002～20l1年实测地形和固定断面资料，长江中游宜昌至湖口河段(长955km)1966～2011年实测地形2入库水沙变化特点和固定断面资料。2．1径流量和悬移质输沙量1．2研究方法在三峡工程论证和初步设计阶段，三峡水库1956本文在前人的研究成果和大量实测资料基础上，～1990年年均入库(朱沱+北碚+武隆，下同)水、沙采用水文学、数理统计学相结合的分析方法，分1950量分别为3858亿m、4．80亿t。1991年以来，长江上～1990年、1991～2002年和2003～2011年3个时段，游径流量变化不大，受降水条件变化、水利工程拦沙、着重对长江上游水沙变化进行分析；考虑到三峡水库水土保持减沙和河道采砂等影响，输沙量发生质的变蓄水运用后对长江中下游水沙变化带来的影响，重点化，减少趋势明显(图1)一23。1991～2002年与1990对三峡水库蓄水运用前(1950～2002年)、后(2003～2011年)水沙变化进行对比分析。年前相比，输沙量除金沙江流域有所增多(屏山站沙河道冲淤计算采用地形(断面)法和输沙量法(也量增多14％)外，金沙江以下干流及主要支流输沙量收稿日期：2012—02—28基金项目：国家“973”项目课题“长江中游通江湖泊江湖关系演变过程与机制”(2012CB417001)；国家自然科学基金项目“具有二元结构河岸的弯道崩岸机理与数值模拟研究”(51079103)；水利部公益性行业科研专项“梯级水库运用对长江中游水沙与冲淤影响研究”(200901003)作者简介：许全喜，男，高级工程师，博士，主要从事水文、泥沙的研究工作。E—mail：xuqx@cjh．COrn．cn 2mm，见表2，粒径大于0．1him的粗颗粒含量也由1987～2002年的10．6％减少到6．4％。2．2推移质输沙量推移质泥沙包括沙质推移质(粒径1～2mm)、砾石推移质(粒径2～10年份年份mm)和卵石推移质(粒径大于10一a)长江干流屏山站一(b)长江干流寸滩站～mm)。自20世纪80年代以来，进入三峡的推移质泥沙数量，总体上呈下降的趋势(见图2)，如寸滩站1991～2002年实测沙质推移质的年均输沙量为25．8万t，约为同期悬移质输沙量的0．08％，三峡水库蓄水后的2003～2011年，年均沙质推移质量仅为1．7年份年份cj嘉陵江北碚站c1)长江干流宜昌站万t，较199l～2002年减少95％；年均卵石推移质量为4．3万t，较1991～2002年均值减少70％以上。3三峡水库泥沙淤积在三峡工程论证和初步设计阶一段，采用数学模型以长江干流寸滩站+乌江武隆站1961～1970系列年的年份年份水沙资料作为代表性的入库水沙条件t、)长江干流汉口站r)长江干流大通站(年均入库水、沙量分别为4202亿图1长江主要控制站年径流量、年输沙量历年变化m，5．09亿t)计算表明，水库运用前均明显减小，减幅以沱江87％最大，减沙量则以嘉陵10a，库区年淤积泥沙(3．28～3．55)亿t，水库排沙比江的0．968亿t／a为最大，见表1。在35％左右。2002年以来，整个长江上游来沙均呈大幅减少态三峡水库蓄水以来的2003～2011年，由于三峡入势，金沙江屏山站年均沙量也减小至1．41亿t，2003～库泥沙较初步设计值大幅减小，库区泥沙淤积大为减2011年三峡入库年均水量和沙量分别为3544亿1TI，轻。2003年6月至2011年12月，三峡入库悬移质泥2．01亿t，较1990年前均值分别减少8％和58％，较199l～2002年均值分别减少5％和43％。同时，入库沙16．818亿t，出库(黄陵庙站)悬移质泥沙4．187亿泥沙颗粒也明显变细，2003～2010年寸滩站悬移质中t，见表3，不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙值粒径为0．009mm，小于1987～2002年的0．01ll2．631亿t，近似年均淤积泥沙1．40亿t，仅为论证阶表1三峡上游主要水文站年均径流量和输沙量变化注：①北碚站于2007年下迁7km，集水面积增加594km；②经重新核算，自2006年起，屏山站集水面积由原来的485099km。更改为458592km 第7期许全喜：三峡水库蓄水以来水库淤积和坝下冲刷研究3表2三峡入库控制站悬沙级配和中值粒径变化涪陵，长约173．4km)累计淤积泥沙0．194亿m幸，占总淤积量的1．5％；常年回水区(涪陵至大坝，长约恻486．5km)淤积量为12．41亿m，占总淤积量的98．5％。②车一口qD目绝大部分泥沙都淤积在145Ill高程以下的死库容里。一盟库区干流常年淤积在145m以下库容内的泥沙为12．33亿m(占水库死库容171．5亿I]1的7．2％)，占总淤积量的99％；淤积在145m以上河床的泥妻朽一沙为nnnna0．0754Lm(占水库防洪库容221．5亿m的0．05％)，圈仅占水库总淤积量的l％，且主要集中在奉节至大坝团翰蛆库段。93％的泥沙淤积在水库开阔段内(平均库区水面宽大于600m)，窄深段内淤积较少，其淤积量仅占圉总淤积量的7％；③三峡水库175m试验性蓄水后围，6翮～9月坝前运用水位逐渐抬高，水库排沙比也逐渐减小，见图4，库区泥沙淤积逐渐向上游发展。如在三峡工程围堰发电期，丰都至李渡库段冲淤基本平衡，奉节以上库段年均淤积量为6750万m／a，其淤积量占库图2长江寸滩站砾卵石和沙质推移质输沙量变化区总淤积量的50％；在初期蓄水期，丰都至铜锣峡库段的40％左右(见图3)，水库排沙比为24．9％，小于段则年均淤积泥沙520万m／a，占库区总淤积量的论证阶段预测值。其中，在三峡工程试验性蓄水期间4％，奉节以上库段年均淤积泥沙6990万m／a，占库(2008年l0月至2011年12月)，三峡入库悬移质泥区总淤积量的56％；2008年汛末三峡水库进行试验性沙5．379亿t，年均入库泥沙约1．79亿t，仅为初步设蓄水后至2011年11月，丰都至铜锣峡段年均淤积泥计值的35％，出库悬移质泥沙0．765亿t，不考虑库区沙1760万m／a，占库区总淤积量的11％，奉节以上的区间来沙，水库淤积泥沙4．614亿t，年均淤积泥沙库段年均淤积泥沙1．23亿m／a，占库区总淤积量的约1．54亿t，水库排沙比为14．2％，小于围堰发电期78％，见图5。的37．0％和初期运行期的18．8％，见表3。6015515。50《101,156O。050趣20函4010。3。O12O2O2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年612月1,0时段02(303年200,1年2005年2006年2007年2008年2009年2010年201雌F论证阶段6～】2月图42003年6月～2011年l2月三峡水库排沙比变化时段图3三峡水库进出库泥沙与水库淤积量表3三峡水库进出库泥沙与水库淤积量，一．．大坝一庙河庙河一奉节奉节丰都丰都一铜锣峡区间图5三峡水库库区各段泥沙年均淤积量对比4三峡水库坝下游河床冲刷注：2003年6月至2006年8月入库水沙量采用清溪场站的资料；2006年9月至2008年9月采用寸滩+武隆的资料；2008年1O月至20114．1长江中下游水沙变化年12月则采用朱沱+北碚+武隆站的资料。从泥沙淤积分布来看：①自三峡水库蓄水运用以4．1．1径流量和悬移质输沙量来，2003年3月至2011年l】月变动回水区(江津至20世纪90年代后，受上游来沙量减小影响，长江 4人民长江中下游干流输沙量也呈减小态势，如宜昌站1991～mm的沙量减小幅度明显小于全沙。2010年，宜昌、监2002年年均输沙量为3．9l亿t，较1950—1990年均值利、汉口、大通站悬沙中值粒径分别为0．006，0．015，减小了1．30亿t，减幅为25％；其下游干流汉口、大通0．013，0．013mm，粗颗粒泥沙含量分别为1．4％，站沙量也分别减小了1．14亿，1．31亿t，减幅分别为26．5％，15．9％，10．3％(见表5)。27％，29％，无论是沙量减小值还是减幅都与宜昌站基表5三峡水库坝下游主要控制站不同粒径级沙重百分数％本相当。d>0．125mm三峡水库蓄水运用后，长江中下游干流各站径流测站再中值粒径多年平均2003—2009年20l0年量除监利站变化不大外，其他各站均偏少7％～11％；黄陵庙一3．703—0．0050．006输沙量大幅减小，且减幅沿程递减。2003～2011年宜宜昌9．06．91．40．0090．0050．006昌、汉口和大通站年均输沙量分别为0．488亿，1．13枝城6．918．76．20．0090．0080．007沙市9．829．318．80．0120．0170．010亿t和1．43亿t，分别比蓄水前均值减小了90％，72％监利9．635．72650．0090．0460．015和67％．见表4。螺山13．526．31490．0120．0140．Ol1表4三峡水库蓄水运用前后汉口7．821．415．90．Ol00．Ol30．O13大通7．86．810．300090．0080．013长江中下游主要水文站径流量、输沙量注：①宜昌、监利站多年平均统计年份为1986—2002年；枝城站多年平均统计年份为1992—2002年；沙市站多年平均统计年份为1991—2002年；螺山、汉口、大通站多年平均统计年份为1987—2002年．．②2010年长江干流各主要测站的悬移质泥沙颗粒分析均采用激光粒度仪。4．2长江中游河床冲刷三峡水库坝下游宜昌至鄱阳湖口为长江中游，长955km，沿江两岸汇入的支流主要有清江、洞庭湖水系、汉江、倒水、举水、巴河、浠水、鄱阳湖水系等。荆江注：三峡工程蓄水前统计年份，宜昌站为1950～2002年，枝城站为1955南岸有松滋、太平、藕池、调弦四口分流入洞庭湖(调～2002年(其中l960—1991年为宜昌+长阳站)，沙市站为1956～弦口于1959年建闸封堵)。2002年(1956～l990年为新厂站)，监利站为1951～2002年(缺在三峡工程修建前的数十年中，长江中游河床冲1960～1966年)，螺山站、汉口站和大通站均为1954—2002年。淤变化较为频繁，1975～1996年宜昌至湖口河段总体4．1．2悬移质泥沙颗粒级配表现为淤积，平滩河槽总淤积量为1．793亿m，年均三峡水库蓄水运用前，宜昌站悬沙多年平均中值淤积量为0．0854亿m；1998年大水期间，长江中下粒径为0．009mm，至螺山站悬沙多年平均中值粒径变游高水位持续时间长，宜昌至湖口河段总体表现为淤粗为0．012mm，粒径大于0．125mm的泥沙含量由宜积，1996～1998年其淤积量为1．987亿m，其中除上昌站的9．0％增大至13．5％；大通站悬沙中值粒径变荆江和城陵矶至汉口段有所冲刷外，其他各河段泥沙细为0．009mm，粒径大于0．125mm的泥沙含量也减淤积较为明显；1998年大水后，宜昌以下河段河床冲少至7．8％，见表5。刷较为剧烈，1998～2002年(城陵矶至湖口河段分析三峡水库蓄水后，下游水流含沙量发生了如下变时段为1998～2001年)，宜昌至湖口河段冲刷量为化：①大部分粗颗粒泥沙被拦截在库内，2003～20095．47亿m，年均冲刷量达1．562亿m。年宜昌站悬沙中值粒径为0．005mm，与蓄水前的三峡水库蓄水运用后，上述情况有所改变。20020．009mm相比，出库泥沙粒径明显偏细。②坝下游年10月至2010年10月，宜昌至湖口河段总体表现为水流含沙量大幅减小，河床沿程冲刷，干流各站悬沙明“滩、槽均冲”，平滩河槽总冲刷量为9．79亿m，年均显变粗，粗颗粒泥沙含量明显增多(除大通站有所变冲刷量1．22亿m，年均冲刷强度l2．8万m／(km·细外)，其中尤以监利站最为明显，2003～2009年其中a)，见表6、7和图6。从纵向分布来看，宜昌至城陵值粒径由蓄水前的0．009mm变粗为0．046mm，粒径矶、城陵矶至湖口段冲刷量分别占64％，36％。河床大于0．125mm的沙重比例也由9．6％增多至35．7％。冲刷主要集中在枯水河槽，其冲刷量占总冲刷量的③虽然近年来由于长江上游来沙大幅减小，加之三峡78％，其中：三峡工程围堰蓄水期(2002年l0月至水库的拦沙作用，使得宜昌以下各站输沙量大幅减小，2006年10月)河床冲刷较多，宜昌至湖口全河段出现但河床沿程冲刷，除大通站外，各站粒径大于0．125普遍冲刷，平滩河槽总冲刷量为6．17亿m，年均冲刷 第7期许全喜：三峡水库蓄水以来水库淤积和坝下冲刷研究5强度16．0万m／(km·a)；湖口至大通河段冲刷量淤积量0．485亿rn。1．57亿m，年均冲刷强度l4万m／(km·a)。从分布三峡水库175ITI试验性蓄水以来，坝下游宜昌至来看，宜枝河段冲刷强度最大，荆江河段冲刷量最多。湖口河床冲刷强度有所增大。2008年10月至2010表6三峡水库蓄水后下游宜昌至湖121河段平滩河槽冲淤量对比年10月平滩河槽总冲刷量为3．385亿m，年均冲刷万m强度l7．7万in／(km·a)。从纵向分布来看，宜昌至城陵矶、城陵矶至湖口段冲刷量分别占47％，53％。从冲淤纵向总体分布来看，坝下游河床冲刷强度以宜枝河段为最大，荆江冲刷量最多，宜昌至城陵矶河段表现为全程冲刷，宜枝河段、上荆江、下荆江冲刷量分别为1．29亿，2．25亿，2．71亿m。城陵矶至汉口注：①“一”号表示冲刷，正值为淤积，下同；②平滩河槽是当宜昌站流段则以石矶头为界，上段(城陵矶至石矶头，长约97量为30000nl／s、汉口站流量为35000m／s所对应的水面线以下km)冲淤总体平衡，2001年10月至2003年10月冲刷的河槽；③城陵矾至湖口河段无2002牟10月地形资料．实际统计采用2001年10月。量为0．45亿m，2003年10月至2010年l0月则淤积表7三峡水库蓄水以后下游宜昌至湖口冲淤分析泥沙0．42亿m；下段(石矶头至汉口，长约154km)万m／(km·a)则全程表现为冲刷。汉口至湖口段则除田家镇附近河床有所淤积以外，其余河段均以冲刷为主，且以鄱阳湖湖口附近的张家洲河段(长约45km)冲刷量最多，达到1．46亿m，冲刷强度也最大，这与2001年后实施的航道整治工程密切相关。随着三峡水库的建成和蓄水运用，坝下游河道发生沿程冲刷，并逐步向下游发展，呈现上段较下段先发三峡水库初期蓄水期(2006年10月至2008年l0生冲刷，上段冲刷多、下段冲刷少甚至不冲刷的特征，月)，宜昌至湖口河段河床略有冲刷，平滩河槽冲刷量且冲刷主要发生在枯水河槽。如2002年10月至2003仅为0．240亿m，年均冲刷强度1．3万m／(km·a)，年l0月，宜昌至城陵矶段、城陵矶至汉口段河床分别远小于围堰蓄水期。河床冲刷主要发生在第一年冲刷1．36亿，0．48亿m，汉121以下河段则处于淤积状(2006年l0月至2007年l0月)，该年宜昌至湖口平态，汉口至九江河段淤积泥沙0．43亿m。又如从滩河槽总冲刷量为0．725亿m；而第二年(2007年l02002年l0月至2010年10月河床冲淤量沿程分布来月至2008年l0月)宜昌至湖口总体为淤积，平滩河槽看，距三峡水利枢纽较近的宜昌一城陵矶河段持续冲刷，距三峡水利枢纽较远的城陵矶一O湖口河段在2003年10月至2004年1一210月、2005年10月至2006年10月3表现为少量淤积，次年表现为明显冲一·殳一5刷。—6从冲刷形态来看，沿程均以纵向7宜昌一城陵矶城陵矶一武汉武汉湖口宜昌一湖口冲刷下切为主，除下荆江枯水河槽宽河段河段(}1)2002年】0月至2006年10月(b)2006年10月至2008年10月度略有增加外，河道横向变形较小。其中：宜枝河段深泓平均下切3．5m，最大冲深16．4m(宜都附近)。荆江河段深泓平均冲深1．72m，上荆江深泓平均冲深1．7lm，公安以上深泓普遍冲深，特别是沙市一文村夹段冲刷幅度最大，最大冲深宜昌一城陵矶城陵矶一武汉武汉湖口宜昌一湖口河段河段l0．5m(蛟子渊尾部)；下荆江深泓(c)2008年】O月至20JO年】O月(d)2O02：~10月至2olo~】0月冲淤相问，以冲刷为主，石首弯道进图6三峡水库蓄水运用后坝下游河道冲淤情况口附近最大冲深12．7／11(石首河段 6人民长江荆92断面，向家洲近岸河槽)，调关以下冲刷明显(调(3)受上游来沙减小和三峡水库蓄水拦沙影响，关弯顶荆120断面附近冲深18．21／1)，但江湖汇流段坝下游输沙量大幅减小，长江中游原有的相对冲淤平深泓冲淤相间。城陵矶至汉口河段深泓平均冲刷下切衡状态被打破，河床发生沿程冲刷，2002年10月至0．65m，冲刷主要在陆溪口及其下游河段，赤壁附近最2010年l0月宜昌至湖口河段总冲刷量为9．79亿ITI，大冲深11．2m，觯洲湾出口深泓最大冲刷下切l0．3河床冲淤形态转变为“滩、槽均冲”，冲刷主要发生在m；汉口至九江河段深泓平均冲刷下切0．71m，深泓最宜昌至城陵矶河段。河床冲刷以纵向为主，河势未发大冲深14．6ITI(阳逻附近)，且冲刷主要在黄州以上以生明显变化。及龙坪以下的河段。随着三峡水库蓄水运用时间的推移，以及长江上游一些大型水利水电工程如溪洛渡、向家坝等的逐渐5主要结论投入运用，其对三峡入库和坝下游水沙特性及河床冲(1)1991～2002年长江上游径流量变化不大，除淤、河势变化等将带来更为深刻的影响，下阶段应进一金沙江沙量有所增大外，干流及其他主要支流均呈减步加强原型观测和研究工作。小态势，三峡入库沙量减小了27％，以嘉陵江减沙为致谢主。近年来三峡上游来沙减小趋势仍在持续，2003～本文研究得到长江委水文局上游局、三峡局、荆江局、中游局和下游局的大力协助，谨此表示感谢!2011年三峡入库沙量较199l～2002年减小43％，加参考文献：之三峡水库拦截了入库泥沙的75％，长江中下游干流[1]XiongMing，XuQuanxi，YuanJing．Analysisofmulti—factorsaffect—输沙量呈大幅减小态势。ingsedimentloadintheThreeGorgesReservoir[J]．QuaternaryInter—(2)2003～2011年三峡入库沙量仅为原设计值national，2009，208：76—84．的40％，水库年均淤积泥沙1．40亿t，仅为论证阶段[2]许全喜，张小峰，袁晶．长江上游河流输沙量时间序列跃变现象研的40％左右，且绝大部分淤积在常年回水区和死库容究[J]．长江流域资源与环境，2009，18(6)：555—562．内，未对水库的调度运行造成不利影响。但水库排沙[3]长江水利委员会．三峡工程泥沙研究[M]武汉：湖北科学技术出比要小于论证阶段的预测值，特别是三峡水库进入初版社．1997．期蓄水期以来，水库排沙比基本上在20％以内，值得[4]许全喜，袁晶，伍文俊，等．三峡工程蓄水运用后长江中游河道演变初步研究[J]．泥沙研究，2011，(2)：38—46．深入研究，为下一阶段三峡水库进行科学调度打下基(编辑：常汉生)础ResearchonreservoirsedimentationanddownstreamchannelerosionofdamafterimpoundmentofThreeGorgesReservoirXUOuanxi(BureauofHydrology，ChangfiangWaterResourcesCommission，Wuhan，430010，China)Abstract：InordertoanalyzetheinfluenceofTGPonthereservoirsedimentationanddownstreamchannelerosionsinceim—poundmentofThreeGorgesReservoir，basedonmeasureddata，thispapersystematicallypresentstheresearchonthereservoirsedimentationandchannelerosionofmiddleYangtzeRiver．Theresearchresultsshowthattherunoffatthecontrolstationsofthemainstreamhaslittlechange，butthesedimentdischargereducesevidentlysince1991；from2003to201l，thereducingtrendoftheinflowingsedimentisstillenduringobviously，butjustaccountingfor40％ofthedesignvalue，withtheannualreservoirsedi—mentationof1．40X10t，andthemostdepositedinperennialbackwaterareaanddeadstorageofreservoir．Influencingbythedecreaseofsedimentfromupstreamandthereservoirsedimentretainingfunction，thesedimentdischargeindownstreamofthedamreducestoalargeextent，thesuspendedloadiscoarsened，thustheequilibriumofmid—lowerreachesofYangtzeRiverisbrokenobviously，andthechannelerosionappears．FromOct．2002toOct．2010，thetotalerosionis9．79×10m；theero—sionoccurredinbothgroovesandshoals，andchannelerosionmainlyoccursinthereachfromYichangtoChenglingji．Keywords：reservoirsedimentation；channelerosion；impoundmentandoperation；ThreeGorgesProject