Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 8: 27 - 37

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240635

River-Lake Protection And Regulation

Preliminary Study on Optimizing the Operation Mode of the Three Gorges Reservoir to Reduce Riverbed Scouring Downstream of the Dam

  • YUAN Yuan , 1, 2, 3 ,
  • WANG Xiang 1 ,
  • FENG Zhi-zhou 1 ,
  • HUANG Ren-yong 2, 3 ,
  • GUO Xiao 1 ,
  • WANG Min 2, 3
Expand
  • 1 China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443000, China
  • 2 River Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 3 Key Laboratory of River and Lake Management and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-06-18

  Revised date: 2024-09-22

  Online published: 2025-08-06

Fold

Abstract

[Objective] With the release of low-sediment water, the middle and lower reaches of the Yangtze River will undergo long-distance and long-duration river channel scouring. Optimizing the operation strategy of the Three Gorges Reservoir to reduce scouring downstream of the dam is of great significance. [Methods] Based on the statistical analysis of measured data, the response mechanisms of erosion and deposition in the downstream river channel were analyzed. Using mathematical modeling, a preliminary study was conducted on reservoir operation strategies aimed at reducing downstream scouring. The sediment regulation concept of “regulating sediment to reduce scouring, regulating water to regulate sediment, and achieving sediment regulation through water regulation” was proposed. [Results and Conclusion] At representative hydrological stations along the middle and lower reaches of the Yangtze River, sediment load exhibits a good power-law relationship with flow, indicating a strong correlation between sediment transport and flow. Therefore, sediment regulation in the middle and lower reaches can be achieved by controlling corresponding flow processes. Typical years of 2012 and 2013 were selected to study the effects of regulating sediment peaks during the flood season and different regulation modes for small and medium-sized floods on the reservoir’s sediment flushing ratio and downstream river channel scouring. Downstream scouring is influenced by both the sediment released from the upstream reservoir and the volume and process of the incoming flow. Increasing the reservoir’s maximum flow during sediment peak periods and shortening its duration are both beneficial for reducing downstream scouring. Among these, increasing the maximum flow has a more significant effect. Therefore, to mitigate downstream scouring, the flow during flood seasons should not be too low. Based on typical years from 2008 to 2017, the effect of optimized operation schemes on reducing scouring between Yichang and Datong was studied. In terms of total scouring volume across this reach, the implementation of an optimized operation scheme aimed at reducing downstream scouring resulted in increased sediment discharge from the reservoir and a total reduction of 24.47 million m3 in scouring volume, with an average annual reduction of 2.447 million m3. Overall, considering sediment peak regulation during the flood season can reduce downstream river channel scouring to a certain extent. Using hydrological and sediment data from 1991 to 2000 and considering both the joint operation of upstream cascade reservoirs and the optimized operation of the Three Gorges Reservoir for scouring reduction, the long-term water and sediment outflow processes of the reservoir were predicted and used as boundary conditions for long-term simulations of downstream scouring. A one-dimensional hydrodynamic and sediment transport model for the Yichang-Datong reach of the middle and lower Yangtze River was applied to predict the long-term evolution of downstream river channel scouring under optimized operation. The research findings can provide a reference for the optimized operation of the Three Gorges Reservoir.

Key words： downstream of the Three Gorges Dam; riverbed scouring; operation optimization; Three Gorges Reservoir

Cite this article

YUAN Yuan , WANG Xiang , FENG Zhi-zhou , HUANG Ren-yong , GUO Xiao , WANG Min . Preliminary Study on Optimizing the Operation Mode of the Three Gorges Reservoir to Reduce Riverbed Scouring Downstream of the Dam[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(8) : 27 -37 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240635

0 引言

三峡工程自2003年蓄水运用以来,发挥了防洪、发电、航运等综合效益,有力地支撑了长江流域经济社会可持续发展[1]。在三峡工程蓄水运用前,中下游干流河道冲淤变化已与来水来沙条件基本相适应[2]。然而,受上游水土保持减沙、三峡工程及上游干支流梯级水库蓄水拦沙等因素的共同影响,近年来进入长江中下游干流河道的泥沙明显减少,打破了中下游干流河道总体上保持的冲淤基本平衡态势,进而对长江中下游防洪形势、河势与岸坡稳定、供水与灌溉、航运安全等均产生了深远影响。韩其为等 [3]研究表明三峡水库下游河道长期冲刷导致长江水位降低和洞庭湖减淤等,在整体上对防洪有明显效益,但需要防止冲刷过程中的局部崩岸。卢金友等 [4]阐述了长江干支流水库群联合作用下长江中下游江湖关系响应机制。黄维等 [5]分析研究了三峡工程对洞庭湖水文、水质、泥沙淤积以及生态环境的影响。徐照明等[6]研究了长江中下游河道冲淤演变的防洪效应,重点分析了河道蓄泄能力变化对上游水库防洪调度过程及中下游地区不同河段超额洪量的影响。唐金武等[7]结合三峡建库前后实测资料,剖析水沙过程变化、洲滩变形对航道条件的影响。许全喜等[8]分析三峡工程运用以来长江中下游水沙变化和河道冲淤特征,深入研究了河槽大幅冲刷背景下对长江中下游河势调整、防洪安全、航道条件、沿江取水、江湖关系、长江河口等诸多方面的影响。三峡水库蓄水运用以来,随着水库运行条件的变化,调度方式一直处于持续优化过程中,众多学者围绕三峡水库汛期水位浮动[9-11]、中小洪水调度[12-14]、汛末提前蓄水[15-16]、汛期沙峰调度[17-19]、消落期减淤调度[20-21]、生态调度[22-23]等一系列优化调度方式开展了大量研究,指导了水库的长期优化运行。胡挺等[24]结合三峡水库面临的新变化与10 a来的运行实际情况,分析其调度方式变化对防洪蓄水、泥沙冲淤、抗旱补水、发电及生态等方面产生的影响。在泥沙调度方面,已有研究主要着眼于减少库区淤积、优化库区淤积形态等,以减少坝下游河道冲刷为目标的三峡水库调度方式优化研究则较少。
随着“清水”下泄,长江中下游河道将面临长河段、长历时的冲刷调整[25-26],研究如何通过三峡水库调度方式优化以减少坝下游河道冲刷正逐渐引起社会各界的关注,及时开展减少坝下游河道冲刷的三峡水库调度方式优化研究具有重要的现实意义。本文通过分析坝下游河道冲淤响应机理,研究提出有利于减少坝下游河道冲刷的三峡水库优化调度方式,并预测了优化调度方式下中下游河道冲刷长期演变趋势,研究成果可为三峡水库优化调度提供参考。

1 坝下游河道冲淤响应机理

1.1 各流量级下输沙量变化

分析了三峡水库建库前后坝下游各站流量-输沙量的关系,少沙河流中,流量-输沙量一般关系为Qs=aQb(Qs为输沙量,Q为流量,a为系数,b为指数)。这里系数a反映了泥沙的可搬运性,指数b代表了河流对泥沙的搬运或侵蚀能力,从水流挟沙能力的角度来看,a反映了泥沙因素的影响,而b反映了水力因素的影响。采用幂函数对枝城、沙市、监利、螺山、汉口、九江各站建库前、后不同时期流量与输沙量关系进行拟合,见图1。
图1 长江中下游各站日均流量-输沙量关系

Fig.1 Relationship between daily average flow and sediment transport at each station in the middle and lower reaches of the Yangtze River

对实测资料分析表明,长江中下游各河段代表性水文站输沙量均与流量有着较好的幂指数关系[27],建库后不同时期枝城、沙市、监利站a值明显减小,水流输沙能力显著降低,同时b值反映了大、小流量下输沙量的差异程度,b值增大也说明枯水期小流量对应输沙量减小程度大于大流量。建库前后螺山、汉口、九江站a值数量级未发生显著变化,而b值先增大后又有所减小且小于建库前,说明2008年以来,螺山、汉口、九江站大流量与小流量下输沙量的差距减小。
根据6站流量-输沙量关系可以发现,输沙量的变化与流量的相关性较好,因此对于长江中下游的泥沙调度,可以通过调控相应的流量过程来实现。

1.2 不同流量下河道冲淤变化

采用输沙量法计算建库后长江中下游沿程典型河段不同时期悬移质泥沙冲淤量W12=a1 Q 1 b 1-a2 Q 2 b 2,W12表示任意站区间悬移质泥沙冲淤量,a1、b1、a2、b2为参数,Q1、Q2表示上游、下游两站的流量,其中Q1=kQ2,系数k可根据实测资料率定求得。根据实测资料,建库后不同时期监利站与沙市站日均流量的比值无明显变化,系数k均为0.96。以沙市—监利河段为例,根据区间悬移质泥沙冲淤量统计分析沙市—监利河段对应不同流量下的悬移质冲淤量,见图2。2004—2007年、2008—2012年、2013—2018年的沙市—监利冲淤量y与沙市站日均流量x的关系分别为:
y = 6.02 × 10 - 11 x 2.785 - 4.316 × 10 - 9 x 2.363 　 ,    
y = 1.308 × 10 - 14 x 3.569 - 8.549 × 10 - 10 x 4.482 　 ,
y = 6.925 × 10 - 23 x 5.453 - 4.253 × 10 - 12 x 2.989 　 。
由图2可知,对于沙市—监利河段,沙市流量在20 000~25 000 m3/s时,该河段冲刷量最大,这个流量相当于该河段的造床流量。因此为减小冲刷应控制该河段造床流量的持续时间。
图2 沙市-监利河段不同时期悬移质泥沙冲淤量与沙市流量关系

Fig.2 Relationship between erosion and deposition of suspended sediment load of Shashi-Jianli reach and discharge at Shashi Station during different periods

2 有利于减少坝下游河道冲刷的三峡水库调度方式优化研究

2.1 汛期防洪过程中的调度方式优化

选取三峡水库蓄水运用后典型场次洪水过程,对三峡水库排沙比与水沙的响应关系进行了分析(见图3),由图3可见,三峡水库汛期场次洪水排沙比(Sediment Discharge Ratio,SDR)与入库平均流量Qin和洪水滞留系数V/Qin(V为平均滞洪库容,为坝前某一水位下的总库容,可根据水位库容曲线求出)的相关关系较好。因此三峡水库汛期场次洪水排沙比调度应以调节入库流量和坝前水位为主,汛期沙峰入库期间增大出库流量,有助于降低坝前水位增大出库沙量。为增大汛期出库沙量,三峡水库在2012年、2013年、2018年、2020年汛期均开展了沙峰排沙调度,利用库区沙峰传播速度滞后于洪峰的洪峰沙峰异步传播特性,在沙峰即将达到坝前时增大下泄流量提高了排沙比,开展沙峰调度与未开展沙峰调度的2010年汛期场次洪水排沙比相比,开展沙峰调度后三峡水库沙峰过程排沙比均有所提高(见表1)。
图3 三峡水库场次洪水排沙比与入库平均流量及洪水滞留系数关系

Fig.3 Curves of SDR versus average inflow and flood detention coefficient during flood events at the Three Gorges Reservoir

表1 实测场次洪水排沙比统计

Table 1 Statistics of measured flood events and SDR

年份 沙峰入库
时间		 坝前平均
水位/m		 沙峰调度期间
最大控泄流量/
(m3·s-1)		 排沙
比/%		 备注
2010 7月13日—
8月4日		 156.30 — 20 未开展沙
峰调度
2012 7月14—
29日		 158.77 38 800、45 800 36 开展了2次
沙峰调度
2013 7月11—
18日		 150.00 35 000 31 开展了1次
沙峰调度
2018 7月11—
17日		 152.94 43 300 29 开展了1次
沙峰调度
2020 8月13—
24日		 160.81 49 000 27 开展了1次
沙峰调度
汛期大水大沙期间是长江中下游发生冲刷的主要时间段,故本次选择2012年汛期防洪过程开展研究。根据实测资料,三峡水库2012年汛期先后进行了5次防洪运用,最大入库流量71 200 m3/s,出现在7月24日20时。主汛期6—9月份,长江上游先后出现4次洪峰过程,长江中游出现1次洪峰过程。在确保防洪安全的前提下,实施了中小洪水调度。三峡水库开展中小洪水调度的启动条件,是沙市站或城陵矶站将超警戒水位而三峡水库库水位仍然较低。2012年洪水调度过程中又实时开展了三峡水库汛期沙峰调度试验,在防洪的同时兼顾了排沙减淤。2012年汛期入出库流量及沙峰输移过程见图4。
图4 2012年汛期三峡入出库流量、库水位过程及水沙过程

Fig.4 Inflow,outflow,and reservoir water level variations and water-sediment processes of the Three Gorges Reservoir during the 2012 flood season

故针对2012年汛期7月上中旬、7月下旬的2次沙峰调度过程,通过拟定不同的计算方案,研究不同调度方式下三峡水库排沙比、出库沙量,以及坝下游冲刷的变化规律,进而提出有利于减小坝下游冲刷的三峡水库优化调度方式。其主要思想原理为“以减冲为目标进行调沙,以调沙为目标进行调水,以调水为手段实现调沙”。方案计算采用长江科学院自主研发并经过实测资料验证的三峡水库干支流河道一维非恒定流水沙数学模型,模型可实现水库干支流河道泥沙冲淤与水库调度的一体化同步模拟计算,模型方法、验证、应用等情况可参见文献[28]、文献[29]。
共拟定9个方案,具体方案见表2,各方案坝前水位过程见图5。
表2 调度方案统计

Table 2 Statistics of scheduling schemes

分类 方案 方案说明
不同持续时间(第2次沙峰过程控泄46 000 m3/s分别持续9、12、15 d) 方案
A-1		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
4 6000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-2		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
46 000 m3/s (7月23—8月3日共12 d)
方案
A-3		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
4 6000 m3/s (7月23日—8月6日共15 d)
不同下泄流量(第2次沙峰过程分别控泄46 000、48 000、50 000、55 000 m3/s) 方案
A-1		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-4		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
48 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-5		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
50 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-6		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
55 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
不同持续时间(第1次沙峰过程控泄40 000 m3/s分别持续9、13、16 d) 方案
A-1		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-7		 40 000 m3/s (7月5—17日共13 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-8		 40 000 m3/s (7月5—20日共16 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
不同下泄流量(第1次沙峰过程分别控泄40 000、42 000 m3/s) 方案
A-1		 40 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
方案
A-9		 42 000 m3/s (7月5—13日共9 d)+
46 000 m3/s (7月23—31日共9 d)
图5 不同方案坝前水位过程

Fig.5 Water level variations in front of the dam under different operation schemes

主要针对汛期7月份两次沙峰过程,拟定不同的控泄流量、不同持续时间条件下的调度方式,其他时段采用《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》中的调度方式。根据实测资料,在沙峰调度期间,宜昌—枝城区间流量在800 m3/s以内,故枝城站流量主要受三峡出库流量影响。根据三峡水库对荆江补偿调度方式,荆江河段安全泄量为满足沙市44.5 m、城陵矶33.95 m水位的相应枝城流量为56 700 m3/s,表2中本研究拟定各方案的三峡出库流量最大为55 000 m3/s,考虑宜昌—枝城区间流量后,枝城流量均没有超过56 700 m3/s,不会增加荆江河段防洪压力。
按实际调度过程控制,2012年三峡水库出库沙量为3 850万t,与实际调度结果相比,方案A-1至A-9出库沙量可增加236~609万t,可见,各优化方案均增大了三峡水库出库沙量,有助于减少库区淤积。不同调度方式下三峡水库出库沙量和排沙比对比见表3。
表3 三峡水库出库沙量和排沙比对比(2012年典型年)

Table 3 Comparison of sediment discharge and SDR from the Three Gorges Reservoir among different schemes (in typical year 2012)

分组 方案 出库沙量/(万t) 排沙比/%
7月份 7—9月份 全年 7月份 7—9月份 全年
1 方案A-1 3 052 4 065 4 086 28.1 21.4 18.7
方案A-2 3 052 4 117 4 139 28.1 21.6 18.9
方案A-3 3 052 4 311 4 333 28.1 22.7 19.8
2 方案A-1 3 052 4 065 4 086 28.1 21.4 18.7
方案A-4 3 193 4 171 4 193 29.4 21.9 19.2
方案A-5 3 321 4 263 4 285 30.6 22.4 19.6
方案A-6 3 601 4 437 4 459 33.2 23.3 20.4
3 方案A-1 3 052 4 065 4 086 28.1 21.4 18.7
方案A-7 3 077 4 090 4 111 28.4 21.5 18.8
方案A-8 3 095 4 106 4 128 28.5 21.6 18.9
4 方案A-1 3 052 4 065 4 086 28.1 21.4 18.7
方案A-9 3 118 4 131 4 152 28.7 21.7 19.0
由表3可知,从第一次汛期沙峰过程的调度方案A-1、方案A-7—方案A-9的对比情况来看:由方案A-1与方案A-7、A-8成果可知,若在7月5日之后控制40 000 m3/s分别持续9、13、16 d,相对方案A-1而言,方案A-7和A-8水库出库沙量和排沙比均有所增加,全年出库沙量分别增加25万t、42万t。由方案A-1和方案A-9成果可知,若在7月5日之后持续9 d分别控泄流量40 000、42 000 m3/s,相对方案A-1而言,方案A-9水库出库沙量增加66万t,排沙比相应也有所增加。第二次汛期沙峰过程的调度方案A-1,方案A-2—方案A-6的对比情况与第一次类似,由此可见,增大沙峰期水库最大下泄流量和延长最大下泄流量持续时间均有利于增大三峡水库出库沙量和排沙比,且增大沙峰期水库最大下泄流量效果更明显。因此,为了减少库区淤积,当沙峰期出库含沙量较大时,应尽量加大泄量以增大排沙效果;当出库含沙量减小后,继续维持较大的下泄流量,排沙效果增大并不明显,可能存在排沙水量的“高耗低效”现象;沙峰期时长主要根据沙峰过程含沙量大小及其变化趋势确定,并采用水沙相关关系、经验公式、一维水沙数学模型等多种手段相结合的方法进行预测。
在2016年实测地形基础上,采用长江科学院自主研发的坝下游宜昌至大通河段一维水沙数学模型,计算得到不同方案坝下游河段的冲刷过程,见表4,模型方法、验证、应用等情况可参见文献[30]。由表4可知,基于相同的2012年典型年入库水沙过程,采用不同的调度方式后,长江干流宜昌至大通河段总体呈冲刷趋势。
表4 不同方案宜昌至大通河段冲淤量对比(2012年典型年)

Table 4 Comparison of erosion and deposition volumes in Yichang-Datong river reach under different schemes (in typical year 2012) 万m3

分
组		 方案 宜昌—
藕池口		 藕池口—
城陵矶		 城陵矶—
武汉		 武汉—
湖口		 湖口—
大通		 宜昌—
大通
1 方案A-1 -5 482 -2 231 -2 767 -2 283 -2 584 -15 346
方案A-2 -5 510 -2 295 -2 726 -2 277 -2 557 -15 365
方案A-3 -5 518 -2 366 -2 670 -2 268 -2 544 -15 366
2 方案A-1 -5 482 -2 231 -2 767 -2 283 -2 584 -15 346
方案A-4 -5 494 -2 261 -2 736 -2 275 -2 578 -15 344
方案A-5 -5 514 -2 295 -2 687 -2 259 -2 560 -15 315
方案A-6 -5 584 -2 313 -2 591 -2 189 -2 552 -15 230
3 方案A-1 -5 482 -2 231 -2 767 -2 283 -2 584 -15 346
方案A-7 -5 487 -2 234 -2 778 -2 273 -2 598 -15 370
方案A-8 -5 491 -2 237 -2 763 -2 262 -2 620 -15 372
4 方案A-1 -5 482 -2 231 -2 767 -2 283 -2 584 -15 346
方案A-9 -5 451 -2 240 -2 728 -2 283 -2 587 -15 287

注:负值代表冲刷。

从第一次汛期沙峰过程的调度方案A-1、方案A-7—方案A-9的对比情况来看:相对方案A-1而言,方案A-7和A-8宜昌至大通河段的总冲刷量有所增加,分别增加24万、26万m3,方案A-9坝下游总冲刷量减少59万m3;从第二次汛期沙峰过程的调度方案A-1,方案A-2—方案A-6的对比情况来看:相对方案A-1而言,方案A-2、A-3宜昌至大通河段的总冲刷量有所增加,分别增加19万、20万 m3。相对方案A-1而言,方案A-4、A-5、A-6坝下游总冲刷量分别减少2万、31万、116万m3。
由此可见,坝下游河道的冲刷既与上游出库沙量有关,也与出库流量及过程有关。增大沙峰期水库最大下泄流量、减少最大下泄流量持续时间均有利于减少坝下游河道的冲刷;且增大沙峰期水库最大下泄流量减少冲刷的效果相对更明显。因此,为了减少下游河道的冲刷,在汛期应控制下泄流量不要太小。

2.2 中小洪水调度方式优化

选择2013年典型年开展三峡水库中小洪水调度方式优化研究,由实测资料可知,最大入库流量49 000 m3/s,坝前最高水位155.78 m。入出库水沙过程及坝前水位见图6。
图6 2013年6月1日—8月31日入出库水沙过程及坝前水位过程

Fig.6 Variations of water and sediment inflow and outflow and water level in front of dam from June 1 to August 31, 2013

选取2013年为典型年,在保障防洪安全的前提下,研究不同调度方式条件下三峡水库排沙比的变化规律,分析其对坝下游河道冲刷的影响。以Zku表示库水位,Qin表示入库流量,Qout表示出库流量,Qman表示满发流量,具体调度方案如下:

2.2.1 方案B-1

Zku=150~155 m时,最大控泄流量为40 000 m3/s。即当Zku<150 m时,若Qin<Qman(约31 000 m3/s),则取Qout=Qin;若Qin≥Qman,则取Qout= Qman;当Zku=150~155 m时,若Qin<40 000 m3/s,则取Qout=Qman;若Qin≥40 000 m3/s,则取Qout=40 000 m3/s。

2.2.2 方案B-2

Zku=150~155 m时,最大控泄流量为35 000 m3/s。即当Zku<150 m时,若Qin<Qman(约31 000 m3/s),则取Qout=Qin;若Qin≥Qman,则取Qout=Qman。当Zku=150~155 m时,若Qin<35 000 m3/s,则取Qout=Qman;若Qin≥350 000 m3/s,则取Qout=35 000 m3/s。
上述方案的拟定以2019年修订的三峡水库最新调度规程为依据,并考虑库水位在150~155 m之间时最大控泄流量的不同。需要强调的是,三峡水库中小洪水调度一般控制在库水位155 m以下,实时调度时根据当时的水情工情和预报,可能会短时超过这个水位,因此,本研究拟定的不同方案及实际调度均应控制三峡水库在155 m库水位以下进行中小洪水调度。不同调度方式下三峡库区的泥沙淤积量、出库泥沙量和排沙比情况见表5。总体来看,汛期中小洪水调度采用不同的控泄流量时,对库区的泥沙淤积、出库泥沙量及排沙比都有一定的影响,即随着控泄流量的增加,库区泥沙淤积量逐渐减少,出库泥沙量逐渐增加,库区排沙比也逐渐增加。方案B-1相对B-2全年库区淤积量减少48万m3,出库沙量增加42万t,排沙比增加0.6%。
表5 不同方案三峡水库淤积量、出库沙量及排沙比(2013年典型年)

Table 5 Sedimentation volume, sediment discharge, and sediment discharge ratio of the Three Gorges Reservoir under different schemes (in typical year 2013)

月份 淤积量/(万m3) 出库沙量/(万t) 排沙比/%
方案
B-1		 方案
B-2		 方案
B-1		 方案
B-2		 方案
B-1		 方案
B-2
7 7 256 7 291 1 854 1 813 17.9 17.6
8 1 116 1 128 96 96 9.2 9.1
9 435 435 10 10 3.0 2.9
7—9 9 643 9 692 1 978 1 936 15.6 15.3
全年 8 807 8 855 1 960 1 918 30.2 29.6
不同方案宜昌至大通各河段冲淤变化如图7所示。由图7可以看出:基于相同的2013年典型年入库水沙过程,采用不同的调度方式后,长江干流宜昌至大通河段总体呈冲刷趋势。以方案B-1为例,整个典型年过程后宜昌至大通全河段悬移质总冲刷量为9 072万m3,其中宜昌至城陵矶河段冲刷量为5 616万m3。从不同方案宜昌至大通全河段总冲刷量来看,控泄流量越大,出库沙量越多,则坝下游总冲刷量越少,方案B-1相对B-2冲刷量减少23万m3。从不同分河段的冲淤变化规律来看,随着控泄流量的减小(40 000 m3/s➝35 000 m3/s),宜昌至藕池口河段冲刷量逐渐增加(4 763万m3➝4 807万m3),藕池口至城陵矶河段冲刷量则逐渐减小(853万m3➝803万m3),城陵矶以下河段冲刷量均为增加趋势。
图7 2013年典型年不同方案宜昌至大通各河段冲淤变化

Fig.7 Changes in erosion and sedimentation in different river sections from Yichang to Datong under different schemes in typical year 2013

总体来看,汛期采用不同中小洪水调度方式时,对坝下游河道的冲刷有一定的影响,控泄流量相对较大时,可一定程度上减少河道的冲刷。

2.3 汛期有利于减少坝下游冲刷的水库长期调度方式优化研究

根据上述研究,在保障防洪安全的前提下,汛期实施沙峰调度有利于减少坝下游河道的冲刷。选取2008—2017年典型系列年,考察有利于减少坝下游冲刷的三峡水库调度方式优化的效果。
《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》中“5.2.3节中减轻中游防汛压力的中小洪水调度方式”的调度控制条件主要是坝下游沙市水位、城陵矶水位,汛期中小洪水调度期间控制调洪最高水位为150.0 m,而2008年以来三峡水库汛期中小洪水调度坝前最高调洪水位一般都高于150.0 m。为便于实现本项目研究目的,同时又能抬高汛期库水位以尽量模拟出三峡水库175 m试验性蓄水运用以来汛期库水位变化过程,本研究方案C-1针对汛期中小洪水的优化调度方式调度条件与最新调度规程中“5.2.3节中减轻中游防汛压力的中小洪水调度方式”有所不同。为避免混淆,本研究将“三峡水库中小洪水调度”的一般说法改为“三峡水库针对中小洪水的汛期优化调度方式”。

2.3.1 方案C-1调度方式

参考《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》和近年来的三峡水库试验性蓄水计划批复意见,拟定方案C-1的调度方式,具体为:①Zku<150 m时,Qin<Qman(约31 000 m3/s),则取Qout=Qin;Qin≥Qman,则取Qout=Qman。②150 m≤Zku<155 m时,Qin<42 000 m3/s则取Qout=Qman;Qin≥42 000 m3/s,则取Qout=42 000 m3/s。③155 m≤Zku<171 m时,Qin<42 000 m3/s,则取Qout=42 000 m3/s;Qin≥42 000 m3/s,则取Qout=55 000 m3/s;④171 m≤Zku<175 m时,Qin<55 000 m3/s,则取Qout=55 000 m3/s;55 000 m3/s≤Qin<83 700 m3/s,则取Qout=60 000 m3/s;Qin≥83 700 m3/s,则取Qout=78 000 m3/s;⑤Zku≥175 m时 Qout=Qin;9月10日水位按不超150 m控制;9月30日水位按165 m控制,10月底按175 m控制;9月份出库流量不小于10 000 m3/s,10月份不小于8 000 m3/s;11月份至次年4月份:出库流量按不小于6 000 m3/s控制;5月25日库水位按不超155 m、6月10日库水位按146 m控制,中间均匀过渡。

2.3.2 方案C-2调度方式

方案C-2在方案C-1的基础上进一步增加优化后的沙峰调度。考虑到三峡控泄流量过大,虽然有利于排沙也有利于减少坝下游河道冲刷,但有可能引起沙市水位超警,故综合考虑防洪安全、当前调度实际、有利于减小坝下游河道冲刷等需求,本研究选择42 000 m3/s作为有利于减小坝下游河道冲刷的三峡水库沙峰调度控泄流量综合权衡值。
选取2008—2017年三峡水库实测入库水沙过程,研究方案C-1、方案C-2调度条件下库区出库沙量、排沙比和坝下游河道冲刷的变化规律。采用2008—2017年实测水沙系列后,未来10 a三峡水库采用出库沙量计算结果见表6。
表6 三峡水库出库沙量和排沙比

Table 6 Sediment discharge volume and sediment discharge ratio from the Three Gorges Reservoir

年份 入库沙量/
(万t)		 全年出库沙量/(万t) 全年排沙比/%
方案C-1 方案C-2 方案C-1 方案C-2
2008 23 150 2 112 2 715 9.1 11.7
2009 18 302 2 284 3 090 12.5 16.9
2010 22 903 3 826 4 397 16.7 19.2
2011 10 156 456 457 4.5 4.5
2012 21 863 4 211 4 588 19.3 21.0
2013 12 683 1 889 2 678 14.9 21.1
2014 5 539 1 222 1 196 22.1 21.6
2015 3 205 378 371 11.8 11.6
2016 4 213 725 715 17.2 17.0
2017 3 455 503 498 14.6 14.4
平均值 12 547 1 761 2 070 14.0 16.5
由表6可见,在目前的优化调度方式C-1条件下,未来10 a三峡水库年均出库沙量为1 761万t,平均排沙比为14.0%;本次增加考虑汛期沙峰调度优化后的方案C-2条件下,水库年均出库沙量为2 070万t,平均排沙比为16.5%;年均出库沙量增加了309万t,增幅17.5%,排沙比增加了2.5%。因此,在现有调度方式基础上考虑汛期沙峰调度的方案有利于增加水库的出库沙量和排沙比。
基于2008—2017年三峡水库不同优化调度方案下的下泄水沙过程,不同方案坝下游河段的冲刷过程见图8所示。采用不同的调度方式后,长江干流宜昌至大通河段总体呈冲刷趋势。以方案C-1为例,10 a过程后宜昌至大通全河段悬移质总冲刷量为111 399万m3,其中宜昌至城陵矶河段冲刷量为70 475万m3。从宜昌至大通全河段总冲刷量来看,实施减少下游冲刷的优化调度方案C-2后,水库下泄沙量增加,则坝下游总冲刷量有所减少。与方案C-1相比,方案C-2全河段冲刷量减少3 447万m3,年均减少344.7万m3。从不同分河段的冲淤变化规律来看,优化调度后,宜昌至藕池口河段冲刷量减少较多,为1 046万m3,藕池口至城陵矶河段冲刷量略有增加,城陵矶以下河段冲刷量均有所减小。总体来看,汛期考虑沙峰调度后可以在一定程度上减少坝下游河道的冲刷。
图8 2008—2017年典型系列年不同方案宜昌至大通各河段冲淤变化

Fig.8 Scour and deposition changes in each river reach from Yichang to Datong under different schemes during the typical series of years (2008-2017)

3 水库优化调度方式下坝下游河道冲刷长期演变趋势

建立长江上游梯级水库联合调度泥沙数学模型,采用1991—2000年水沙系列(简称90系列),考虑上游梯级水库联合运用及减少冲刷的三峡水库优化调度方式,预测得到三峡水库长期出库水沙过程,作为坝下游河道长期冲刷预测计算条件,上游梯级水库中共考虑了金中、金下、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江共29座梯级水库的蓄水拦沙影响。采用长江中下游宜昌至大通长河段一维水沙数学模型,开展新优化调度方式下坝下游河道冲刷长期演变趋势研究。
数学模型计算结果表明(见图9),梯级水库联合运用40 a末,长江干流宜昌至大通河段悬移质累计总冲刷量为46.04亿m3,其中宜昌至城陵矶河段冲刷量为27.92亿m3,城陵矶至武汉段为12.86亿m3,武汉至大通段为5.26亿m3。未来40 a间的1~10 a、11~20 a、21~30 a、31~40 a的预测年均冲刷量为1.63、1.18、1.05、0.74亿m3/a,相对近期10 a冲刷强度有所减少(宜昌至大通河段2003—2017年的实测年均冲刷量为1.68亿m3/a)。各分段均呈冲刷趋势,与实际冲淤性质一致,年均冲刷量接近或小于实测值。总体来看,冲淤分布趋势与实测值分布相近,预测成果基本可信。宜昌至大通河段每10 a间冲刷量和冲刷速率逐渐减少,但各分段的冲淤趋势不完全相同。目前除了宜昌河段,宜都河段基本达到冲淤平衡状态外,其他河段仍将继续处于冲刷发展趋势。
图9 宜昌至大通河段年均冲淤量变化对比

Fig.9 Comparison of annual average erosion and deposition of Yichang-Datong river reach

4 结论

采用实测资料和数学模型计算相结合的方法,开展了减少坝下游河道冲刷的三峡水库调度方式优化初步研究,主要研究结论如下:
(1)长江中下游各河段代表性水文站输沙量均与流量有着较好的幂指数关系,建库后不同时期枝城、沙市、监利站水流输沙能力显著降低,枯水期小流量对应输沙量减小程度大于大流量。2008年以来,螺山、汉口、九江站大流量与小流量下输沙量的差距减小。对于沙市—监利河段,沙市流量在20 000~25 000 m3/s时,该河段冲刷量最大,这个流量相当于该河段的造床流量,因此为减小冲刷应控制该河段造床流量的持续时间。
(2)针对坝下游减冲目标,提出了“以减冲为目标进行调沙,以调沙为目标进行调水,以调水为手段实现调沙”的泥沙调度思想,选择汛期典型洪峰沙峰过程和典型系列年进行了不同泥沙调度方案的数学模型计算,计算结果表明,汛期采用不同中小洪水调度方式时,对坝下游河道的冲刷有一定的影响,控泄流量相对较大时,可一定程度上减少河道的冲刷,预测了优化调度条件下坝下游宜昌至大通河段长期冲刷演变趋势。

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