三峡工程运行后泥沙问题的分析与处理

三峡工程运行后泥沙问题的分析与处理

1水库运行及径流三峡水库是中国最大的大型多目标水库工程。这是长江经济带管理和发展的一项重要骨干工程。三峡水库正常蓄水位175m,总库容393亿m3;水库全长600余千米,平均宽度1.1km;水库面积1084km2。具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。三峡工程于2003年6月1日正式蓄水,首批机组开始发电,双线五级船闸通航,水库低水位运行,发挥初期的防洪效益。三峡工程位于长江上游干流三峡河段,控制流域面积约100万km2,水库年径流丰富,主要集中在汛期。水库上游主要入库水文站寸滩站和坝下游宜昌水文站年径流量多年平均值为3500亿m3和4400亿m3,79%的径流量集中在汛期5～10月。河道泥沙输移以悬移质运动为主,年输沙量较大。寸滩站悬移质年输沙量的多年平均值为4.67亿t(1953～1989年),宜昌站为5.3亿t(1950～1984年)。寸滩站多年平均含沙量为1.33kg/m3,宜昌站为1.2kg/m3。泥沙输移集中在汛期5～10月,输沙量占全年的95.5%。多年平均悬移质中值粒径寸滩站为0.036mm,宜昌站为0.034mm。河道推移质输移量不大。宜昌站沙质、砾石(1.0～10mm)和卵石(粒径大于10mm)推移质年输移量多年平均值分别为874、32万t和75.8万t。2实践的成果与成果三峡工程泥沙问题是关系到三峡工程长期正常运行与效益的重要关键技术问题之一,涉及水库寿命,库区淹没,库尾段航道、港区的演变,坝区船库、电站的防沙排沙,以及枢纽下游河床冲刷、水位降低、河道演变对防洪和航运的影响等一系列重要而复杂的技术问题。由于三峡工程泥沙问题十分复杂,无论在三峡工程的论证阶段,还是在建设阶段,各有关主管部门都给予了高度重视,投入了大量的人力、物力和财力,对其进行了长期而卓有成效的探索和研究。并在1993年成立了三峡工程泥沙专家组,以加强对此项工作的咨询与指导。三峡工程泥沙问题主要包括水库泥沙淤积与长期使用、变动回水区(重庆主城区)泥沙淤积以及坝下游河床冲刷等3个大方面的问题。三峡工程泥沙问题的初步研究开始于20世纪50年代,但大规模和详细的研究一直到80年代才进行。在三峡工程可行性论证过程中,泥沙问题是8个主要的科学技术问题中的一个。经过几十年来的全面研究,已取得系统的研究成果。在三峡工程泥沙问题研究过程中,主要采取原型观测调查、数学模型计算和实体模型试验相结合的途径,已取得显著成效,并且还推动了整个泥沙学科的发展。经过多年的探索和发展,我国的泥沙实体模型试验在相似理论和试验技术上都不断前进和提高,泥沙数学模型在广泛应用中也取得新的进展,同时众多水利工程的运行实践为工程泥沙研究积累了系统的大量的原型资料。水利建设的发展推动并促进了我国泥沙学科的进步,使我国在以原型观测调查、泥沙数学模型计算、泥沙实体模型试验紧密结合的工程泥沙研究方面达到了较高水平。3水文泥沙原型观测工作三峡工程泥沙问题,关系重大,涉及面很广,从工程规划、设计施工到建成后需长期研究观测、验证、处理。经过30多年的观测与研究,许多问题已基本清楚,经过专家论证、可行性报告和初步设计审查认为是可以解决的。但考虑到泥沙问题的复杂性和不确定性,以及对三峡工程及库区、下游河道的重大影响,其设计参数和计算,模型试验成果有待于施工期和运行期长期原型观测、验证,不断调整修改,才能取得较满意的定量数据,从而确定调度运行方式及防治工程措施。因此,三峡工程泥沙研究应长期进行,研究手段要采取现场观测、室内试验和数值模拟及理论分析相结合。泥沙原型观测是物理模型试验和数值模拟及理论分析的唯一重要基础,对于工程建设进度、调度运行和泥沙研究条件的确定都是十分重要的。国家对三峡工程水文泥沙原型观测与泥沙研究工作高度重视,在三峡工程施工期(1993～2009年)共计划投入3.5亿元进行广泛、深入、连续原型观测,以验证长江水利委员会的设计。资金分别来自三峡工程概算(中国长江三峡工程开发总公司管理)和政府投入(水利部管理),具体观测委托长江水利委员会水文局进行。截止到2005年年底的统计,共计完成投入约2.1亿元,完成水文(泥沙)观测530余站年,水下地形测量约11300km2,河床泥沙取样分析24900线次,河道固定断面观测7751个次。三峡工程水文泥沙原型观测工作始终贯穿于工程的论证(1993年以前)、设计与施工(1993～2009年)、蓄水运行期(2010年以后)等各个阶段。论证期主要针对泥沙研究进行观测包括类比观测,设计与施工、蓄水运行期根据国家审定的相关规划、任务书及实施方案开展观测,鉴于目前计划中的观测属于宏观性的观测,具有基础性,对复杂的问题将补充进行专题性水沙规律观测。3.1泥沙对工程运行服务论证阶段的观测主要为论证阶段的泥沙研究服务,工程开工后的观测主要为工程建设与运行服务,三峡工程2003年开始135m蓄水后,上下游的泥沙问题逐渐显现,观测目的将更为具体,原型观测及相应的泥沙研究的目的是直接为工程运行服务,为优化水库调度、尽量发挥工程效益和减少负面影响提供科学依据。其目的主要包括:(1)全面掌握蓄水以前上下游河道天然状况的本底资料;(2)为论证确定分期蓄水方案提供依据;(3)实时监测蓄水后上下游的冲淤变化,及时发现问题,以便采取对策;(4)验证采用过的模拟技术(包括主要参数),进一步提高三峡工程泥沙预报的可靠度。上述问题在2009年之后,还需要继续观测与分析研究,以便为优化水库调度提供资料。3.2观测区域三峡工程水文泥沙原型观测范围包括三峡水库库区、坝区(包括三峡近坝段和三峡—葛洲坝两坝间)和坝下游宜昌至湖口段等3大部分。3.2.1三峡水库库区观测河段范围,依工程的进展和坝前不同围堰水位回水范围而定。(1)流量切断了库区干流大坝—朱沱,长约753km,支流15条,长约651km。(2)河流中断后2.3a内。库区干流大坝—复兴场,长约237km,支流7条,长约80km。(3)第一个发电前库区干流大坝—李渡镇,长约494km,支流10条,长约210km。(4)项目完成前库区干流大坝—铜锣峡,长约600km,支流12条,长约296km。3.2.2坝上庙河—三峡坝区三峡坝区观测范围由庙河—莲沱,长约31km,其中坝上庙河—大坝,长17km,坝下大坝—莲沱,长约14km。两坝间莲沱—葛洲坝,长约26km。3.2.3瞳湖采用东、南、西2个湖泊,型三峡坝下游观测包括:①坝下游干流宜昌—湖口河段,长约1010km;②洞庭湖湖区(包括东、南、西3个湖泊),面积约为2700km2;③三口洪道即松滋河、虎渡河、藕池河,全长约911km。3.3试验成果的获得建国以来,经过长期的泥沙测验、河道观测和勘测调查,积累了大量的原型观测资料和分析研究成果,满足了规划、设计、科研的需要。为配合三峡工程不同阶段的研究工作,开展了以下主要观测与分析工作。3.3.1悬沙验算及实测工作此阶段本着“积极准备,充分可靠”和“雄心不变,加强科研”的精神,开展了以下工作:(1)加强长江干支流控制性水文测站悬移质泥沙测验和颗粒级配分析工作,并对建国以来悬沙测验资料进行整编;(2)研究改进推移质泥沙测验技术,包括研制测验仪器、率定采样效率,并在寸滩站开展卵石推移质测验;(3)开展三峡水库库区典型河段,如奉节臭盐碛峡口滩、重庆猪儿碛、嘉陵江河口段泥沙问题等观测研究,为研究三峡水库变动回水区航道、港区泥沙问题,提供重要验证和参考资料;(4)开展长江泥沙运动观测、试验研究,如重庆河段同位素示踪标记卵石试验,长江中游沙波测验研究,水流挟沙力测验研究等。3.3.2泥沙输沙特性分析及相关问题分析1971～1983年为葛洲坝水利枢纽建设阶段,也是为三峡工程作实战准备阶段。(1)在长江干流控制性水文测站朱沱、寸滩、万县、宜昌及新厂等站,开展近底层悬沙测验,查明各站历年实测大于0.1mm的床沙质泥沙年输沙量及误差。同时分析了干支流主要控制站的悬移质矿物成份和沙粒磨圆度。(2)在朱沱、寸滩、万县、奉节和宜昌等站开展卵石推移质测验,在宜昌、奉节等站开展沙推移质测验。(3)分析研究了长江上游流域产沙(悬沙)特性及来沙量变化,包括长江上游强产沙区分布和面积、泥沙输移特性、来沙量与来水量的关系等。(4)开展宜昌以下长江干流河床组成普查、取样分析。(5)开展葛洲坝水库淤积及下游冲刷观测,分析坝下游河道的水位流量关系变化情况。(6)开展了库区部分水道地形、固定断面等观测。3.3.3观测仪器及成果在以往工作的基础上,针对主要工程泥沙问题,系统地开展了以下原型观测及原型观测新技术研究。(1)川江推移质观测及测验方法研究。提出了以下分析研究成果:长江河流泥沙的产沙、输移和沉积特性分析;长江上游干流卵石推移质输沙特性分析;长江上游干流寸滩水文站砾石推移质(1～10mm)测验分析;网式卵石推移质采样器研究;Y64型卵石推移质采样器原型采样效率分析;卵石推移质采样器比测及新型采样器研制;推移质采样器水槽率定中的比尺效应问题;关于推移质测验垂线布设和取样历时确定方法的研究;长江河流泥沙原型观测及观测技术研究等。(2)葛洲坝库区冲淤及浅滩航道观测与研究。(3)葛洲坝工程下游观测与研究。(4)原型观测新技术研究与应用。提出了以下研究成果:长江河道测绘系统(包括长江CHC-Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型河道测绘系统)的开发与应用;长江河道、水库观测资料的电算整编;无人立尺地形测量方法的研究等。(5)三峡水库来水来沙条件的分析研究。(6)三峡前期专项观测研究。包括重庆河段走沙过程观测,寸滩站沙推移质测验及新型采样器研制等。3.4系统观测边界条件变化情况的对策施工期是承上(改变天然条件)启下(建成蓄水运用)的过渡期,且施工期长达17a,必须系统连续观测水沙及边界条件的变化情况,不但为设计、科研、施工运行提供依据,也为验证和优化设计、调度提供依据。3.4.1地形、河段水文观测库区观测包括基本控制网及加密控制网布设与测量、库区干支流水道地形、库区河段干支流固定断面观测(并间取床沙)、库区干支流水位观测、进库水沙测验、重庆河段走沙过程观测、重庆市主城区河段河道演变观测,朱沱—丰都(包括嘉陵江)河床组成勘探与调查等。3.4.2冲淤观测观测坝区观测包括加密控制网布设与测量,坝区水道地形观测及固定断面观测,导流明渠冲淤观测,临时船闸冲淤观测(水下地形、固断、流速分布测验、水面流速流向、引航道悬沙颗分),一、二期围堰观测,坝区水位观测,黄陵庙站水文测验,大坝至葛洲坝河段冲淤观测(水道地形、水面流速流向、固定断面、推移质泥沙测验)等。3.4.3河段地形观测坝下游观测包括长江干流宜昌—湖口(或城陵矶)水道地形及固定断面(并间取床沙)观测,荆江河段重点险工地形观测,荆江重点浅滩观测,重点河段河床演变观测,三口分流分沙观测,坝下游水位下降、沿程水面线变化观测,洞庭湖水道地形及固定断面(并间取床沙)观测,三口洪道水道地形及固定断面观测(并间取床沙),坝下游河段河床组成勘探与调查,枝城站与沙市站推移质测验等。3.4.4水情预报系统总体规划其他水文勘测工作包括:①监测资料数据库系统研制及应用管理;②水情预警系统初步设计;③水库淤积及下游冲刷系统初步设计;④水情预报方案补充;⑤水文补充分析计算;⑥内业资料系统整理、观测分析等6项内容。4观测和技术方法4.1文明信息和技术,把观测打造成文基描述,文三峡工程水文泥沙原型观测工作,主要依据国家有关测验标准和行业规范、技术规定执行,按照ISO9001质量体系实施了严格的质量控制措施,制订了较为科学的质量管理制度。观测实施原则包括如下方面。(1)根据已批准的水文勘测经费相应的项目及工作量进行每年按协议实施。(2)水文泥沙观测应贯穿于整个工程活动的全过程,切实做到施工期观测与运行期观测相结合、相衔接。以满足变动回水区航道及港口整治(含坝下游河道下切影响及对策)设计、施工阶段及水库运行期泥沙问题研究、处理和验证等的需要。(3)监测范围与内容应突出重点、兼顾一般。做到定量观测与定性调查相结合,地形因子观测与水力、泥沙因子观测相结合,保证观测成果的完整齐全和配套。(4)充分利用现有站网和设施,按照不重复、不漏项的原则,为节省投资,三峡工程水文泥沙观测工作将充分利用国家现有站网和设施保持资料的连续性和完整性,并与历史资料相衔接。同时,为了使整个水文、泥沙观测规划更系统、更完整,把没有列进勘测经费而属于国家基本站网的有关观测工作项目也列入观测,作为整个观测工作的重要组成部分。(5)符合国家规范。国家规范是做好观测工作的保证,观测项目应严格执行国家有关专业技术规范,做到技术规范化、标准化,保证观测成果质量。(6)动态性观测。鉴于三峡泥沙问题的复杂性,观测将根据泥沙问题的变化发展,对观测计划进行调整与补充,以达到动态跟踪观测的需要。4.2文试和数据处理新技术支撑是开展三峡工程水文泥沙观测的重要条件,通过推广应用新的技术,大大提高了工作效率,同时提高了成果精度。其应用主要有:(1)GPSRTK测量技术,可快速及时地收集测量数据并数字化成图;(2)电子测绘平板数字化测绘系统,改变了传统的大比例尺白纸模拟测图技术;(3)BBADCP测流系统,与GPS配套应用于水文测验实现了全天候、多断面快速流场流量监测,改变了传统的水文测验方式,提高了测验精度和工作时效;(4)网络技术,实现了利用网络进行水文河道测量数据的远程传输,使内外业互动成为可能;(5)库区应用双频回声仪提高了测深的自动化水平,坝区多波束测深系统使冲淤监测响应能力得到提高,同时提高了水下地形的地理精度。同时,还自主开发了三峡水文泥沙数据库,实现了原型观测资料的统一、科学和高效的数字化管理。在搞好水文泥沙观测的同时,还及时开展了专题观测与分析工作。例如,为深入了解三峡蓄水过程对库区及坝下游水面线、进出库水沙特性以及悬沙组成等所带来的影响,为三峡水库进行合理的水沙调度及发电、航运调度,充分发挥水库综合利用效益等提供参考。鉴于三峡工程135m蓄水后观测