三峽工程運行后泥沙問題的分析與處理

三峽工程運行后泥沙問題的分析與處理

1水庫運行及徑流三峽水庫是中國最大的大型多目標水庫工程。這是長江經(jīng)濟帶管理和發(fā)展的一項重要骨干工程。三峽水庫正常蓄水位175m,總庫容393億m3;水庫全長600余千米,平均寬度1.1km;水庫面積1084km2。具有防洪、發(fā)電、航運等巨大的綜合效益。三峽工程于2003年6月1日正式蓄水,首批機組開始發(fā)電,雙線五級船閘通航,水庫低水位運行,發(fā)揮初期的防洪效益。三峽工程位于長江上游干流三峽河段,控制流域面積約100萬km2,水庫年徑流豐富,主要集中在汛期。水庫上游主要入庫水文站寸灘站和壩下游宜昌水文站年徑流量多年平均值為3500億m3和4400億m3,79%的徑流量集中在汛期5～10月。河道泥沙輸移以懸移質(zhì)運動為主,年輸沙量較大。寸灘站懸移質(zhì)年輸沙量的多年平均值為4.67億t(1953～1989年),宜昌站為5.3億t(1950～1984年)。寸灘站多年平均含沙量為1.33kg/m3,宜昌站為1.2kg/m3。泥沙輸移集中在汛期5～10月,輸沙量占全年的95.5%。多年平均懸移質(zhì)中值粒徑寸灘站為0.036mm,宜昌站為0.034mm。河道推移質(zhì)輸移量不大。宜昌站沙質(zhì)、礫石(1.0～10mm)和卵石(粒徑大于10mm)推移質(zhì)年輸移量多年平均值分別為874、32萬t和75.8萬t。2實踐的成果與成果三峽工程泥沙問題是關(guān)系到三峽工程長期正常運行與效益的重要關(guān)鍵技術(shù)問題之一,涉及水庫壽命,庫區(qū)淹沒,庫尾段航道、港區(qū)的演變,壩區(qū)船庫、電站的防沙排沙,以及樞紐下游河床沖刷、水位降低、河道演變對防洪和航運的影響等一系列重要而復雜的技術(shù)問題。由于三峽工程泥沙問題十分復雜,無論在三峽工程的論證階段,還是在建設階段,各有關(guān)主管部門都給予了高度重視,投入了大量的人力、物力和財力,對其進行了長期而卓有成效的探索和研究。并在1993年成立了三峽工程泥沙專家組,以加強對此項工作的咨詢與指導。三峽工程泥沙問題主要包括水庫泥沙淤積與長期使用、變動回水區(qū)(重慶主城區(qū))泥沙淤積以及壩下游河床沖刷等3個大方面的問題。三峽工程泥沙問題的初步研究開始于20世紀50年代,但大規(guī)模和詳細的研究一直到80年代才進行。在三峽工程可行性論證過程中,泥沙問題是8個主要的科學技術(shù)問題中的一個。經(jīng)過幾十年來的全面研究,已取得系統(tǒng)的研究成果。在三峽工程泥沙問題研究過程中,主要采取原型觀測調(diào)查、數(shù)學模型計算和實體模型試驗相結(jié)合的途徑,已取得顯著成效,并且還推動了整個泥沙學科的發(fā)展。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展,我國的泥沙實體模型試驗在相似理論和試驗技術(shù)上都不斷前進和提高,泥沙數(shù)學模型在廣泛應用中也取得新的進展,同時眾多水利工程的運行實踐為工程泥沙研究積累了系統(tǒng)的大量的原型資料。水利建設的發(fā)展推動并促進了我國泥沙學科的進步,使我國在以原型觀測調(diào)查、泥沙數(shù)學模型計算、泥沙實體模型試驗緊密結(jié)合的工程泥沙研究方面達到了較高水平。3水文泥沙原型觀測工作三峽工程泥沙問題,關(guān)系重大,涉及面很廣,從工程規(guī)劃、設計施工到建成后需長期研究觀測、驗證、處理。經(jīng)過30多年的觀測與研究,許多問題已基本清楚,經(jīng)過專家論證、可行性報告和初步設計審查認為是可以解決的。但考慮到泥沙問題的復雜性和不確定性,以及對三峽工程及庫區(qū)、下游河道的重大影響,其設計參數(shù)和計算,模型試驗成果有待于施工期和運行期長期原型觀測、驗證,不斷調(diào)整修改,才能取得較滿意的定量數(shù)據(jù),從而確定調(diào)度運行方式及防治工程措施。因此,三峽工程泥沙研究應長期進行,研究手段要采取現(xiàn)場觀測、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬及理論分析相結(jié)合。泥沙原型觀測是物理模型試驗和數(shù)值模擬及理論分析的唯一重要基礎,對于工程建設進度、調(diào)度運行和泥沙研究條件的確定都是十分重要的。國家對三峽工程水文泥沙原型觀測與泥沙研究工作高度重視,在三峽工程施工期(1993～2009年)共計劃投入3.5億元進行廣泛、深入、連續(xù)原型觀測,以驗證長江水利委員會的設計。資金分別來自三峽工程概算(中國長江三峽工程開發(fā)總公司管理)和政府投入(水利部管理),具體觀測委托長江水利委員會水文局進行。截止到2005年年底的統(tǒng)計,共計完成投入約2.1億元,完成水文(泥沙)觀測530余站年,水下地形測量約11300km2,河床泥沙取樣分析24900線次,河道固定斷面觀測7751個次。三峽工程水文泥沙原型觀測工作始終貫穿于工程的論證(1993年以前)、設計與施工(1993～2009年)、蓄水運行期(2010年以后)等各個階段。論證期主要針對泥沙研究進行觀測包括類比觀測,設計與施工、蓄水運行期根據(jù)國家審定的相關(guān)規(guī)劃、任務書及實施方案開展觀測,鑒于目前計劃中的觀測屬于宏觀性的觀測,具有基礎性,對復雜的問題將補充進行專題性水沙規(guī)律觀測。3.1泥沙對工程運行服務論證階段的觀測主要為論證階段的泥沙研究服務,工程開工后的觀測主要為工程建設與運行服務,三峽工程2003年開始135m蓄水后,上下游的泥沙問題逐漸顯現(xiàn),觀測目的將更為具體,原型觀測及相應的泥沙研究的目的是直接為工程運行服務,為優(yōu)化水庫調(diào)度、盡量發(fā)揮工程效益和減少負面影響提供科學依據(jù)。其目的主要包括:(1)全面掌握蓄水以前上下游河道天然狀況的本底資料;(2)為論證確定分期蓄水方案提供依據(jù);(3)實時監(jiān)測蓄水后上下游的沖淤變化,及時發(fā)現(xiàn)問題,以便采取對策;(4)驗證采用過的模擬技術(shù)(包括主要參數(shù)),進一步提高三峽工程泥沙預報的可靠度。上述問題在2009年之后,還需要繼續(xù)觀測與分析研究,以便為優(yōu)化水庫調(diào)度提供資料。3.2觀測區(qū)域三峽工程水文泥沙原型觀測范圍包括三峽水庫庫區(qū)、壩區(qū)(包括三峽近壩段和三峽—葛洲壩兩壩間)和壩下游宜昌至湖口段等3大部分。3.2.1三峽水庫庫區(qū)觀測河段范圍,依工程的進展和壩前不同圍堰水位回水范圍而定。(1)流量切斷了庫區(qū)干流大壩—朱沱,長約753km,支流15條,長約651km。(2)河流中斷后2.3a內(nèi)。庫區(qū)干流大壩—復興場,長約237km,支流7條,長約80km。(3)第一個發(fā)電前庫區(qū)干流大壩—李渡鎮(zhèn),長約494km,支流10條,長約210km。(4)項目完成前庫區(qū)干流大壩—銅鑼峽,長約600km,支流12條,長約296km。3.2.2壩上廟河—三峽壩區(qū)三峽壩區(qū)觀測范圍由廟河—蓮沱,長約31km,其中壩上廟河—大壩,長17km,壩下大壩—蓮沱,長約14km。兩壩間蓮沱—葛洲壩,長約26km。3.2.3瞳湖采用東、南、西2個湖泊,型三峽壩下游觀測包括:①壩下游干流宜昌—湖口河段,長約1010km;②洞庭湖湖區(qū)(包括東、南、西3個湖泊),面積約為2700km2;③三口洪道即松滋河、虎渡河、藕池河,全長約911km。3.3試驗成果的獲得建國以來,經(jīng)過長期的泥沙測驗、河道觀測和勘測調(diào)查,積累了大量的原型觀測資料和分析研究成果,滿足了規(guī)劃、設計、科研的需要。為配合三峽工程不同階段的研究工作,開展了以下主要觀測與分析工作。3.3.1懸沙驗算及實測工作此階段本著“積極準備,充分可靠”和“雄心不變,加強科研”的精神,開展了以下工作:(1)加強長江干支流控制性水文測站懸移質(zhì)泥沙測驗和顆粒級配分析工作,并對建國以來懸沙測驗資料進行整編;(2)研究改進推移質(zhì)泥沙測驗技術(shù),包括研制測驗儀器、率定采樣效率,并在寸灘站開展卵石推移質(zhì)測驗;(3)開展三峽水庫庫區(qū)典型河段,如奉節(jié)臭鹽磧峽口灘、重慶豬兒磧、嘉陵江河口段泥沙問題等觀測研究,為研究三峽水庫變動回水區(qū)航道、港區(qū)泥沙問題,提供重要驗證和參考資料;(4)開展長江泥沙運動觀測、試驗研究,如重慶河段同位素示蹤標記卵石試驗,長江中游沙波測驗研究,水流挾沙力測驗研究等。3.3.2泥沙輸沙特性分析及相關(guān)問題分析1971～1983年為葛洲壩水利樞紐建設階段,也是為三峽工程作實戰(zhàn)準備階段。(1)在長江干流控制性水文測站朱沱、寸灘、萬縣、宜昌及新廠等站,開展近底層懸沙測驗,查明各站歷年實測大于0.1mm的床沙質(zhì)泥沙年輸沙量及誤差。同時分析了干支流主要控制站的懸移質(zhì)礦物成份和沙粒磨圓度。(2)在朱沱、寸灘、萬縣、奉節(jié)和宜昌等站開展卵石推移質(zhì)測驗,在宜昌、奉節(jié)等站開展沙推移質(zhì)測驗。(3)分析研究了長江上游流域產(chǎn)沙(懸沙)特性及來沙量變化,包括長江上游強產(chǎn)沙區(qū)分布和面積、泥沙輸移特性、來沙量與來水量的關(guān)系等。(4)開展宜昌以下長江干流河床組成普查、取樣分析。(5)開展葛洲壩水庫淤積及下游沖刷觀測,分析壩下游河道的水位流量關(guān)系變化情況。(6)開展了庫區(qū)部分水道地形、固定斷面等觀測。3.3.3觀測儀器及成果在以往工作的基礎上,針對主要工程泥沙問題,系統(tǒng)地開展了以下原型觀測及原型觀測新技術(shù)研究。(1)川江推移質(zhì)觀測及測驗方法研究。提出了以下分析研究成果:長江河流泥沙的產(chǎn)沙、輸移和沉積特性分析;長江上游干流卵石推移質(zhì)輸沙特性分析;長江上游干流寸灘水文站礫石推移質(zhì)(1～10mm)測驗分析;網(wǎng)式卵石推移質(zhì)采樣器研究;Y64型卵石推移質(zhì)采樣器原型采樣效率分析;卵石推移質(zhì)采樣器比測及新型采樣器研制;推移質(zhì)采樣器水槽率定中的比尺效應問題;關(guān)于推移質(zhì)測驗垂線布設和取樣歷時確定方法的研究;長江河流泥沙原型觀測及觀測技術(shù)研究等。(2)葛洲壩庫區(qū)沖淤及淺灘航道觀測與研究。(3)葛洲壩工程下游觀測與研究。(4)原型觀測新技術(shù)研究與應用。提出了以下研究成果:長江河道測繪系統(tǒng)(包括長江CHC-Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型河道測繪系統(tǒng))的開發(fā)與應用;長江河道、水庫觀測資料的電算整編;無人立尺地形測量方法的研究等。(5)三峽水庫來水來沙條件的分析研究。(6)三峽前期專項觀測研究。包括重慶河段走沙過程觀測,寸灘站沙推移質(zhì)測驗及新型采樣器研制等。3.4系統(tǒng)觀測邊界條件變化情況的對策施工期是承上(改變天然條件)啟下(建成蓄水運用)的過渡期,且施工期長達17a,必須系統(tǒng)連續(xù)觀測水沙及邊界條件的變化情況,不但為設計、科研、施工運行提供依據(jù),也為驗證和優(yōu)化設計、調(diào)度提供依據(jù)。3.4.1地形、河段水文觀測庫區(qū)觀測包括基本控制網(wǎng)及加密控制網(wǎng)布設與測量、庫區(qū)干支流水道地形、庫區(qū)河段干支流固定斷面觀測(并間取床沙)、庫區(qū)干支流水位觀測、進庫水沙測驗、重慶河段走沙過程觀測、重慶市主城區(qū)河段河道演變觀測,朱沱—豐都(包括嘉陵江)河床組成勘探與調(diào)查等。3.4.2沖淤觀測觀測壩區(qū)觀測包括加密控制網(wǎng)布設與測量,壩區(qū)水道地形觀測及固定斷面觀測,導流明渠沖淤觀測,臨時船閘沖淤觀測(水下地形、固斷、流速分布測驗、水面流速流向、引航道懸沙顆分),一、二期圍堰觀測,壩區(qū)水位觀測,黃陵廟站水文測驗,大壩至葛洲壩河段沖淤觀測(水道地形、水面流速流向、固定斷面、推移質(zhì)泥沙測驗)等。3.4.3河段地形觀測壩下游觀測包括長江干流宜昌—湖口(或城陵磯)水道地形及固定斷面(并間取床沙)觀測,荊江河段重點險工地形觀測,荊江重點淺灘觀測,重點河段河床演變觀測,三口分流分沙觀測,壩下游水位下降、沿程水面線變化觀測,洞庭湖水道地形及固定斷面(并間取床沙)觀測,三口洪道水道地形及固定斷面觀測(并間取床沙),壩下游河段河床組成勘探與調(diào)查,枝城站與沙市站推移質(zhì)測驗等。3.4.4水情預報系統(tǒng)總體規(guī)劃其他水文勘測工作包括:①監(jiān)測資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研制及應用管理;②水情預警系統(tǒng)初步設計;③水庫淤積及下游沖刷系統(tǒng)初步設計;④水情預報方案補充;⑤水文補充分析計算;⑥內(nèi)業(yè)資料系統(tǒng)整理、觀測分析等6項內(nèi)容。4觀測和技術(shù)方法4.1文明信息和技術(shù),把觀測打造成文基描述,文三峽工程水文泥沙原型觀測工作,主要依據(jù)國家有關(guān)測驗標準和行業(yè)規(guī)范、技術(shù)規(guī)定執(zhí)行,按照ISO9001質(zhì)量體系實施了嚴格的質(zhì)量控制措施,制訂了較為科學的質(zhì)量管理制度。觀測實施原則包括如下方面。(1)根據(jù)已批準的水文勘測經(jīng)費相應的項目及工作量進行每年按協(xié)議實施。(2)水文泥沙觀測應貫穿于整個工程活動的全過程,切實做到施工期觀測與運行期觀測相結(jié)合、相銜接。以滿足變動回水區(qū)航道及港口整治(含壩下游河道下切影響及對策)設計、施工階段及水庫運行期泥沙問題研究、處理和驗證等的需要。(3)監(jiān)測范圍與內(nèi)容應突出重點、兼顧一般。做到定量觀測與定性調(diào)查相結(jié)合,地形因子觀測與水力、泥沙因子觀測相結(jié)合,保證觀測成果的完整齊全和配套。(4)充分利用現(xiàn)有站網(wǎng)和設施,按照不重復、不漏項的原則,為節(jié)省投資,三峽工程水文泥沙觀測工作將充分利用國家現(xiàn)有站網(wǎng)和設施保持資料的連續(xù)性和完整性,并與歷史資料相銜接。同時,為了使整個水文、泥沙觀測規(guī)劃更系統(tǒng)、更完整,把沒有列進勘測經(jīng)費而屬于國家基本站網(wǎng)的有關(guān)觀測工作項目也列入觀測,作為整個觀測工作的重要組成部分。(5)符合國家規(guī)范。國家規(guī)范是做好觀測工作的保證,觀測項目應嚴格執(zhí)行國家有關(guān)專業(yè)技術(shù)規(guī)范,做到技術(shù)規(guī)范化、標準化,保證觀測成果質(zhì)量。(6)動態(tài)性觀測。鑒于三峽泥沙問題的復雜性,觀測將根據(jù)泥沙問題的變化發(fā)展,對觀測計劃進行調(diào)整與補充,以達到動態(tài)跟蹤觀測的需要。4.2文試和數(shù)據(jù)處理新技術(shù)支撐是開展三峽工程水文泥沙觀測的重要條件,通過推廣應用新的技術(shù),大大提高了工作效率,同時提高了成果精度。其應用主要有:(1)GPSRTK測量技術(shù),可快速及時地收集測量數(shù)據(jù)并數(shù)字化成圖;(2)電子測繪平板數(shù)字化測繪系統(tǒng),改變了傳統(tǒng)的大比例尺白紙模擬測圖技術(shù);(3)BBADCP測流系統(tǒng),與GPS配套應用于水文測驗實現(xiàn)了全天候、多斷面快速流場流量監(jiān)測,改變了傳統(tǒng)的水文測驗方式,提高了測驗精度和工作時效;(4)網(wǎng)絡技術(shù),實現(xiàn)了利用網(wǎng)絡進行水文河道測量數(shù)據(jù)的遠程傳輸,使內(nèi)外業(yè)互動成為可能;(5)庫區(qū)應用雙頻回聲儀提高了測深的自動化水平,壩區(qū)多波束測深系統(tǒng)使沖淤監(jiān)測響應能力得到提高,同時提高了水下地形的地理精度。同時,還自主開發(fā)了三峽水文泥沙數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了原型觀測資料的統(tǒng)一、科學和高效的數(shù)字化管理。在搞好水文泥沙觀測的同時,還及時開展了專題觀測與分析工作。例如,為深入了解三峽蓄水過程對庫區(qū)及壩下游水面線、進出庫水沙特性以及懸沙組成等所帶來的影響,為三峽水庫進行合理的水沙調(diào)度及發(fā)電、航運調(diào)度,充分發(fā)揮水庫綜合利用效益等提供參考。鑒于三峽工程135m蓄水后觀測