三峡水库175m试验性蓄水过程水文泥沙分析

2013年11月11日14：00，三峡水库水位达到175．0m，入库流量7600m3／s，出库流量5390m3／s，蓄水量393亿m3，标志着2013年三峡水库175试验性蓄水任务圆满完成，三峡水库连续第4年实现汛后蓄水目标。工程将全面发挥防洪、供水、发电、航运等综合效益，也为三峡水库转入正常运行期积累了宝贵经验，打下了坚实基础。

采用深度平均二维非恒定流数值模型模拟了175m水位川维厂排污口附近的流场和浓度场,利用tecplot软件绘制了其排污口污染带分布图,并根据预测结果进行了预警分析。结果表明,蓄水后川维厂排污口附近的河道变宽,水深加大,流速由天然状况下的1.5m/s陡降至0.2m/s。受河道地形的影响,在川维厂排污口附近及其上游形成了一个明显的回水区域,致使污染物长时间停留在排污口附近水域稀释扩散,其排污口附近江段的水环境容量比天然状况将会变小,在处理后排放、未处理直排和污染事故排放3种工况下均会形成一条明显的超背景和超水质标准污染带,将无法满足附近江段水域功能要求。

应用visualc++应用程序、oracle9i数据库开发了三峡水库水文泥沙信息分析管理系统。系统能使用户快捷地查询到所需的水文泥沙数据及分析资料,对库区泥沙淤积状况快速做出分析处理,实时分析显示水库调度运行对泥沙冲淤演变的影响,为及时调整水库运行方式提供依据,实现水库信息数字化管理,加强数据空间分析处理能力,对原始测量数据成果进行分析处理,对所有的整编成果建立相关的索引表,提供水文泥沙查询、检索及表格输出等功能。

依据三峡蓄水后变动回水区的实测资料,初步分析了三峡水库175m正常蓄水下变动回水区输沙过程及该河段冲淤特性,揭示了航道调整的内在机理,总结了水沙条件变化和河段冲淤规律。结果可为减少变动回水区的泥沙淤积及淤沙浅滩的治理提供科学依据。

本文根据三峡水库蓄水运用以来实测水文、河道地形观测资料,对三峡水库进出库水沙变化和泥沙淤积特性进行了较为系统地分析,并将实测结果与三峡工程初步设计阶段、"九五"、"十五"攻关阶段的计算结果进行了对比,结果表明:2003年6月～2010年12月,三峡入库悬移质泥沙15.801亿t,出库悬移质泥沙4.118亿t,水库淤积泥沙11.683亿t。从淤积强度沿程分布来看,随着坝前水位的逐渐抬高,泥沙淤积呈上延趋势。从横向分布来看,泥沙淤积主要集中在主槽。从纵向分布来看,库区干流泥沙淤积以宽谷段(平均库区水面宽大于600m)为主,占全河段总淤积量的97.4%,窄深段淤积相对较少或略有冲刷。不同阶段水科院和长科院研究成果均表明,在三峡水库运用前10年大坝至丰都河段河床淤积最明显,由于各计算方案所采用的入库水文边界条件与蓄水运用后的实测水沙过程有一定的差别,引起各阶段研究库区年均淤积量较实测值偏大、近坝段的淤积强度较实测值偏小以及水库排沙比偏大等情况出现,但淤积量的沿程分布特性与实测值吻合较好。

针对三峡水库入库水沙条件及实际运行方式的变化,计算分析了三峡水库蓄水方案变化对水库泥沙运动及变动回水区航运条件造成的影响.采用一维水沙数学模型,计算了不同蓄水方案对水库泥沙淤积情况的影响及各方案间的差别,进而对方案调整后变动回水区重点浅滩的水深变化进行了研究.结果表明,在新的水沙条件及考虑上游建库的影响下,蓄水方案调整带来的影响主要集中在6~11a,并随水库运行时间的延长而缩小,不会对变动回水区浅滩河段通航条件产生不利影响.

通过实测三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化,计算分析了下引航道及口门区的淤积量及分布、拦门沙淤积形态、淤积机理及清淤时机,建立了口门含沙量与长江含沙量、口门斜流流速与长江流量、拦门沙淤积高度与来沙量等关系;并结合倒灌异重流理论,计算验证了下引航道及口门区异重流、环流淤积。结果表明,下引航道及口门区主要集中在主汛期(7~9月)淤积,汛末(10~12月)进行一次清淤即可满足航深要求。

三峡工程按175m方案蓄水后,随着水库运行时间的增长,重庆主城区河段的泥沙淤积将成累积性增加,边滩加高加宽,河床发生一定的演变,泥沙淤积将会对该河段的港口、航道和沿江市政基础设施和生态环境等造成一定的负面影响。综合各方面的研究成果,进一步加大长江上游的水土保持力度、采取建库拦沙及蓄水攻沙、根据泥沙淤积情况规划调整河道岸线,实施港口改造和航道整治等综合措施,是减少重庆河段的泥沙淤积,降低其负面影响的有效途径。

汛限水位优化调度在进一步充分发挥三峡水库的综合效益的同时必然影响水库淤积发展过程,进而影响航运状况。文中运用一维及二维非恒定流非均匀沙数学模型,计算分析了汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积及航运的影响,结果表明,采用汛限水位优化调度方案后,三峡水库的淤积发展过程将加快,但是,在三峡水库运行的前100年内,这种淤积差别并不大。优化调度对各个河段淤积的影响程度不同,从绝对量来说,水库下段受优化调度影响最大,一度出现的淤积量差别是最大的;从相对量来说,水库变动回水区下段及常年回水区上段受优化调度的影响要明显大于下段。从变动回水区航运情况看,优化调度对铜锣峡以下河段航运的影响不大,对铜锣峡以上河段,由于受上游水库修建及来水来沙减少造成的冲刷的影响,优化调度的影响也并不明显。

金沙江流域位于长江流域上游,属横断山脉地区。其作为我国最大的水电基地,位于＂中国十三大水电基地规划＂首位,是＂西电东送＂主力。根据我国经济建设的需要,我国陆续批准了金沙江上水电站梯级开发项目,建造一系列的水电站以满足能源及灌溉、通航等相关需求。而随着金沙江中下游各个电站依次建成投产后,金沙江下游水沙输移出现了一些新的变化。

以统计学为基础,通过对历史实测资料进行分析,研究三峡蓄水前后沙市河段航道水位变化现象,找出其变化规律,可为今后长江沙市河段的航道维护管理工作提供技术支持。

结合基于经典贝叶斯统计推断理论的mcmc(markovchainmontecarlo)方法与多输入单输出模型,建立了不确定性水文预报模型,并将该模型应用于长江三峡水库,依据实验结果可得出以下结论:①较传统方法而言,不确定性水文预报可更好的避免由于模型的不确定性而引入的误差;②应用于三峡水库入库流量预报,实验结果表明预测流量可很好地覆盖实际观测流量,取得理想预报结果。

三峡水库按175m方案运行以后,重庆河段的泥沙淤积将成累积性增加,两岸边滩加高加宽,河床演变剧烈,泥沙淤积将会对重庆河段的港口、航道和沿江市政基础设施和生态环境等造成一定负面影响。综合各方面考虑,进一步加大长江上游的水土保持力度,采取建库拦沙及蓄水攻沙,根据泥沙淤积情况规划调整河道岸线,实施港口改造和航道整治等综合措施,将成为减少重庆河段泥沙淤积的有效途径。

三峡工程蓄水后,为满足研究库区断面变化情况、泥沙分布规律以及工程调度等方面的需要,三峡总公司和长江委水文局对泥沙测报的准确性和时效性提出了更高的要求。为克服传统泥沙测验方法时效性差、工作效率低下的缺陷,该局利用lisst-100x仪器、hach2100q浊度仪以及通信网络等建立了三峡泥沙测报系统,该系统的建立为三峡工程调度中心及时、全面获取水文泥沙信息提供了保障,为三峡工程调度运行提供了依据,同时也为水库泥沙监测报汛提供了发展方向。

以葛洲坝-三峡梯级水库为研究对象,根据水库的不同运行阶段划分研究时段,基于寸滩、宜昌、汉口、大通站1954~2008年的日流量和日含沙量资料,计算分析了梯级水库运行对长江中下游输沙量及水沙关系的影响。结果表明：4个水文站的年输沙量、含沙量总体呈下降趋势,梯级水库运行对中下游输沙量及水沙关系的影响与水库库容和距离水库远近有关;水库拦截造成的泥沙减少与年径流量变化无关,与径流量的季节分配变化有关,径流量季节分配的变化和梯级水库的蓄水拦沙都使大通站月输沙量的年内分配更加均匀。

为探讨三峡水库蓄水以来长江枝城至沙市河段的水质变化情况,利用这一河段3个断面水质实测资料,通过模糊评价方法与权重值分析,对1998～2011年水质状况进行了分析评价.结果表明,枝城至沙市河段水质尚好,铅为对沙市河段水质影响最大的污染因子.对比了三峡水库蓄水前后的水质评价结果,表明水质状况未受明显影响,分析成果可为相关机构管理该河段的水资源提供参考.

三峡水库蓄水运用改变了下泄的水沙条件,引起坝下游水沙过程及输移特性的变化。采用以旬为单位的统计时段,分析比较了三峡水库蓄水前后旬平均流量、输沙量及含沙量的变化。蓄水前后坝下游各站洪水、中水、枯水3个流量区间的出现频率变化分析表明,建库后距坝距离愈远其洪水流量区间出现频率的减小愈显著。统计分析了不同流量级下含沙量的沿程恢复程度,发现高、低水流量级下其沿程恢复程度较中水流量级高。分析了各站悬移质中值粒径和床沙级配的变化,发现床面粗化主要位于距坝较近的荆江河段,由于粗细粒径的交换作用,悬移质中值粒径在下荆江显著变粗。

三峡大坝建成后库区水位上升,常年水面面积也将大幅增加,库区下垫面将发生变化,从而导致局地气候特征的变化。为了解三峡大坝对库区降水量的影响,基于三峡库区37个雨量站点1958-01-01～2008-12-31逐日有效降水量资料,采用气象诊断旋转正交经验函数(reof)方法计算并分析了三峡库区和大坝南北部年均降水量、四季降水量的时空变化情况,并通过reof模态图时间系数分析了建坝前后降水量的波动情况。结果发现,三峡水库运行后库区降水量存在一定的波动,三峡大坝在运行前45年与运行后6年的时间内,年均、四季整个库区与北部降水量差值波动幅度并不明显。

一、刘家峡水库概况刘家峡水库由黄河干流、洮河及大夏河支流组成,水库正常高水位1735m,相应设计库容57亿m~3,其中黄河、大夏河、洮河库区各占94%、4%、2%.有效库容41.5亿m~3,死水位1694m,相应死库容15.5亿m~3.刘家峡水库自1968年10月蓄水至1992年10月,24年全库共淤积泥沙13.16亿m~3,其中黄河干流库区淤积12.00亿m~3,洮河库区淤积0.72亿m~3,大夏河库区淤积0.44亿m~3,各库区相应库容百分数,全库占23%、黄河占22%、洮河占63%、大夏河占19.3%.

针对三峡水库蓄水运用以来排沙比问题,在深入研究三峡水库不同蓄水运用阶段水库排沙效果的基础上,着重研究各年年内蓄水排沙过程,系统地分析水库排沙效果的影响因素。结果表明:库区河道特性、入库水沙条件以及坝前水位的高低是水库排沙比变化的主要影响因素。2003年6月～2010年12月,水库排沙比为26.1%。水库排沙主要集中在汛期5～10月,排沙比为29.0%。尤其是在洪峰期间,库区水流流速较大,水流挟沙能力强,进入水库的泥沙大部分能输移到坝前,水库排沙比较大,当入库流量大于30000m3/s时,水库最大排沙比可达81.0%。此外,随着汛期坝前水位的抬高,水库排沙效果有所减弱,尤其是粗颗粒泥沙的多少也很大程度上影响水库排沙效果,水流的挟沙能力随着水流流速的减小而减小,粗颗粒泥沙的排沙比随之发生较全沙更为明显的减小。

以长江三峡水库蓄水运行的2003年为分界点,将乌江流域1956~2014合计59年降水、径流资料分为两部分,定量分析了三峡水库2003年蓄水前后乌江流域降水径流的趋势变化.根据乌江流域在三峡水库2003年蓄水后的降水资料插补出其径流资料,并与实测径流资料相比较,定量分析在气候等条件不变情况下,因下垫面条件改变对径流有何种程度的影响,为长江上游控制性水库优化调度,径流预报模型的选用,水资源合理配置提供技术支撑.

三峡水利枢纽规模宏大,举世瞩目,具有巨大的防洪、供水、发电、航运等综合效益,是开发治理长江的骨干工程.三峡工程建在坚实的花岗岩基础上,三峡水库已初步形成.根据最大历史地震震级并适当加权,确定库区最大可信地震为6级左右.在仙女山和九湾溪断裂一带,(距坝址为18km)存在诱发地震的可能,震级ml在5.0~5.8级.对坝址的影响烈度为vi度,不会对按烈度vii度设防的枢纽主要建筑物构成直接威胁.三峡水库蓄水运行后,地震频次与强度虽有所增加,但地震活动仍保持在三峡地区原有弱地震活动本底状态[1,2].三峡工程在1993年开工,2009年全部建成.三峡水库在2003年6月开始蓄水,并从2010年10月26日起,连续6年试验性蓄水到175m.三峡水库总长660km,平均宽度1.0~1.5km,总水域面积1084km2.随着库水位升高,库容及水域面积加大,发生水库诱发地震的可能性也将加大.必须加强对三峡水库诱发地震的监测与预报,预防地震及地质灾害,确保工程建设及运行安全,构建和谐社会,促进库区长治久安.