朱玲玲，董先勇，陳澤方

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局， 武漢 430010；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司， 成都 610042)

金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)淤積及其對(duì)三峽水庫(kù)影響研究

朱玲玲1，董先勇2，陳澤方1

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局， 武漢 430010；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司， 成都 610042)

2012年以來(lái)，金沙江下游向家壩水電站、溪洛渡水電站相繼蓄水運(yùn)用，攔截了金沙江下游泥沙。為了解梯級(jí)水庫(kù)泥沙淤積情況及其攔沙作用對(duì)下游三峽水庫(kù)的影響，基于大量水沙、固定斷面觀測(cè)資料，采用輸沙法和地形法，計(jì)算分析了向家壩水電站、溪洛渡水電站2庫(kù)自運(yùn)用以來(lái)的庫(kù)區(qū)泥沙淤積量及分布特征，研究了梯級(jí)水庫(kù)攔沙作用對(duì)三峽水庫(kù)的影響。結(jié)果表明:向家壩、溪洛渡庫(kù)區(qū)泥沙淤積量較小，金沙江下游梯級(jí)攔沙使得三峽入庫(kù)沙量及庫(kù)尾重點(diǎn)河段淤積強(qiáng)度均減小。研究成果對(duì)梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行、三峽水庫(kù)運(yùn)行及調(diào)度方式優(yōu)化具有十分重要的意義。

金沙江下游水電站； 梯級(jí)水庫(kù)； 水庫(kù)淤積；三峽水庫(kù)；水沙條件

1 研究背景

金沙江下游自攀枝花至岷江口宜賓市長(zhǎng)約768 km的河道內(nèi)，自上而下分布有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4級(jí)水電站，向家壩、溪洛渡電站分別于2012年10月、2013年5月蓄水運(yùn)用，白鶴灘和烏東德電站尚在建設(shè)之中。泥沙淤積會(huì)直接影響到水庫(kù)效益發(fā)揮，水電站工程可研階段都會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙淤積開(kāi)展模型預(yù)測(cè)計(jì)算，溪洛渡、向家壩水庫(kù)可研階段，對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙淤積開(kāi)展了相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算[1-2]。但由于金沙江中游干流、金沙江下游主要支流也在進(jìn)行梯級(jí)電站建設(shè)，尤其是2010年以來(lái)，金沙江中游金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖、梨園等水電工程相繼建成運(yùn)行，溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)行期的入庫(kù)沙量與可研階段相比大幅度減少。因而，水庫(kù)運(yùn)行之初的庫(kù)區(qū)泥沙淤積量較可研階段預(yù)測(cè)值也大幅偏小，庫(kù)區(qū)泥沙淤積形態(tài)、發(fā)展過(guò)程都和設(shè)計(jì)情況有偏差。金沙江是三峽入庫(kù)泥沙的主要來(lái)源，位于最下游的溪洛渡、向家壩梯級(jí)水庫(kù)對(duì)金沙江泥沙的攔截情況，不僅影響壩下游河道的沖刷程度[3]，更決定了三峽入庫(kù)干流沙量的變化趨勢(shì)，進(jìn)而勢(shì)必影響三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積水平，從而關(guān)系到三峽水庫(kù)應(yīng)對(duì)上游梯級(jí)水庫(kù)集中蓄水而出臺(tái)的各種優(yōu)化調(diào)度方案的可行性。因此，研究金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積及其對(duì)三峽水庫(kù)的影響十分重要。

利用梯級(jí)水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)控制站的水文泥沙資料、水庫(kù)運(yùn)行后的庫(kù)區(qū)河道原型固定斷面觀測(cè)資料等，采用輸沙法、地形法計(jì)算了金沙江下游在運(yùn)行梯級(jí)水庫(kù)的庫(kù)區(qū)泥沙淤積情況，分析了水庫(kù)泥沙淤積的主要形式和形態(tài)，與工程可研階段的庫(kù)區(qū)泥沙淤積預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，充分掌握了梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積水平。評(píng)估了三峽入庫(kù)干流控制站輸沙量因梯級(jí)水庫(kù)攔沙而減少的幅度，闡述了金沙江來(lái)沙被大幅度攔截后三峽水庫(kù)庫(kù)尾河段泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度變化情況。本項(xiàng)研究對(duì)梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行、三峽水庫(kù)運(yùn)行及調(diào)度方式優(yōu)化具有十分重要的意義。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

金沙江下游有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座已建和在建水電站，總裝機(jī)容量相當(dāng)于2座三峽電站，分布如圖1所示。金沙江下游梯級(jí)水電站的設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量約4 000萬(wàn)kW，年均總發(fā)電量超過(guò)1 850億kW·h，水庫(kù)總庫(kù)容約410億m3，其中總調(diào)節(jié)庫(kù)容204億m3。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Regime of the study area

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)金沙江干流上，下距宜賓190 km，以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等綜合效益，是金沙江下游河段4個(gè)梯級(jí)電站的第3級(jí)。壩址處控制流域面積45.44萬(wàn)km2。水庫(kù)干流庫(kù)區(qū)從溪洛渡壩址至白鶴灘壩址，水系發(fā)達(dá)，支流較多，水庫(kù)平面型態(tài)呈分支狀河道型。水庫(kù)從2013年5月4日9時(shí)40分開(kāi)始初期蓄水。

向家壩水電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江峽谷出口處，下距宜賓市33 km，以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉、攔沙、防洪等綜合效益，是金沙江下游河段4個(gè)梯級(jí)水電站的最后一級(jí)。壩址控制流域面積45.88萬(wàn)km2，占金沙江流域面積的97%，控制了金沙江的主要暴雨區(qū)和產(chǎn)沙區(qū)。干流回水長(zhǎng)度(至溪洛渡壩址)156.6 km，為典型的山區(qū)狹長(zhǎng)河道型水庫(kù)。2012年10月10日9時(shí)水庫(kù)開(kāi)始下閘初期蓄水。

金沙江下游干流控制站信息及資料情況如表1，其中干流主要控制站資料基本來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，應(yīng)工程建設(shè)需要設(shè)立較晚的溪洛渡水文站資料來(lái)源于成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院。庫(kù)區(qū)河道固定斷面觀測(cè)資料來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局和中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司。

表1 金沙江下游干流控制站信息及資料情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Information of hydrologic stations in the lower Jinsha River

3 梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)水沙變化特征

溪洛渡、向家壩水電站運(yùn)行后，不考慮庫(kù)區(qū)支流水沙情況下，梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)控制站為華彈站，出庫(kù)控制站為向家壩壩址下游2 km的向家壩水文站，溪洛渡水電站下游8 km設(shè)立了溪洛渡水文站，可作為溪洛渡水電站出庫(kù)控制站和向家壩水電站的入庫(kù)控制站?？紤]到金沙江中游梯級(jí)電站相繼建成運(yùn)用，會(huì)直接影響進(jìn)入金沙江下游河段的水沙，將入口攀枝花站也納入梯級(jí)水庫(kù)水沙變化分析的范圍內(nèi)。

金沙江下游干流入口控制站攀枝花站在雅礱江入?yún)R口上游，1998—2010年周期性水量和沙量較1998年前均值略偏大，2010年之后金沙江中游金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖、梨園等水電工程相繼建成運(yùn)行，攀枝花站水量變化不大，沙量則大幅減少，尤其是2013年和2014年，攀枝花站年輸沙量分別為568萬(wàn)t和743萬(wàn)t，分別較1998年前均值偏少87.6%和83.8%，較1998—2010年均值偏少的幅度更大一些，分別為91.4%和88.8%；雅礱江1998—2010年徑流量均值較1998年前偏大，但沙量卻偏少約61.5%。

圖2 金沙江下游干支流控制站年徑流量、 年輸沙量時(shí)段均值Fig.2 Average values of runoff and sediment in different stages in the lower Jinsha River and the main tributaries

華彈和屏山站均位于雅礱江入?yún)R口下游，1998年金沙江最大的支流雅礱江上的二灘電站蓄水運(yùn)行，2001年以來(lái)，二灘水庫(kù)上游所來(lái)泥沙約有95%淤積在庫(kù)區(qū)[4]，因而下游華彈、屏山站1998—2010年徑流量均值均較1998年前均值偏大，而沙量則均偏少，僅幅度不及雅礱江；2010年后，受上游干支流沙量均減少的影響，2站水量變化不大的情況下，沙量繼續(xù)減少，尤其是在溪洛渡和向家壩水庫(kù)運(yùn)行后，基本攔截了工程上游的來(lái)沙。2013年和2014年位于向家壩水電站下游的向家壩站年輸沙量分別銳減至203萬(wàn)t和221萬(wàn)t，不足電站可研階段控制站屏山站1998年前輸沙量均值的1%(圖2)。

可見(jiàn)，早在溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)行前，雖然進(jìn)入金沙江下游的水量無(wú)明顯變化，但受上游干支流控制性水庫(kù)相繼蓄水的影響，進(jìn)入梯級(jí)水庫(kù)的沙量已然出現(xiàn)了大幅度減少的現(xiàn)象，對(duì)于最下游的向家壩電站而言，溪洛渡水庫(kù)蓄水后，其入庫(kù)沙量則進(jìn)一步減少。

4 梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積特性

作為山區(qū)河道型水庫(kù)，上游來(lái)沙量是決定水庫(kù)泥沙淤積總量的控制性因素，是水庫(kù)運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)度的基本前提條件。金沙江下游沙量大幅度減少所帶來(lái)的直接效應(yīng)體現(xiàn)在梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積方面。根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)比工程可研階段的預(yù)測(cè)情況，金沙江下游已蓄水運(yùn)用的溪洛渡、向家壩水電站庫(kù)區(qū)泥沙淤積幅度伴隨著上游來(lái)沙量的減少而減輕，水庫(kù)排沙比基本達(dá)到預(yù)期值。

4.1 庫(kù)區(qū)泥沙淤積量

溪洛渡電站可研階段，長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)水庫(kù)泥沙淤積情況采用的是1964—1973年屏山站的水沙系列進(jìn)行滾動(dòng)計(jì)算，該時(shí)段屏山站多年平均輸沙量為24 700萬(wàn)t，作為溪洛渡水庫(kù)入庫(kù)沙量，計(jì)算顯示水庫(kù)運(yùn)行前20 a庫(kù)區(qū)年均淤積泥沙20 800萬(wàn)t，水庫(kù)平均排沙比為15.8%；向家壩電站可研階段入庫(kù)水沙考慮了溪洛渡電站攔沙的作用，直接采用溪洛渡下泄的水沙過(guò)程的模擬計(jì)算值，入庫(kù)年均沙量為4 670萬(wàn)t，計(jì)算所得水庫(kù)前10 a的年均淤積量為4 150萬(wàn)t，水庫(kù)排沙比為11.1%。彭?xiàng)畹萚5]考慮上游白鶴灘建庫(kù)后，計(jì)算不同調(diào)度方案下的溪洛渡水庫(kù)、向家壩水庫(kù)前20 a年均最少淤積泥沙分別約為9 360萬(wàn)t和998萬(wàn)t，較不考慮上游建庫(kù)情況的淤積量偏小。

2014年，上游白鶴灘電站尚未建成，不計(jì)區(qū)間及支流來(lái)沙量，溪洛渡、向家壩電站入庫(kù)沙量分別為6 830萬(wàn)t和639萬(wàn)t，與可研階段相比，分別偏少72.3%和86.3%，出庫(kù)沙量分別為639萬(wàn)t和221萬(wàn)t，水庫(kù)泥沙淤積量分別為6 191萬(wàn)t和4 18萬(wàn)t，分別較可研階段減少了70.2%和89.9%。庫(kù)區(qū)泥沙淤積減幅與入庫(kù)沙量減幅基本相當(dāng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了山區(qū)河道上游來(lái)沙量是庫(kù)區(qū)泥沙淤積量決定性因素的認(rèn)識(shí)。計(jì)算水庫(kù)排沙比來(lái)看，溪洛渡水庫(kù)排沙比略小于可研階段，向家壩電站水庫(kù)排沙比為34.6%，梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合排沙比為3.2%，排沙比基本上達(dá)到了可研階段的預(yù)期值?？梢?jiàn)，受金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)蓄水運(yùn)行影響，金沙江下游入庫(kù)沙量大幅度減少，使得溪洛渡、向家壩水電站水庫(kù)泥沙淤積量偏少。

4.2 庫(kù)區(qū)河道沖淤特征

4.2.1 溪洛渡庫(kù)區(qū)

4.2.1.1 淤積量分布特征

依據(jù)原型固定斷面觀測(cè)資料，2013年6月至2014年11月，在溪洛渡水庫(kù)限制蓄水位560 m下，1.5 a的時(shí)間內(nèi)溪洛渡庫(kù)區(qū)河道自西溪河口至壩址共淤積泥沙16 100萬(wàn)m3(圖3)，年均淤積量為10 700萬(wàn)m3/a，約合17 700萬(wàn)t/a，與前文輸沙量法計(jì)算相比，地形法計(jì)算的河道淤積量偏大。其主要原因在于:一方面2種方法在測(cè)量方面都存在一定的誤差，這一問(wèn)題以往眾多研究也都有所論述，目前還沒(méi)有有效的方法來(lái)評(píng)估這一誤差的影響程度；另一方面，輸沙量法統(tǒng)計(jì)的入庫(kù)泥沙不含區(qū)間及主要支流的來(lái)沙，因此所得的庫(kù)區(qū)泥沙淤積量較實(shí)際情況偏小。同時(shí)，可以看到，地形法計(jì)算出的庫(kù)區(qū)河道泥沙淤積量仍然較可研階段計(jì)算值偏小。

圖3 溪洛渡水庫(kù)限制蓄水位(560 m)下庫(kù)區(qū)河道淤積量Fig.3 Sediment deposition in Xiluodu Reservoir in the presence of limit impoundment level (560 m)

從溪洛渡水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道淤積發(fā)展歷程來(lái)看，2013年6月至2014年5月這1 a時(shí)間內(nèi)庫(kù)區(qū)河道淤積泥沙6 330萬(wàn)m3，占水庫(kù)蓄水之后庫(kù)區(qū)河道淤積總量的39.1%；之后，水庫(kù)泥沙淤積強(qiáng)度加大，2014年5月至2014年11月半年時(shí)間內(nèi)庫(kù)區(qū)河道淤積泥沙9 800萬(wàn)m3(圖3)，占水庫(kù)蓄水之后庫(kù)區(qū)河道淤積總量的60.9%。從分段淤積強(qiáng)度來(lái)看，下寨(距壩址82.3 km)至美姑河口(距壩址38.3 km)的淤積強(qiáng)度最大，達(dá)到90萬(wàn)m3/(km·a)，最上游的庫(kù)尾段淤積強(qiáng)度最小，為39萬(wàn)m3/(km·a)。4.2.1.2 淤積對(duì)河道形態(tài)的影響

借鑒三峽水庫(kù)在運(yùn)行初期庫(kù)區(qū)河道泥沙淤積對(duì)河道形態(tài)的影響特點(diǎn)，河道型水庫(kù)蓄水初期泥沙淤積主要集中在主河槽內(nèi)。從溪洛渡庫(kù)區(qū)河道深泓、典型斷面套繪情況來(lái)看，溪洛渡水庫(kù)蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)河道淤積無(wú)例外地主要集中在主河槽內(nèi)，因而沿程各斷面深泓點(diǎn)高程均表現(xiàn)為不同幅度的抬高，這種現(xiàn)象僅在壩前20 km范圍內(nèi)的河道不明顯，其他各段在2014年5月至2014年11月深泓淤積抬高都較為顯著，最大淤積幅度達(dá)到17.1 m，整個(gè)庫(kù)區(qū)河道(白鶴灘至壩址)深泓點(diǎn)高程平均淤積抬高4.7 m(圖4)，深泓縱剖面比降略調(diào)平，由1.02‰降至0.96‰。

圖4 溪洛渡庫(kù)區(qū)河道深泓縱剖面變化Fig.4 Thalweg of river reach in Xiluodu Reservoir

各典型斷面套繪情況也顯示，溪洛渡庫(kù)區(qū)泥沙淤積基本上都發(fā)生在深槽內(nèi)。溪洛渡庫(kù)區(qū)河道斷面形態(tài)以“U”型和“V”型為主，水庫(kù)自2013年5月蓄水運(yùn)用以來(lái)，庫(kù)區(qū)河道淤積以主槽的平淤為主要形式，部分距壩較近的斷面，兩岸會(huì)受壩區(qū)道路施工影響而發(fā)生變形。與淤積量發(fā)展過(guò)程相似，各斷面深槽的淤積抬高主要發(fā)生在2014年5月至2014年11月期間(圖5)。

圖5 溪洛渡庫(kù)區(qū)典型斷面套繪圖Fig.5 Typical cross-sections in Xiluodu Reservoir

4.2.2 向家壩庫(kù)區(qū)

4.2.2.1 淤積量分布特征

2012年10月向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，同樣依據(jù)庫(kù)區(qū)內(nèi)河道原型固定斷面觀測(cè)資料計(jì)算，受地形觀測(cè)范圍的限制，并考慮到向家壩庫(kù)區(qū)泥沙淤積也主要集中在主河槽內(nèi)，向家壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道泥沙沖淤計(jì)算水面線為屏山站流量為2 000 m3/s的天然水面線。計(jì)算所得2012年11月至2013年11月庫(kù)區(qū)泥沙淤積量為173萬(wàn)m3，約合285萬(wàn)t，年均淤積強(qiáng)度與輸沙法計(jì)算值相差較小，均較可研階段計(jì)算值顯著偏小。從泥沙淤積發(fā)展過(guò)程來(lái)看，水庫(kù)蓄水初期，庫(kù)區(qū)河道以沖刷為主，2012年11月至2013年4月累計(jì)沖刷571萬(wàn)m3，之后，水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道進(jìn)入淤積狀態(tài)，2013年4月至2013年11月淤積量達(dá)到744萬(wàn)m3(圖6)。

圖6 向家壩庫(kù)區(qū)干流河段沖淤量 (Q=2 000 m3/s，天然水面線)Fig.6 Sediment deposition in main channel of Xiangjiaba Reservoir in the presence of natural surface level(Q=2 000m3/s)

與溪洛渡水庫(kù)淤積特征相比，向家壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道泥沙淤積總量和分布特征都呈現(xiàn)出一定的差異。首先，向家壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道泥沙淤積強(qiáng)度較溪洛渡庫(kù)區(qū)顯著偏小，這與溪洛渡水庫(kù)攔截了絕大部分的上游來(lái)沙密切相關(guān)，2013年向家壩水庫(kù)入庫(kù)沙量不足溪洛渡水庫(kù)的1/10；其次，向家壩水庫(kù)庫(kù)尾段也即是溪洛渡水庫(kù)壩下游河段，其來(lái)沙量較天然水平大幅度下降后，河道始終處于沖刷狀態(tài)，與溪洛渡庫(kù)區(qū)庫(kù)尾河段淤積恰好相反；越往壩前，向家壩庫(kù)區(qū)河道的淤積強(qiáng)度越大。

4.2.2.2 淤積對(duì)河道形態(tài)的影響

與上游溪洛渡庫(kù)區(qū)相比，向家壩蓄水后約半年時(shí)間上游溪洛渡水庫(kù)蓄水，攔截了來(lái)自于上游的泥沙，向家壩入庫(kù)沙量大幅度減少，由此造成向家壩水庫(kù)泥沙的淤積幅度遠(yuǎn)不及溪洛渡庫(kù)區(qū)。從所掌握的庫(kù)區(qū)河道固定斷面觀測(cè)資料來(lái)看，相較于2013年4月，2013年11月向家壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)河道深泓總體雖表現(xiàn)為淤積，但平均淤積厚度僅0.6 m，最大淤積厚度約5.6 m，均較溪洛渡水庫(kù)庫(kù)區(qū)相似淤積歷時(shí)內(nèi)的深泓抬高值偏小，深泓縱剖面比降略有減小。且從深泓縱剖面沿程變化情況來(lái)看，深泓淤積抬高主要發(fā)生在新市鎮(zhèn)以下至壩前段，平均淤積幅度為1.0 m，新市鎮(zhèn)以上至溪洛渡壩址除個(gè)別斷面以外，深泓高程基本無(wú)變化(圖7)。

圖7 向家壩庫(kù)區(qū)河道深泓縱剖面變化Fig.7 Thalweg of river reach in Xiangjiaba Reservoir

各典型斷面套繪情況也顯示，向家壩庫(kù)區(qū)泥沙淤積基本上都發(fā)生在深槽內(nèi)。向家壩庫(kù)區(qū)河道斷面形態(tài)以“U”型和“V”形為主，間或有“W”形斷面分布，水庫(kù)自2012年10月蓄水運(yùn)用以來(lái)，庫(kù)區(qū)河道淤積以主槽的平淤為主要形式，庫(kù)尾段部分?jǐn)嗝娴蜑?huì)受采砂活動(dòng)或是溪洛渡水庫(kù)攔沙作用影響而發(fā)生沖刷變形。與淤積量發(fā)展過(guò)程相似，各斷面深槽的淤積抬高主要發(fā)生在2013年4月至2013年11月期間(圖8)。

圖8 向家壩庫(kù)區(qū)典型斷面套繪圖Fig.8 Typical cross-sections in Xiangjiaba Reservoir

伴隨著溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)用，即開(kāi)始產(chǎn)生攔沙效應(yīng)，綜合輸沙法和地形法計(jì)算成果，溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)都處于淤積狀態(tài)，且溪洛渡庫(kù)區(qū)泥沙淤積幅度較下游向家壩庫(kù)區(qū)顯著偏大。2種方法所得溪洛渡庫(kù)區(qū)淤積量差異較大，而向家壩庫(kù)區(qū)淤積量的差異較小。無(wú)論是輸沙法還是地形法，計(jì)算的2庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積量都較工程可研階段的模型預(yù)測(cè)值顯著偏小，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于上游來(lái)沙量與可研階段相比大幅度減少。溪洛渡、向家壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積都以主河槽的平淤、深泓高程抬高為主要形式。

5 梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行對(duì)三峽水庫(kù)的影響

5.1 對(duì)三峽水庫(kù)入庫(kù)水沙的影響

5.1.1 入庫(kù)沙量大幅度減少

向家壩、溪洛渡水電站論證階段，長(zhǎng)江科學(xué)院計(jì)算了2庫(kù)單獨(dú)運(yùn)用、聯(lián)合運(yùn)用對(duì)下游朱沱站(距三峽大壩約757 km，為三峽水庫(kù)入庫(kù)干流控制站)輸沙量的影響，結(jié)果表明向家壩水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)用10 a，朱沱站輸沙量?jī)H為上游不建庫(kù)的50%，溪洛渡水庫(kù)的攔沙作用更大，單獨(dú)運(yùn)用10 a，朱沱站10 a輸沙量?jī)H相當(dāng)于上游不建庫(kù)的39.5%[6]。胡艷芬等[7]運(yùn)用一維非恒定流泥沙沖淤計(jì)算數(shù)學(xué)模型對(duì)向家壩水電站進(jìn)行100 a水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算，并且考慮到上游溪洛渡及二灘水庫(kù)的影響，10 a后朱沱站來(lái)沙占上游不建庫(kù)的34.9%。李海彬等[8]考慮金沙江中游金安橋、觀音巖，金沙江下游4大梯級(jí)水庫(kù)及其他支流等14座水庫(kù)，計(jì)算出三峽年均入庫(kù)泥沙將減小為9 030萬(wàn)t/a，僅為1990年前均值的18.3%。實(shí)際過(guò)程中，伴隨著二灘及金沙江中游等梯級(jí)電站陸續(xù)建成運(yùn)用，溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水運(yùn)用前，朱沱站的沙量已經(jīng)出現(xiàn)了一定幅度的減少；溪洛渡、向家壩水庫(kù)蓄水后，朱沱站沙量減幅進(jìn)一步加大，且減幅超過(guò)預(yù)期。

2003年6月至2014年12月，三峽水庫(kù)入庫(kù)懸移質(zhì)泥沙20.832億t，出庫(kù)(黃陵廟站)懸移質(zhì)泥沙5.074億t，不考慮三峽庫(kù)區(qū)區(qū)間來(lái)沙，水庫(kù)淤積泥沙15.759億t，近似年均淤積泥沙1.31億t，僅為論證階段水庫(kù)泥沙淤積量(數(shù)學(xué)模型采用1961—1970年系列年預(yù)測(cè)成果)的40%左右，水庫(kù)排沙比為24.4%。

三峽水庫(kù)泥沙淤積量相較于論證階段大幅度偏少的主要原因在于上游來(lái)沙量的減少。溪洛渡、向家壩電站運(yùn)行前，2003—2012年三峽水庫(kù)年均入庫(kù)沙量為20 300萬(wàn)t，較論證階段水文泥沙長(zhǎng)系列值偏少58.9%，其中，金沙江來(lái)沙偏少量為10 100萬(wàn)t，占入庫(kù)泥沙總偏少量的34%。2003—2012年年均入庫(kù)沙量較論證階段模型模擬水庫(kù)泥沙淤積采用的1961—1970年系列值偏少60%，與水庫(kù)泥沙淤積量偏少的幅度相當(dāng)。溪洛渡、向家壩電站運(yùn)行后，來(lái)自于金沙江的泥沙量進(jìn)一步大幅度減少，與2003—2012年均值相比，2013年和2014年三峽入庫(kù)沙量分別減少7 600萬(wàn)t和14 760萬(wàn)t，其中2013年向家壩站沙量減幅為14 000萬(wàn)t，是該年三峽入庫(kù)沙量偏少的絕對(duì)控制性因素，2014年向家壩站沙量減幅占三峽入庫(kù)泥沙總偏少量的94.7%(圖9)。

圖9 三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量與論證階段值對(duì)比Fig.9 Incoming sediment of Three Gorges Reservoir (TGR) in different stages

可見(jiàn)，伴隨著金沙江中下游梯級(jí)電站的陸續(xù)建成運(yùn)行，金沙江輸送至下游河道的泥沙量大幅度減少，使得三峽入庫(kù)泥沙量進(jìn)一步減少，對(duì)水庫(kù)泥沙淤積的影響幅度基本上與沙量減幅相當(dāng)。泥沙淤積幅度大大減輕是三峽水庫(kù)汛后進(jìn)一步提前蓄水、汛期中小洪水調(diào)度等優(yōu)化調(diào)度方案相關(guān)論證工作開(kāi)展的重要前提。

5.1.2 入庫(kù)泥沙顆粒變細(xì)

由于泥沙粒徑和沉速的區(qū)別，水庫(kù)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)特性泥沙的影響程度也不同，粗顆粒的推移質(zhì)幾乎被全部攔截，只有粒徑很細(xì)的沖瀉質(zhì)才能被水流挾帶下泄。梯級(jí)水庫(kù)除第1梯級(jí)以外，下游各級(jí)水庫(kù)的入庫(kù)來(lái)沙都會(huì)不同程度地細(xì)化，一段時(shí)間后才能逐漸進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)。

向家壩水庫(kù)蓄水前，受金沙江中游及主要支流梯級(jí)水庫(kù)攔沙作用影響，向家壩壩前屏山水文站懸移質(zhì)泥沙已經(jīng)出現(xiàn)了細(xì)化的現(xiàn)象，2012年之后屏山水文站改為水位站，向家壩壩下游設(shè)立的向家壩水文站懸移質(zhì)泥沙級(jí)配進(jìn)一步細(xì)化，<0.062 mm顆粒泥沙沙量百分?jǐn)?shù)由1988—2012年均值的77.1%增至2014年的96.7%，增幅近20個(gè)百分點(diǎn)。溪洛渡、向家壩聯(lián)合攔截了來(lái)自于金沙江下游的粗顆粒泥沙后，下游朱沱站懸移質(zhì)泥沙也隨之細(xì)化，三峽水庫(kù)蓄水后2003—2012年，朱沱站<0.062 mm懸移質(zhì)泥沙沙量百分?jǐn)?shù)為83.7%，至2013年增至88.3%，2014年來(lái)水量略偏大，沙量百分?jǐn)?shù)減小至86.3%，也存在泥沙細(xì)化的現(xiàn)象，但受到沿程床沙的補(bǔ)給作用，細(xì)化的程度較向家壩壩下游偏小(圖10)。

圖10 控制水文站懸移質(zhì)泥沙級(jí)配變化Fig.10 Gradation of suspended sediment at control stations in different stages

5.2 對(duì)三峽水庫(kù)庫(kù)尾河段泥沙沖淤的影響

三峽工程設(shè)計(jì)論證階段，變動(dòng)回水區(qū)泥沙沖淤對(duì)航運(yùn)的影響和回水末端的洪水位抬高一直是三峽水庫(kù)泥沙問(wèn)題的研究重點(diǎn)，尤其是位于庫(kù)尾的重慶主城區(qū)河段，是我國(guó)西南地區(qū)的重要碼頭、港口中心，其淤積發(fā)展趨勢(shì)對(duì)防洪、港口運(yùn)用等至關(guān)重要。重慶主城區(qū)河段全長(zhǎng)約60 km，長(zhǎng)江干流段自大渡口至銅鑼?shí){，長(zhǎng)約40 km，嘉陵江于朝天門入?yún)R長(zhǎng)江，嘉陵江段自井口至朝天門長(zhǎng)約20 km屬于重慶主城區(qū)河段范圍內(nèi)。

三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水初期，水庫(kù)回水范圍覆蓋到重慶主城區(qū)河段，汛后受壩前水位抬高的影響，河段走沙期推遲，歷時(shí)縮短，強(qiáng)度下降，庫(kù)尾河段出現(xiàn)淤積的現(xiàn)象。伴隨著上游來(lái)沙量大幅度減少，河段淤積減緩。2014年，三峽水庫(kù)采用正常運(yùn)用方式，未開(kāi)展消落期的減淤調(diào)度試驗(yàn)，但由于上游來(lái)沙量大幅度減少，重慶主城區(qū)河段干流控制站朱沱站沙量較上年偏少49.3%，嘉陵江段沙量較上年偏少74.8%，扣除采砂活動(dòng)的影響，重慶主城區(qū)河段首次出現(xiàn)了三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)的微沖狀態(tài)。此前2008—2013年，其中2011—2013年三峽水庫(kù)還進(jìn)行了消落期庫(kù)尾河段減淤調(diào)度試驗(yàn)，一定程度上加大了河段消落期的走沙強(qiáng)度，但重慶主城區(qū)河段累計(jì)都表現(xiàn)為淤積(表2)?？梢?jiàn)，金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)蓄水?dāng)r沙對(duì)“三峽水庫(kù)庫(kù)尾泥沙淤積強(qiáng)度減小，甚至出現(xiàn)沖刷”有十分重要的影響，這與張緒進(jìn)等人研究成果基本一致[9]。

表2 三峽水庫(kù)(175 m)試驗(yàn)性蓄水后重慶主城區(qū) 河段沖淤量統(tǒng)計(jì)Table 2 Sediment depositions in the reach of urban Chongqing in the presence of impoundment level 175 m of TGR 萬(wàn)m3

6 結(jié) 論

(1) 金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)沙量大幅度減少。1998年雅礱江二灘電站運(yùn)行，金沙江下游沙量開(kāi)始減少；2010年后，中游金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖、梨園等水電工程相繼建成運(yùn)行，下游梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)沙量繼續(xù)減少，對(duì)于最下游的向家壩電站，溪洛渡水庫(kù)蓄水后，其入庫(kù)沙量則進(jìn)一步減少。

(2) 金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)入溪洛渡、向家壩庫(kù)區(qū)泥沙淤積幅度較小。輸沙法計(jì)算出溪洛渡、向家壩水電站2014年分別淤積泥沙6 191萬(wàn)t和418萬(wàn)t(不考慮區(qū)間及支流來(lái)沙)，梯級(jí)水庫(kù)2014年聯(lián)合排沙比為3.2%。地形法統(tǒng)計(jì)出溪洛渡水庫(kù)蓄水后2013年5月至2014年11月深泓縱剖面高程平均淤積抬高約4.7 m，發(fā)生在整個(gè)庫(kù)區(qū)內(nèi)；向家壩水庫(kù)蓄水后2012年11月至2013年11月深泓縱剖面高程平均淤積抬高0.6 m，庫(kù)尾河段因緊鄰溪洛渡水電站下游而沖刷，淤積集中在壩前段。2庫(kù)庫(kù)區(qū)均以主河槽的平淤為主。

(3) 金沙江下游梯級(jí)電站蓄水運(yùn)用后，三峽水庫(kù)入庫(kù)干流控制站朱沱站沙量大幅度減少，庫(kù)尾河段出現(xiàn)沖刷。與2003—2012年均值相比，2013年和2014年三峽入庫(kù)沙量分別減少7 600萬(wàn)t和14 760萬(wàn)t，其中2013年向家壩站沙量減幅為14 000萬(wàn)t，是該年三峽入庫(kù)沙量偏少的絕對(duì)控制性因素，2014年向家壩站沙量減幅占三峽入庫(kù)泥沙總偏少量的94.7%；同時(shí)，三峽入庫(kù)干流懸沙級(jí)配略有細(xì)化；2014年來(lái)沙量大幅度減少使得位于三峽水庫(kù)庫(kù)尾的重慶主城區(qū)河段首次呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)。

[1] 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 金沙江溪洛渡水電站可行性研究報(bào)告[R]. 成都: 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 2005.

[2] 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 金沙江向家壩水電站可行性研究報(bào)告[R]. 長(zhǎng)沙: 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 2006.

[3] 陳 進(jìn), 徐 平. 金沙江科學(xué)考察的幾個(gè)問(wèn)題及思考[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2013, 30(1): 1-6.

[4] 馮秀富, 楊青遠(yuǎn), 張歐陽(yáng)，等. 二灘水庫(kù)攔沙作用及其對(duì)金沙江流域水沙變化的影響[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2008,40(6):37-42.

[5] 彭 楊, 紀(jì)昌明, 劉 方. 溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)汛末蓄水時(shí)間與目標(biāo)決策研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,22(6):1098-1107.

[6] 長(zhǎng)江科學(xué)院. 向家壩及溪洛渡水庫(kù)修建后三峽水庫(kù)水庫(kù)淤積一維數(shù)模計(jì)算報(bào)告[R]∥三峽工程泥沙問(wèn)題研究成果匯編. 武漢: 長(zhǎng)江科學(xué)院，1998.

[7] 胡艷芬,吳衛(wèi)民,陳振紅.向家壩水電站泥沙淤積計(jì)算[J]. 人民長(zhǎng)江, 2003,34(4): 36-48.

[8] 李海彬, 張小峰, 胡春宏，等. 三峽入庫(kù)沙量變化趨勢(shì)及上游建庫(kù)影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2011,30(1):94-100.

[9] 張緒進(jìn), 母德偉, 陳賢祎. 上游來(lái)水來(lái)沙變化及對(duì)三峽水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)泥沙淤積的影響[J]. 水運(yùn)工程, 2009,(8):94-97.

(編輯：姜小蘭)

Sediment Deposition of Cascade Reservoirs in the Lower Jinsha Riverand Its Impact on Three Gorges Reservoir

ZHU Ling-ling1, DONG Xian-yong2, CHEN Ze-fang1

(1.Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China;2.China Three Gorges Construction and Management Co., Ltd.,Chengdu 610042, China)

Xiangjiaba Reservoir and Xiluodu Reservoir have successively entered impoundment stage since 2012, and in the meantime intercepted sediment from the lower Jinsha River. According to field data of runoff, sediment and some cross-sections, the amount and distribution features of sediment deposition in the cascade reservoirs since their operation are calculated, and their influences on the Three Gorges Reservoir (TGR) are studied. Results indicate that sediment deposition in Xiluodu Reservoir and Xiangjiaba Reservoir are both less than the estimated amount. The cascade reservoirs reduced the incoming sediment of TGR, and correspondingly reduced the deposition in its tail reach. The research results are of great significance for the operation of cascade reservoirs and the regulation optimization of TGR.

hydropower stations in the lower Jinsha River; cascade reservoirs; sediment deposition in reservoir; Three Gorges Reservoir; runoff and sediment

2016-01-07；

2016-04-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402301，2016YFC0402101)；水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2013-ky-1)

朱玲玲(1984-)，女，江西鄱陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士，主要從事泥沙輸移及河道演變方面研究，(電話)13627285182(電子信箱)Zhull1012@foxmail.com。

10.11988/ckyyb.20160007

2017,34(3):1-7

TV14

A

1001-5485(2017)03-0001-07