溪洛渡水庫減緩三峽庫區泥沙淤積的試驗分析

張緒進　母德偉　肖白云

摘要 在涪陵長江河段1：150正態模型上，進行有無溪洛波水庫攔沙情況下三峽水庫按照156m方案運行的系列泥沙試驗證明，若修建溪洛渡水庫，該河段泥沙淤積總量將減少58.7%，水面比降降低0.054%-0.061%，這不僅對于改善該河段港區的航道條件，減少后期移民數量十分有利，而且對于改善整個三峽庫尾的生態環境具有重要作用。

關鍵詞 泥沙淤積 三峽 試驗分析

1、 前言

溪洛渡水電站位于金沙江干流，四川省雷波縣與云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷內。該工程庫容129.6億m³，電站裝機1260萬kW年發電量573.1億kW·h，將是我國繼三峽工程之后第二座巨型水利樞紐工程。溪洛渡水庫控制流域面積45.44×104km2，占金沙江流域的96%，適宜的地理位置和巨大的水庫庫容決定了溪洛渡水庫在攔截金沙江泥沙減緩三峽入庫泥沙和庫尾河段泥沙淤積具有重要作用。

圖1 試驗河段河勢圖

西南水科所原已建成三峽庫區涪陵河段1：150正態泥沙模型。模型范圍：長江從貓貓巖以上500m(距宜昌航道里程543.5km)至郭家咀以下約700m處(航道里程531.7km)烏江從馬腳溪以上約300m處至匯合口。模型實際模擬長江河段約12km，烏江河段約4km。模型沙采用四川榮昌精煤粉，其比重γ₁＝1.33t/m³。由于涪陵河段位于三峽庫區長江與烏江交匯處，在三峽水庫按156m方案運行時期該河段屬于水庫回水變動區，其河道特征與水沙運動特性及泥沙淤積均與三峽水庫按175m方案運行時重慶河段的情況類似，具有可比性。因此，我們利用原涪陵河段正態泥沙模型作三峽水庫按156m蓄水位方案運行的系列泥沙試驗，研究溪洛渡水庫攔沙對于減緩三峽庫尾河段泥沙淤積的效果和作用。

涪陵長江河段河道彎曲，河寬500～900m，彎道最小曲率半徑2000m，河中靠岸一側有鋸子梁、洗手梁，南岸則有著名歷史文物景觀白鶴梁縱臥于江中，以下又有川江著名的和尚灘存在。由于涪陵河段岸線參差不齊，河床底部起伏不平，兩江匯流相互頂托，使該河段水流結構十分復雜。

根據長江寸灘水文站資料統計及有關研究成果，涪陵長江河段多年平均流量為11200m³/s，多年平均懸移質輸沙量為4.6億t，沙質推移質為600萬t，卵石推移質為28.97萬t，懸移質、沙質推移質及卵石推移質的中數粒徑分別為0.034mm、0.14mm和51mm。溪洛渡水庫建成后，其巨大的庫容將攔截金沙江進入長江三峽庫尾的大量泥沙，根據溪洛渡水庫調度方式及沖淤計算結果，水庫運行10年、30年和50年，其出庫懸移質含沙量分別為0.477kg/m³、0.548kg/m³、和0.650kg/m³，其懸移質攔沙率分別為72.4%、68.3%、62.4%，本試驗采用溪洛渡水庫運行10年時的出庫含沙量，按比例推算長江寸灘站的含沙量，計算結果表明，溪洛渡水庫運行10年時，長江寸灘站的懸移質含沙量將由多年平均值1.31kg/m³變為0.731kg/m³，懸沙中值粒徑將由0.034mm減小到0.018mm。

3、 試驗條件與設備

3.1 模型進出口水沙控制條件

無溪洛渡水庫攔沙情況下三峽156m蓄水位方案時的泥沙淤積試驗選用1961～1970年的水文系列年資料，考慮到該方案運行時，涪陵河段正處于回水變動區，使該河段同時具有天然河道和水庫的雙重性，汛期水庫敞泄，該河段與天然情況相接近。因此本試驗模型進口水量的沙量直接采用長江寸灘站烏江武隆站的日平均流量和含沙量概化成果，溪洛渡水庫修建后，三峽庫尾入庫懸移質含沙量將有較大程度的減小，懸移質粒徑將發生細化，根據國家電力公司成都勘測設計研究院提供的資料，溪洛渡水庫運行10年時，長江寸灘站懸移質含沙量將減少44.2%，中值粒徑將減小為d₅₀=0.018mm。為了進行對比分析，減少試驗的水文系列仍采用上述無溪洛渡水庫時的概化成果，其含沙量采用寸灘站的天然含沙量扣除因溪洛渡水庫攔截的那一部分泥沙，懸沙級配見表1。關于沙質推移質和卵石推移質的加沙問題，兩組試驗均根據三峽水庫運行10年模型實測各級流量水力要素用公式進行計算，采用同一加沙量和加沙級配。兩組試驗模型尾水位均按長科院一維數學模型計算成果進行控制。

3.2 試驗設備與量測儀器

渾水系統設有地下水庫1座，地上水庫、水池3個，沉沙分沙池1座及相應的分水分沙和加水加沙管道網。底沙和卵石在模型進口由加沙機按時按量均勻加入，然后在尾門后的沉沙池內沉淀下來，即底沙和卵石不參加循環。為防止泥沙在進入模型前沉積，采用巴歇爾量水堰控制模型進口流量，模型尾水位用郭家咀水尺通過尾門進行調節，懸沙含沙量由1000ml比重瓶稱重并配合渾度儀進行監測，懸沙級配由光電測沙儀分析確定，淤積地形用電阻式測淤儀測量。

圖2 斷面泥沙淤積比較圖

4、 泥沙淤積與河床演變對比分析

4.1 淤積量的變化與河床演變

試驗表明：在不考慮溪洛渡水庫攔沙的情況下，三峽水庫初期按156m蓄水位方案運行時，涪陵河段的泥沙淤積具有呈積累性增長的趨勢。水庫運行10年，涪陵城區長江從龜門關至苦竹沱河段(長約8.055km)的泥沙總量為2066.3萬m³，單位河長的泥沙淤積量為256.52萬m³/km(見表2)。溪洛渡水庫修建后，由于攔截了金沙江進入長江的大量粗顆粒泥沙，在相同條件下運行10年，試驗河段內僅淤積853.1萬m³，單位河長淤積量為105.91萬m³/km，較無溪洛渡水庫攔沙時淤積總量減少1231.2萬m³，單位河長淤積量減少150.61萬m³/km，減淤58.7%。由試驗觀測和泥沙淤積的剖面圖(圖2)可以看出，在兩種試驗條件下，水庫按156m方案運行10年，泥沙淤積的形態和部位均基本相似，主要分布在河床較寬淺的邊灘、彎道凸岸線和岸線參差不齊的凹岸緩流區。對比有無溪洛渡水庫攔沙不難看出，溪洛渡建庫后，三峽水庫回水變動區河段泥沙淤積量大量減少，效果十分顯著。例如在石谷溪至龍王咀河段的右岸白鶴梁以內，無溪洛渡水庫攔沙情況下的邊灘淤積寬度在170m左右，最大淤積厚度達17.6m，淤積頂面高程達151～153m，考慮溪洛渡攔沙后，該河段的淤積邊灘寬度減小到120m左右，最大淤積厚度為9.3m，灘面高程降低到144～147m。在黃巴磧沿岸，無溪洛渡水庫攔沙時邊灘淤積寬度一般為200m左右，最大淤厚達18m，灘面高程152～153m；溪洛渡建庫攔沙后，該河段淤積值相應減小為130m，10m，146～148m。無溪洛渡水庫攔沙情況下的10年系列輸沙試驗結果，在龍王淪形成了較大的錐形淤積體。最大淤厚約39m，淤面高程達142m；考慮溪洛渡水庫攔沙時其淤積體大大減小，相應值僅為8.5m和113m。縱觀本河段泥沙淤積的總體趨勢可以看出，在無溪洛渡水庫攔沙的情況下，三峽水庫按156m方案運行至第10年末。涪陵長江河段的邊灘發育已較完整，其主河槽大部分地段也已出現明顯淤積，河段向著單一、規順、微彎的高灘深槽方向發展，符合回水變動區河床演變的一般規律。考慮溪洛渡水庫攔沙情況以后，在三峽水庫按156m方案運行至第10年末，由于泥沙淤積明顯減少，邊灘發育尚不完整，其主要河段基本保持原天然河道的自然岸線，對于保持原河段的穩定和自然特性具有重要作用.

4.2 泥沙淤積的灘槽分配與粒徑分布

為了說明泥沙淤積的灘槽分配與粒徑分布，以實測枯水流量Q_長/Q_烏＝3040/1000水邊線為標準，水邊線以內的河槽為主河槽，其余為邊灘。由表2可知，在無溪洛渡水庫攔沙情況下，三峽水庫按156m方案運行10年后本河段灘槽配比為2.79，在考慮溪洛渡水庫攔沙條件下，主河槽減淤40.3%，邊灘減淤65.3%，其灘槽分配比變為1.62。取不同部位淤積物分析可知，兩種試驗條件下相同部位的泥沙淤積物的粒徑級配變化甚小，總的是邊灘淤積物的顆粒相對較粗，推移質所占比例較大。由此可見，考慮溪洛渡水庫攔沙時，試驗河段泥沙淤積的減少主要是以懸移質淤積為主的邊灘沙淤積的大量減少，這是由于在有溪洛渡水庫攔沙的減沙試驗中，模型進口懸移質含沙量下降，水流中可淤積的泥沙減少。同時由于入庫沙變細，沖泄質含量增大，細顆粒泥沙不易落淤，加上水流含沙量減少，非飽和加大，水流挾沙能力相對增強，因此已淤積的部分泥沙有可能被沖起隨水流向下游輸送。上述因素說明，溪洛渡水庫修建后三峽水庫回水變動區懸移質泥沙將會顯著減少。另外考慮到推移質泥沙的輸移很復雜，溪洛渡水庫建成后三峽庫尾河段推移質輸沙量更加難以把握，故兩種情況下的輸沙試驗推移質采用同一加沙量。因而以推移質泥沙淤積為主的主河槽淤積量變化相對較小。

5、 水位與水面比降變化

考慮溪洛渡水庫建成攔沙后，由于涪陵河段的泥沙淤積較無溪洛渡水庫攔沙時有明顯減少，河道有效過水面積相對較大，各級流量情況下該河段的水位有不同程度的降低。以石谷溪附近的6號水尺為例：三峽水庫按156m方案運行至第十年、當Q_長/Q_烏＝16500/2330、23700/5150和45000/2390時，考慮溪洛渡建庫攔沙時該水尺水位比無水庫時分別降低0.24m、0.34m、和0.38m。可以看出流量小時水位降低較少，流量大時水位降低相對較多，這是因為小流量時河道內水位較低，水流歸槽，邊灘泥沙淤積的減少對有效過流面積的影響不大，大水流時水位高，水流漫灘，邊灘泥沙淤積的減少而使有效過流面積減少較多造成的。試驗還表明各級流量情況下，試驗河段內上游水位降低較多，下游較少。例如當Q長/Q烏＝23700/5150時，溪洛渡水庫攔沙情況下龜門關水尺(2號水尺)的水位降低0.45m，而下游黃巴磧附近(9號水尺)其水位降低值僅為0.12m。顯然有溪洛渡水庫攔沙時的水面比降必然較無溪洛渡水庫攔沙時的天然情況有一定程度的減小，實測各級流量情況下涪陵河段的水面比降平均減小0.054%～0.0061%，局部最大比降減小0.0086%見表3和表4。由此可知，溪洛渡水庫建庫攔沙后，三峽庫尾淤積的減小，將有效地控制庫尾河段因泥沙淤積引起的水位上揚，降低該河段的水面比降，對減小三峽庫尾河段后期的淹沒損失和移民數量與改善通航條件都是十分有利的。

6、 溪洛渡水庫建庫攔沙對三峽庫尾河段的主要影響

6.1 有利于改善庫尾河段的通航條件

①溪洛渡水庫攔沙后，由于三峽回水變動區泥沙淤積的減少，特別是邊灘泥沙淤積的大量減少，對維持該河段航道的穩定，保持有效航寬較為有利，以試驗河段101號和113號斷面為例，在三峽水庫按156m運行至第10年，當Q_長/Q_烏＝23700/5150時溪洛渡建庫攔沙較無溪洛渡水庫時其有效航寬分別增加約70m和110m。

②溪洛渡水庫建成后，由于三峽尾河段泥沙減少，該河段有效過流面積增大，流速趨緩，水面比降減小，有利通航水流條件的改善。

③由于邊灘泥沙淤積的減少，對于保持港區水域條件、保證船舶在港區的順利航行、停靠和進出港作業及碼頭設施的正常運用十分有利。

6.2 有利于減少三峽庫尾河段的后期移民

三峽庫尾河段泥沙淤積減少，有效地延緩了該河段因泥沙淤積引起水位上揚(翹尾巴現象，)從而減少了因庫尾泥沙淤積引起水位上升而產生的淹沒損失，減少了移民數量。

6.3 有利于改善三峽庫尾河段的環境條件

溪洛渡水庫攔沙后，由于庫尾回水變動區河段沿岸邊灘泥沙淤積的減少，有利于已建的取水排污設施正常功能的發揮。有利于減少因泥沙淤積而引起的環境衛生問題。

7、 結論和建議

①三峽水庫按156m方案運用時涪陵河段與按175m方案運用時重慶河段均處于水庫回水變動區，水沙運動特征類似，具有可比性。涪陵河段泥沙模型的設計與相似性驗證及泥沙試驗成果已通過專家評審，認為溪洛渡水庫攔沙對于減緩三峽庫區回水變動區泥沙淤積效果的對比試驗選擇在涪陵河段1：150的正態泥沙模型上進行是恰當的，其試驗成果可供重慶河段參考。

②溪洛渡水庫建成以后，由于其庫容巨大，有效地攔截了金沙江注入長江的大量泥沙，三峽入庫含沙量將明顯減少，在本試驗給定的邊界條件下，當三峽水庫按156m方案運行10年后較無溪洛渡水庫時涪陵河段泥沙淤積總量減少1213.2×104m³(減少58.7%)，其中邊灘淤積量減少993.1×104m³(減少65.3%)，深槽淤積量減少220.1×104m³(減少40.3%)。減淤效果顯著。

③溪洛渡建庫攔沙以后，將有效地延緩河段因泥沙淤積而引起的水位上揚，減小水面比降，根據本次對比試驗，三峽水庫按156m方案運行10年，有溪洛渡水庫攔沙較無水庫攔沙，該河段的上游水位降低值為0.44～0.51m，其水面比降減小0.0054%～0.061%。

④溪洛渡水庫建成以后，由于三峽庫區回水變動區乃至整個庫區河段泥沙淤積減少或減緩，對改善該河段的通航條件、減少后期淹沒損失和移民數量、改善三峽庫尾河段的生態環境十分有利。

⑤鑒于修建溪洛渡水庫可以從根本上緩解三峽庫區重慶河段的泥沙淤積與生態環境問題，建議國家有關部門優先安排該項目，并對該項目的有關泥沙問題作進一步論證。