三峽水庫汛末蓄水對長江中游航道條件影響及調度優化探討

茆長勝，李 彪

（長江航道規劃設計研究院，武漢 430011）

三峽水庫汛末蓄水對長江中游航道條件影響及調度優化探討

茆長勝，李 彪

（長江航道規劃設計研究院，武漢 430011）

根據實測資料分析了三峽水庫汛末蓄水對長江中游航道條件的影響，在此基礎上，對正常運行期的蓄水調度方案進行了優化探討。研究結果初步認為：目前水庫蓄水時間必須提前至9月，宜昌下泄流量應大于10 000～12 000 m3/s，每日流量變幅不宜超過1 500 m3/s。

汛末蓄水；航道條件；優化調度;三峽水庫

Biography：MAO Chang-sheng（1958-），male，senior engineer.

三峽工程舉世矚目，具有防洪、發電、航運等綜合效益，先后經歷了135 m圍堰發電期、156 m初期運行期、175 m試驗性蓄水運用等不同階段，即將進入175 m正常運行期。三峽水庫蓄水運用后，水庫汛前降水速度、汛后蓄水時機和進程、枯期消落方式等調度都會對長江中游航道產生重要影響。三峽大壩攔蓄了大部分泥沙，下泄水流含沙量急劇減少，葛洲壩壩下近壩河段及中游部分河道普遍沖刷，導致水位下降，枯水期及汛后通航水深不足，中游淺水道多次發生礙航情況，航道維護困難，長江黃金水道重要作用難以充分發揮［1-3］。

三峽水庫進入正常運行期后，由于三峽水庫水位進一步抬高，攔蓄水沙能力進一步加強，加上三峽電站進行日調節，將加快壩下游河段的沖刷進程，可能造成中游航道礙航問題加劇或出現新問題。為了保證壩下游航運的安全暢通，針對三峽水庫正常運行期的實際情況，從航運角度研究三峽水庫正常運行期汛前降水和汛后蓄水壩前水位控制條件以及葛洲壩樞紐下泄流量、日變幅等方面的基本調度需求，提出相應的航運調度優化方案，消減給航運帶來的不利影響，已成為目前航道管理中亟待研究解決的關鍵難題，也是制約三峽水庫正常運行期航運效益發揮的重大問題。本文重點闡述三峽水庫汛末蓄水調度對長江中游航道條件的影響，并對調度方案進行了優化探討［4-5］。

1 三峽水庫汛末蓄水對中游河段航道的影響

1.1 三峽水庫汛末蓄水方式

初步設計三峽水庫蓄水方式為：在每年汛后10月1日開始蓄水，庫水位由防洪限制水位逐漸抬升，至10月31日庫水位達到175 m（156 m）高程，實現最終（階段性）蓄水目標。自2008年三峽水庫進入175 m實驗性蓄水階段以來，相較設計調度方式而言，其蓄水時間均有所提前，其中2008年提前到9月28日、2009年提前到9月15日、2010年提前到9月10日；從壩前水位起蓄水位看，2008年為145.27 m，2009年為145.87 m，2010年為160.2 m；從蓄滿狀況看，2008年蓄到172.8 m，2009年因為中下游發生持續旱情，蓄到171.43 m，2010年順利蓄到175 m最高蓄水位。2011年度，根據三峽集團公司的計劃，三峽水庫計劃從9月10日155 m開始試驗性蓄水。

與天然情況相比，三峽水庫汛末蓄水，水庫攔蓄上游來流，下泄流量減少較多，可能對該時期的淺灘沖刷時間和沖刷流量造成不利影響。

另外，由于長江來水變化隨機性較大，按三峽水庫設計的蓄水方式，三峽水庫在較多的年份難以在10月底蓄滿。但隨著西部大開發和長江上游水電建設的蓬勃發展，上游建庫后由于梯級水庫綜合調度能力增強，上游水庫的汛后蓄水將進一步減少三峽水庫的可蓄水量，將加重三峽水庫的蓄不滿情況。選用1950～2002年水文系列計算可知，在上游無水庫條件下，10月底蓄不滿比例約占72%，上游建庫后蓄不滿比例有所提高約占75%；至11月底，蓄不滿比例分別約為8%和9%；即使至12月底，水庫蓄不滿比例分別約6%。由此可見，按目前三峽水庫汛后蓄水方式，某些年份水庫不僅在10月底蓄不滿，即使推遲到11月，乃至12月份，水庫仍難以蓄滿。

水庫10月底不能蓄滿使得下泄流量減少，不僅難以滿足蓄水期和枯水期下游航道條件的要求，而且也將影響水庫綜合效益。如何保證水庫盡可能蓄滿，對于枯期航道條件具有重要意義。

1.2 蓄水以后汛末流量過程及引起的航道條件變化

以1990～2002年以及2003～2010年分別作為蓄水前后的代表流量系列，對比蓄水前后的年內流量過程如圖1所示。蓄水后相比于蓄水前最明顯的流量過程變化特征就表現在汛后流量的減少，其發生的時間始于9月中旬，終于11月上旬，該段時間內流量過程較蓄水前平均減少了5 000 m3/s以上。

以20 000 m3/s流量視為汛期和退水期的分界流量，流量退至8 000 m3/s視為退水期結束的標志，每年汛后流量由20 000 m3/s減小到8 000 m3/s所歷經的天數視為退水期長度。按照這個標準，蓄水前退水期的長度一般在35～55 d，天數小于35或者大于55的年份都很少。退水期結束的時間，一般出現在11月中旬至12月下旬，11月中旬之前結束的不多；三峽水庫蓄水以來的2004～2007年退水期長度和結束時機相對于蓄水前減幅不大，僅2006年由于出現歷史罕見的特枯水年，7月份流量便小于20 000 m3/s，因而使退水期時間較長。由2008年以后的下泄流量過程可見，三峽水庫進入正常運行期后，汛后退水特征的變化趨勢是：退水期結束的時間大大提前，退水期長度大幅減少。

圖1 三峽水庫蓄水前后年內平均流量過程Fig.1 Average flow of the Three Gorges Reservoir before and after impoundment

伴隨著汛后退水加快，壩下游沙質河床的淺灘演變出現了一些新的特性。例如2008年三峽水庫試驗性蓄水過程中，10月下旬漢口水位5 d內陡降3 m，漢陽邊灘不斷淤寬下移，淺區不斷向大橋#5橋孔移動，橋區上水航道水深日益減小，通過禁航疏浚才確保了橋區航道暢通。2009年11月份后水庫下泄流量較小，中下游各港埠水位提前回落，太平口等部分淺水道航道維護困難［6］。

2 三峽水庫汛末蓄水期優化調度方式分析

2.1 航道條件對下泄流量過程及變幅的要求分析

2.1.1 航道條件對流量過程的需求分析

對于河道中存在邊心灘的河段，水位在由汛期向枯期的退落過程中，水流由漫灘狀態逐漸歸于主河槽，并對主河槽進行沖刷，從而使淺灘水深得以增加，該流量可稱為沖槽流量。從監利水道水位與淺灘脊水深關系圖（圖2）可以看出，當水位高于航行基面以上6 m時，水位下降幅度與淺灘脊水深下降幅度基本一致，表明隨著水位的下降淺灘沖刷幅度很小。而當水位低于航行基面以上5 m時，隨著水位的下降，淺灘脊水深變化不大，表明此時淺灘沖刷較大。藕池口水道水位與淺灘脊水深關系（圖3）同樣也表明當水位低于航行基面以上5 m時，淺灘沖刷增強［7］。

圖2 監利水道水位與淺灘脊水深之間關系Fig.2 Relationship between water level of Jianli waterway and water depth of shallow ridges

圖3 藕池口水道水位與淺灘脊水深關系Fig.3 Relationship between water level of Ouchikou waterway and water depth of shallow ridges

進一步分析發現，沖槽流量對應的水位與航道條件較好年份的邊、心灘高程基本一致，基本位于航行基面以上4～6 m。為簡單起見，取沖槽流量對應水位為航行基面以上5 m，結合沙市、監利站水位流量關系可知，上荊江沖槽流量約為12 000 m3/s，下荊江沖槽流量約為10 000 m3/s。需要指出的是，這里提出的沖槽流量是指邊心灘較為高大完整情況下的統計值，對于蓄水后邊心灘散亂的河段，顯然需要更長的沖刷期，也即需要更大的沖刷流量［8-9］。

2.1.2 航道條件對流量變幅的需求分析

下泄流量降幅過大對航道條件影響較大。2008年三峽水庫蓄水時間為9月28日。蓄水分兩個階段進行。第一階段蓄水期間，三峽入庫流量大，葛洲壩出庫流量也大，該階段壩上水位逐步抬升，中、下游河段水位緩慢退落；第二階段蓄水期間，三峽入庫流量大，而葛洲壩出庫流量小，該階段宜昌流量從10月17日13 600 m3/s快速下降，尤其是中、下旬下降速度較快，最小流量僅5 510 m3/s，長江中、下游河段水位快速回落,監利水位由10月16日的6.85 m降至24日的3.78 m，8 d降幅達3.07 m，最大日降幅達0.62 m，日均降幅0.38 m，其中17日至23日日均降幅達0.49 m。在此期間，窯監水道泥沙得不到及時有效沖刷，航道水深迅速減小，僅能維持3.2 m×80 m（水深×航寬）航道維護尺度，長江航道部門緊急派遣兩艘挖泥船駐守該水道，堅持每天施工，但因淺區范圍大，挖槽內回淤嚴重，航道維護挖泥疏浚效果不明顯。后經多方協調，三峽水庫下泄流量適當增加，勉強保證了該水道維護尺度要求。

因此，汛后蓄水過程中，蓄水過快容易造成下泄流量的變幅較大，對中下游航道產生不利影響。為消除這種不利影響同時又能保障水庫蓄滿，應當根據入庫流量過程實際情況適當延長蓄水時間，放緩蓄水速度。

綜合以上分析可以看出，為維持良好的航道條件，對汛末蓄水期的流量過程有如下要求：（1）應滿足沖槽流量最低要求且能保持一定的持續時間，該流量對于荊江河段而言為10 000～12 000 m3/s。（2）流量的退落過程盡量均勻，避免中下游河段水位快速回落，尤其當流量低于12 000 m3/s，日均流量變幅不能相差太大，一般應小于1 500 m3/s。為達到這2個目標，建議將水庫蓄水開始時間適當提前，蓄水時間適當延長，從而使蓄水期間下泄流量應控制在一個比較合理的區間。

2.2 保障水庫蓄滿的蓄水時間分析

針對三峽水庫汛末蓄水期壩下游河段航道條件的變化及航運需求，175 m正常運行期調度方式的優化主要集中在兩方面，一方面是水庫需要及時蓄滿，蓄水時間的確定；另一方面應能滿足下游淺灘沖刷的要求，應能保障淺灘沖刷所必須的宜昌最小下泄流量。這里分別從蓄水時間對蓄滿狀況的影響、起蓄水位的優化以及不同蓄水時間對淺灘沖刷流量滿足狀況等方面分別論述。

水庫能否蓄滿對水庫的發電和枯期下泄流量有重要的影響，這里分析了上游無庫及上游建庫兩種情況下不同蓄水時間的三峽水庫蓄滿狀況。考慮到目前175 m試驗性蓄水運用以來蓄水時間均提前至9月份，2011年已提前至9月10日，基于9月不同蓄水時間，設定蓄水時間方案如表1所示。其中，正常調度方案為三峽水庫設計論證階段提出的蓄水時間方案，即10月1日開始蓄水；優化調度方案是相對正常調度方案而言的，即提前至9月份的蓄水方案，優化調度1方案蓄水時間為9月21日，優化調度2方案蓄水時間為9月11日，優化調度3方案蓄水時間為9月1日。上述各方案相比，差別僅在蓄水時間的早晚上，蓄水過程及方式無差異。

采用1950～2002年水文系列，分別計算分析了不同蓄水方案下上述系列10～12月底的蓄滿狀況。計算徑流系列平均徑流量接近多年平均值，具有較強的代表性，實際計算時間為1950年6月1日至2003年5月31日。表2給出了上游無庫與上游建庫情況下三峽水庫蓄滿年數對比。

由表分析可知，汛后蓄水優化調度后水庫蓄滿率大為提高，而且提前天數越多，水庫蓄滿保證率越大。為保證水庫蓄滿，在設計調度方式的基礎上，提前至9月份蓄水是必要的。

2.3 三峽水庫汛末蓄水期優化調度方式

宜昌洪水主要來自上游，三峽水庫設計論證階段，對宜昌洪水進行了大量論證，綜合各方面的考慮，最終確定了10月1日蓄水的方案。隨著近年來長江上游水沙情勢的變化以及大量水電工程的建成運用，三峽水庫防洪壓力可進一步緩解，也為汛后蓄水時間及起蓄水位優化奠定了基礎。這里僅從蓄水期下泄流量優化及對蓄水時間要求加以介紹。

根據三峽水庫航運論證成果及下游淺灘沖刷實際情況，三峽水庫蓄水期下泄流量應盡量保證在10 000 m3/s以上。根據原設計調度運行方式，由于10月份本身來流相對較小，水庫蓄水與保證下泄流量的矛盾較為突出（表3）。汛后蓄水優化調度后，上述矛盾可以得到有效緩解，在不影響正常蓄水的基礎上，將進一步提高三峽水庫蓄水期下泄流量不小于10 000 m3/s的保證率。

從盡量保障航道部門的要求出發，計算了蓄水期保證下泄流量10 000 m3/s的滿足比例，優化蓄水時間后，各方案滿足比例分別為99.6%、99.8%和99.8%，對于下泄流量10 000 m3/s的情況，滿足比例可達到99%以上。

綜合三峽水庫汛后蓄水期壩下游的航道條件需求情況來看，水庫蓄水時間必須提前。綜合蓄滿狀況、壩下淺灘沖刷需求來看，蓄水時間以9月中旬為宜，9月宜昌下泄流量應大于10 000～12 000 m3/s，同時保證過程平穩，每日流量變幅不宜超過1 500 m3/s，避免水位陡降導致河床得不到及時有效沖刷。蓄水中后期（10月份）下泄流量可繼續按2011年試驗性蓄水期最小下泄流量8 000 m3/s控制。如果考慮將來溪洛渡、向家壩水庫的運用后對壩下游航道條件的影響，起蓄時間仍可進一步提前，有待下一步的深入研究。

表1 蓄水時間計算方案Tab.1 Calculation scheme of storage time

表2 上游無庫與上游建庫蓄滿年數對比（統計年份1950～2002）Tab.2 Comparison of full storage years of the reservoir（1950～2002）

表3 1946～2002年蓄水期下泄流量小于10 000 m3/s天數Tab.3 Days of discharge flow less than 10 000 m3/s in storage period from 1946 to 2002

3 結論

根據蓄水以來的實測資料，本文分析了三峽水庫汛末蓄水對長江中游河段航道條件的影響，并針對正常運行期的航運調度優化進行了研究與探討，主要認識如下：

（1）三峽水庫175 m蓄水運用以來，汛末蓄水引起汛后退水加快，流量過程縮短，下泄流量的變幅較大，導致壩下游沙質河床的淺灘在枯水初期至枯水中期淤沙難以沖刷，是其礙航的主要原因之一。

（2）根據三峽水庫汛末蓄水期壩下游河段航道條件的變化及航運需求，對175 m正常運行期汛末蓄水不同調度方式進行了研究，結果顯示現有蓄水時間必須提前，水庫蓄水應提前至9月份進行，蓄水時間以9月中旬為宜。

（3）壩下河段蓄水期由于水庫攔蓄上游來流，下泄流量減少較多，可能對該時期的淺灘沖刷時間和沖刷流量造成不利影響。為維持良好的航道條件，對汛末蓄水期的下泄流量過程一是要求維持9月宜昌最小下泄流量10 000～12 000 m3/s；同時保證流量變化過程平穩，當流量低于12 000 m3/s，日均流量變幅不能相差太大，日均流量變幅不宜超過1 500 m3/s，以避免水位陡降導致河床得不到及時有效沖刷。蓄水中后期（10月份）下泄流量可繼續按2011年試驗性蓄水期最小下泄流量8 000 m3/s控制。

考慮到長江上游溪洛渡、向家壩水庫即將投入運用，將對三峽水庫的入庫水沙條件造成重要影響，進而對三峽水庫正常運行期的調度和航道安全產生影響。目前調度方式及航運指標能否適應溪洛渡、向家壩水庫運用后的實際情況，以及溪洛渡—向家壩—三峽水庫梯級聯合運行對航運指標有何要求，建議在下一步工作中繼續開展深入研究。

［1］李明，胡小慶，李彪，等.長江三峽工程航道泥沙原型觀測2010～2011年度分析報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2011.

［2］付中敏，劉懷漢，雷國平，等.長江三峽工程航道泥沙原型觀測2009～2010年度分析報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2010.

［3］方春明，董耀華，陳松生，等.三峽工程水庫泥沙淤積及其影響與對策研究［M］.武漢：長江出版社,2011.

［4］李義天.三峽水庫提前蓄水優化調度方案研究［R］.武漢：武漢大學，2006.

［5］李義天.三峽蓄水后宜昌—城陵磯河段航道條件變化分析［R］.武漢：武漢大學，2010.

［6］計玉健，李矩海，薛俊，等.三峽—葛洲壩樞紐河段航運條件及航運調度規程技術研究［R］.武漢：長江三峽通航管理局,2008.

［7］付中敏，閆軍，劉奇峰，等.長江中游藕池口水道航道整治一期工程工程可行性研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2009.

［8］付中敏，劉懷漢，劉奇峰，等.長江中游窯監河段航道整治一期工程工程可行性研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2008.

Discussions on effects of the Three Gorges Reservoir filling on waterway condition in middle Yangtze River and reservoir operation mode optimization

MAO Chang-sheng,LI Biao
（Changjiang Waterway Planning Design and Research Insititute,Wuhan430011,China）

Based on the measured data,the effects of the Three Gorges Reservoir filling at the end of the flood season on waterway condition in middle reach of Yangtze River were analyzed.On that basis,optimization of the reservoir operation mode in the normal operation period was discussed.The results generally show that the water storage time must be arranged in September early.The outlet discharge of Yichang should be greater than 10 000～12 000 m3/s,and the daily discharge variation amplitude should not be more than 1 500 m3/s.

water storage at the end of flood period;waterway condition;optimal operation;the Three Gorges Reservoir

U 617.9

A

1005-8443（2013）02-0139-05

2012-11-26；

2013-02-18

茆長勝（1958-），男，高級工程師，主要從事航道整治工程研究。