2020年三峽水庫沙峰排沙調度分析

董炳江，許全喜，楊成剛，姜莉玲

（1.長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010；2.長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020）

2020年8月中旬，長江流域上游發生集中性強降雨，強降水區主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游。受強降雨影響，長江上游支流沱江、涪江發生超保證水位洪水，岷江及干流瀘州至寸灘江段發生超警戒水位洪水。干支流洪水嚴重遭遇，形成一次較大的復式洪水過程（4、5號洪峰）。三峽水庫入庫洪峰流量分別達到62 000 m3/s和75 000 m3/s。由于本輪強降雨帶主要位于長江上游主要產沙區，岷江、沱江、嘉陵江等流域出現了較大輸沙過程，其中沱江富順站、嘉陵江支流涪江小河壩站最大含沙量分別達到16.3 kg/m3和17.8 kg/m3，均位列各站三峽水庫175 m試驗性蓄水運用以來第三位，且含沙量大于5.0 kg/m3的天數分別達到了2 d和5 d。經估計，8月13～23日洪水期間，三峽水庫入庫沙量達到1.27億t，短短12 d的輸沙量已遠大于2014～2017，2019年全年入庫輸沙量（0.320億～0.685億t）。

如此多的泥沙淤積在三峽水庫內，將嚴重影響水庫的防洪安全和使用壽命，因此盡可能將泥沙排出庫區、減少庫區泥沙淤積至關重要［1-5］。近年來，受局部暴雨影響，三峽入庫的來沙更為集中在洪水期間，這為三峽水庫沙峰排沙調度提供了可行性［6-8］。所謂沙峰排沙調度，就是利用庫區洪峰沙峰異步傳播特性，在洪峰到來時進行攔洪削峰，減輕下游防洪壓力；當沙峰臨近大壩時水庫維持較大泄量進行排沙［9-15］。2020年汛期，三峽水庫在泥沙實時監測和精確預報的基礎上，進行了沙峰排沙調度。調度期間，三峽水庫壩前最高調洪水位雖然高達167.65m，但此次沙峰過程排沙比仍達到了27%，高出試驗性蓄水以來平均排沙比9%，沙峰排沙調度取得良好效果。

本文對2020年長江4、5號洪水期間，上游暴雨產沙特性、三峽入庫泥沙組成和增多原因、沙峰排沙調度等進行了分析總結，以期為今后長江上游來水來沙研究以及三峽水庫更好地進行科學調度提供技術支持。

1 2020年8月水沙情勢

2020年8月11～13日、14～18日，長江上游嘉陵江、岷江、沱江等流域接連發生兩次強降雨過程，見圖1和圖2，降雨集中、強度大、范圍廣，寸灘以上區域累計降雨量達到了96 mm，強降水持續時間及累計雨量均超1981年7月9～14日的78 mm，且強降雨帶基本位于長江上游主要產沙區。

圖2 2020年8月14～19日長江流域降雨圖（8月14日08：00至19日08：00）

受持續強降雨影響，8月中下旬，岷江、沱江、涪江、嘉陵江的上游發生了大或特大洪水，在長江上游形成兩次編號洪水（4、5號），先后出現了較大沙峰過程，見圖3。

圖3 2020年8月長江上游主要控制站流量和含沙量過程

2020年8月14日，因強降雨，長江上游的支流沱江、涪江發生超保證水位洪水，岷江及干流瀘州至寸灘江段發生超警戒水位洪水，形成長江2020年“第4號洪水”。8月13日03：00岷江高場站出現洪峰流量24 000 m3/s，13日17：00沙峰含沙量為7.54 kg/m3；沱江富順站14日05：00洪峰流量9 050 m3/s，13日20：00沙峰含沙量達8.51 kg/m3。涪江小河壩站13日16：00洪峰流量17 200 m3/s，13日02：00沙峰含沙量達22.7 kg/m3；嘉陵江北碚站14日13：00洪峰流量25 300 m3/s，13日17：00沙峰含沙量9.69 kg/m3。長江干流朱沱站14日09：00洪峰流量39 800 m3/s，13 日08：00沙峰含沙量為2.38 kg/m3；寸灘站14日17：00，洪峰流量59 400 m3/s，14日05：00沙峰含沙量4.77 kg/m3。

2020年8月17日14：00，受強降雨影響，長江上游支流岷江、沱江、嘉陵江發生超警戒水位洪水，涪江發生超保證水位洪水，干流寸灘站流量漲至50 400 m3/s，形成長江2020年“第5號洪水”。岷江高場站18日10：00洪水超保證水位，19日01：00洪峰流量達到37 300 m3/s，18日22：00沙峰含沙量為7.20 kg/m3。沱江富順站17日23：00洪水超保證，18日20：00洪峰流量10 500 m3/s，18日11：00沙峰含沙量為8.19 kg/m3。涪江小河壩站16日22：00洪水超保證水位，18日08：00洪峰流量達到20 500 m3/s（歷史第二位），19日11：00沙峰含沙量達到了17.7 kg/m3。嘉陵江北碚站18日18：00洪水超保證水位，19日10：00洪峰流量37 400 m3/s，19日13：00含沙量為7.18 kg/m3。長江干流朱沱站19日19：00洪峰流量48 400 m3/s，19日23：00沙峰含沙量為4.40 kg/m3。寸灘站20日05：00流量達到了74 600 m3/s，20日08：00沙峰含沙量3.99 kg/m3。

實測資料統計表明：2020年“4號洪水”8月12～16日，寸灘站輸沙量為3 260萬t；“5號洪水”8月17～25日，寸灘站輸沙量為8 630萬t；兩次洪水期間寸灘站總輸沙量達到11 890萬t。

2 三峽水庫入庫水沙組成

2020年8月，長江上游4、5號洪水相隔時間較近，為典型的雙峰型洪水過程；三峽水庫入庫泥沙集中，8月13～23日洪水期間，入庫沙量達到了1.27億t，短短12 d的輸沙量已遠大于2018年2號洪水期間（7月11日08：00至17日08：00）的入庫沙量7 440萬t，遠大于2014～2017年、2019年全年入庫輸沙量（3 200萬～6 850萬t）。兩次洪水過程中長江上游主要產輸沙過程均集中在8月。實測資料表明：2018年8月寸灘站徑流量為980億m3，長江上游來水主要為嘉陵江、金沙江和岷江，其中嘉陵江北碚站、金沙江向家壩站和岷江高場站來水分別占寸灘站8月份徑流量的31%，30%和28%。2020年8月寸灘站輸沙量為1.29億t，長江上游泥沙主要來自于嘉陵江，北碚站輸沙量為8 055萬t，占寸灘站8月沙量的63%，其次分別為岷江和沱江，高場站和富順站輸沙量分別為5 070萬t和1 980萬t，分別占寸灘站8月份沙量的39%和15%，橫江來沙僅為102萬t（見圖4）。

圖4 2020年8月長江上游主要水文站徑流量與輸沙量

嘉陵江泥沙主要來自于涪江和嘉陵江上游，2020年8月涪江小河壩站輸沙量為6 970萬t，占北碚站的87%；嘉陵江上游武勝站輸沙量為1 580萬t，占北碚站的20%（見圖5）。

圖5 2020年8月嘉陵江上游主要水文站徑流量與輸沙量

由此可見，2020年8月三峽入庫泥沙主要來源于涪江和岷江，分別為寸灘站同期沙量的54%，39%；其次為沱江和嘉陵江上游，分別為寸灘站同期沙量的15%，12%。

3 三峽水庫入庫泥沙增多原因分析

（1）長江上游發生強降雨過程且降雨帶位于強產沙區。2020年8月11～18日，長江上游出現了強降水過程，受高空槽、冷暖空氣和特殊地形共同影響，嘉岷流域附近出現持續性暴雨～大暴雨的極端降水過程，過程維持時間達7 d，累計雨量≥100 mm的籠罩面積約24.7萬km2，≥250 mm的籠罩面積約7萬km2，強降水區主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，上述分區面均雨量多在140 mm以上，其中涪江390 mm、沱江313 mm。從單站雨量來看，涪江北川站累計雨量946 mm、沱江漢王場站855 mm。受強降雨影響，長江上游高場、富順、小河壩、北碚、朱沱、寸灘等站洪峰流量分別列歷史第1～11位，各站洪峰水位超保證幅度0.08～8.12 m，其中，高場站洪峰水位291.08 m，位居歷史最高水位第一位；寸灘站洪峰水位191.62 m，位居歷史最高水位第二位，寸灘站洪峰流量達到74 600 m3/s，見表1。

表1 2020年8月長江上游干支流主要控制站洪峰特征值

嘉陵江上游支流西漢水、白龍江中游、岷江等流域屬于強產沙地區。2020年8月，受暴雨洪水影響，長江上游涪江、岷江、沱江、嘉陵江上游等支流出現大含沙量沙峰過程，增加了三峽水庫入庫沙量。岷江高場站沙峰含沙量7.54 kg/m3；沱江富順站沙峰含沙量達8.51 kg/m3；涪江小河壩站沙峰含沙量達22.7 kg/m3；嘉陵江上游武勝站沙峰含沙量3.65 kg/m3，北碚站沙峰含沙量9.69 kg/m3；長江干流朱沱站沙峰含沙量4.40 kg/m3，寸灘站沙峰含沙量4.77 kg/m3。

（2）長江上游地震帶前期產生了大量松散堆積體，在暴雨誘發下易形成滑坡和泥石流。2020年輸沙量較大河流——涪江、岷江、沱江和嘉陵江的上游均流經龍門山斷裂帶，再由龍門山出山口進入沖積平原或丘陵區。龍門山區地質構造復雜（斷層、裂層交錯），其巖石尤以風化嚴重易碎、層理發育的灰巖、泥巖和沙巖為主，這些巖石抗侵蝕極差，而且沿層面或裂隙易產生滑動或崩塌。

近年來，在龍門上斷裂帶附近相繼發生了汶川地震、蘆山地震、九寨溝地震等特大地震。2008年5月12日，四川汶川發生Ms8.0級的大地震，地震釋放主要位于龍門山北川至映秀地區；2013年4月20日，四川省蘆山縣發生Ms7.0級地震，震中位于龍門山斷裂帶上的西南段；2017年8月8日，四川省阿壩州九寨溝縣發生Ms7.0地震，震中位于岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂之間。這些地震在上游產生了上百億方的松散堆積體，隨著時間的推移，松散體中的細小顆粒泥沙會隨水流向下游地區輸移。

2020年8月，長江上游發生強降雨過程，降雨帶主要沿龍門山斷裂帶呈帶狀分布，位于揚子板塊與青藏板塊的地縫合線上。前期地震在山坡、山谷產生大量的松散體，在大暴雨或特大暴雨的誘發下，形成滑坡和泥石流進入河流，導致入庫泥沙增多。

（3）上游低水頭水庫攔沙作用有限，大洪水時暢泄，導致下游輸沙量突然增大。長江上游岷江、沱江、嘉陵江等支流低水頭航電樞紐和閘壩水利設施已建成多年，部分已達到淤積平衡，攔沙作用減弱，遇到大洪水時，庫區大量泥沙被攜帶出來，導致下游輸沙量突然增大。另外隨著一些大型水庫運行時間的增加，庫區泥沙淤積增加，攔沙能力逐漸減弱。岷江紫坪鋪水庫，雖然庫容較大，但由于淤積強烈，攔沙量大，死庫容已基本淤滿，攔沙能力大幅減弱。白龍江碧口水庫已運行40余年，因水庫淤積庫容損失達60%，庫區已基本成為河道形態，不具備攔沙庫容，大多數懸移質泥沙直接隨水流進入下游河道。

4 沙峰期間三峽水庫調度效果分析

4.1 沙峰期間三峽水庫調度

根據監測、預報成果，2020年8月19日開始沙峰到達三峽水庫壩前，長江防汛抗旱總指揮部實施了防洪調度，同時兼顧排沙、航運調度。

2020年8月18日16：00起，三峽水庫下泄流量由44 000 m3/s增大至49 000 m3/s，8月22日壩前最高調洪水位達167.65 m（見圖6），后基本維持下泄流量在48 000 m3/s直至25日12：00。為了減輕長江中下游防洪壓力，保障兩壩間通航安全，8月27日08：00三峽水庫下泄流量逐漸減小至34 000 m3/s左右。9月4日下泄流量逐漸減小至27 000 m3/s左右，見圖7。

4.2 沙峰排沙調度效果分析

圖6 2020年長江4、5號洪水三峽水庫調度過程

圖7 2020年長江4、5號洪水黃陵廟站流量和含沙量過程

2020年長江4號、5號洪水三峽水庫調度期間，出庫黃陵廟站含沙量連續11 d大于0.5 kg/m3，持續天數為試驗性蓄水以來第一位，出庫最大含沙量達到0.931 kg/m3，見圖7，為試驗性蓄水以來的第三位（第一位2018年1.33 kg/m3，第二位2013年1.24 kg/m3），日出庫沙量最大達340萬t（見圖7）。按沙峰輸移過程統計，三峽水庫入庫沙峰過程為8月13～23日，對應入庫沙量為12 650萬t，出庫沙峰過程為8月17日至9月7日，對應出庫沙量為3 390萬t，沙峰過程排沙比為27%，比試驗性蓄水以來平均排沙高9%。與往年場次洪水排沙比相比（見表2），2012，2013，2018，2020年沙峰排沙調度后，水庫沙峰過程排沙比均有所提高。

從水庫淤積量沿程分布來看，2020年8月清溪場以上庫段淤積泥沙2 337萬t，占8月庫區總淤積量的22%；清溪場以下庫段淤積泥沙8 237萬t，占8月庫區總淤積量的78%。與試驗性蓄水以來相比，2020年8月由于壩前洪水位較高，清溪場以上庫段泥沙淤積占比有所偏大，見表3。

表2 2010～2020年場次洪水排沙比統計

表3 2020年8月庫區分段沖淤量與試驗性蓄水以來對比（輸沙法）

5 結語

近年來，三峽水庫利用入庫洪峰、沙峰在水庫內傳播時間的差異，提出了沙峰排沙調度模式，進行減淤調度試驗，并在2012，2013，2018年汛期進行了初步試驗，取得了較好的效果。

2020年8月中旬，長江上游接連形成4、5號洪水，三峽水庫入庫洪峰流量分別達到62 000，75 000 m3/s，8月13～23日洪水期間三峽入庫沙量達到1.27億t。根據泥沙實時監測與預報成果，三峽水庫在進行防洪、航運調度的基礎上，實施了沙峰排沙調度，沙峰過程排沙比為27%，比試驗性蓄水以來平均排沙比高9%，取得了較好的排沙效果，為進一步完善三峽水庫“蓄清排渾”新模式積累了寶貴的經驗。