三峽水庫及長江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度航運發(fā)展需求及潛力研究

摘 要：水庫蓄水導(dǎo)致上游水位的抬升和下游最小下泄流量的增大，直接提升了河道通航水位，為航道尺度的提高奠定了基礎(chǔ)。同時，樞紐攔蓄上游泥沙、清水下泄也導(dǎo)致了上游庫尾回水末端淤積、下游河床沖刷及灘槽穩(wěn)定性變差等問題，不利于航道條件的長期持續(xù)穩(wěn)定。在全面發(fā)揮已有樞紐水資源調(diào)配作用的情況下，結(jié)合大規(guī)模航道治理，長江干線航道基本可實現(xiàn)“十四五”規(guī)劃目標(biāo)，但由于清水下泄，河道沖刷引起下游水位的下降，按照目前三峽水庫最小下泄流量，2025年后航道維護(hù)疏浚方量將顯著增加。2025—2030年，三峽水庫需加大枯水期最小下泄流量至6 150～6 500 m3/s，以保障下游砂卵石河段航道水位的穩(wěn)定。上游水庫聯(lián)合調(diào)度適當(dāng)增大下泄流量，可顯著降低宜賓至重慶段航道尺度提升的難度。通過水庫群優(yōu)化調(diào)度，延長特定流量級持續(xù)時間，可降低航道日常維護(hù)的難度。

關(guān)鍵詞：長江航運；梯級水庫；聯(lián)合調(diào)度；航道尺度；水資源調(diào)配

中圖分類號：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0409

收稿日期：2023-09-18

作者簡介：鄭 力，男，高級工程師，碩士，主要從事航道工程研究。E-mail：283715174@qq.com

0 引 言

長江黃金水道作為連接我國東中西部地區(qū)的水運主通道，在支撐長江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、加快建設(shè)交通強國的進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用[1-2]。2021年10月，交通運輸部印發(fā)了《水運“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，將“集中攻堅，重點建設(shè)高等級航道”作為首要重點任務(wù)，目標(biāo)在“十四五”期末，實現(xiàn)長江干線50 000 t級海輪直達(dá)南京、5 000 t級船舶直達(dá)武漢、3 000 t級船舶直達(dá)重慶、1 000 t級船舶直達(dá)宜賓。上述航道通過能力的提升，將充分發(fā)揮長江黃金水道在長江經(jīng)濟(jì)帶綜合交通運輸體系中的主導(dǎo)作用，更好地促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

大型水利樞紐工程的建設(shè)，極大地促進(jìn)了長江干線航運的發(fā)展。其水資源的調(diào)配，直接增大枯水期最小流量，對于長江航道通航尺度的變化乃至航運通過能力的提升意義重大。三峽船閘自2003年通航以來，過閘貨運量增長迅速，貨運總量2011年達(dá)到1億t，2021年達(dá)到1.46億t[3]。金沙江上游梯級水庫蓄水，使得長江干線水資源調(diào)配能力進(jìn)一步提升，相應(yīng)航道也存在進(jìn)一步提升的潛力。本文通過全面分析三峽水庫及一系列大型樞紐運行以來水資源調(diào)配情況的變化及相應(yīng)航道尺度的調(diào)整情況，系統(tǒng)闡述了長江干線航道尺度與水資源調(diào)配對航運發(fā)展的影響，并提出了對策建議。

1 長江干線航道現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

圍繞交通強國建設(shè)總體目標(biāo)和長江航運高質(zhì)量發(fā)展要求，交通運輸部長江航道局組織編制了《新時代長江航道現(xiàn)代化建設(shè)綱要（2021—2050年）》，從2021年到21世紀(jì)中葉，分兩個階段推進(jìn)新時代長江航道現(xiàn)代化建設(shè)。到2035年，建成暢通、安全、優(yōu)質(zhì)、智慧、美麗的長江航道高質(zhì)量發(fā)展體系，基本實現(xiàn)長江航道現(xiàn)代化；到21世紀(jì)中葉，全面實現(xiàn)長江航道現(xiàn)代化。

依據(jù)長江航運總體規(guī)劃任務(wù)，長江干線航道通航尺度規(guī)劃為：長江上游宜賓至重慶段，航道水深由2.9 m逐步提高至3.5 m，實現(xiàn)3 000 t級船舶可常年通航至宜賓，重慶至涪陵段航道水深由3.5 m提升至4.5 m，涪陵至宜昌段航道水深維持4.5 m；長江中游宜昌至荊州段航道水深由3.5 m提高至4.5 m，荊州至岳陽段航道水深由3.8 m提高至4.5 m，岳陽至武漢段航道水深維持4.5 m，實現(xiàn)5 000 t級船舶可常年通航重慶；長江下游武漢至安慶段，航道水深維持6.0 m，實現(xiàn)10 000 t級船舶可常年通航至武漢，安慶至蕪湖段航道水深由6.0 m提高至8.0 m，實現(xiàn)10 000 t級海船可常年通航至安慶，蕪湖至南京段航道水深由9.0 m提高至10.5 m，實現(xiàn)30 000 t級海船可常年通航至蕪湖，南京至瀏河口段，保障南京以下12.5 m深水航道安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)50 000 t級海船可常年通航至南京。長江口段，保障12.5 m深水航道安全、穩(wěn)定運行且回淤量穩(wěn)中趨減，進(jìn)一步提高南槽航道水深，開通北港航道（見圖1、表1）。

2 水資源調(diào)配對長江航運的影響

2.1 航道維護(hù)尺度變化與水資源調(diào)配的對應(yīng)關(guān)系

長江航運的持續(xù)發(fā)展離不開長江流域水資源的科學(xué)調(diào)配，航道尺度的提升與大型水利樞紐的水量調(diào)配密切相關(guān)[4-5]。一方面，大型樞紐攔蓄上游來流，并在枯水期進(jìn)行補水，帶來了上游通航水位的抬升以及中下游枯水期通航流量的增加，直接提升了長江上、中、下游航道尺度[6]。2003年以來，得益于三峽水庫及上游水庫群蓄水運用后上游水位的抬升及下游枯水期流量增加，長江干線先后5次大規(guī)模直接提升航道尺度（見表2）。另一方面，大型水庫攔蓄泥沙、清水下泄，也導(dǎo)致上游庫區(qū)尾部變動回水區(qū)河段的持續(xù)淤積、下游河床的長距離沖刷調(diào)整以及沿程水位的不斷下降，使得部分河段航道條件有所惡化[7]。對于上游而言，庫尾變動回水區(qū)持續(xù)淤積，一定程度上抵消了該段水位抬升帶來的航道尺度提升，部分河段航道維護(hù)壓力較大。對于下游而言，變化情況則較為復(fù)雜。在河道內(nèi)邊（心）灘、岸線較為穩(wěn)定的河段，航槽與河道深槽走向完全一致，且較為穩(wěn)定，下泄“清水”沖刷河（航）槽，有利于提高航道水深；而在部分河道內(nèi)灘體穩(wěn)定性較差河段，水沙條件的變化帶來灘體的沖刷，河槽內(nèi)反而出現(xiàn)淤積，航道條件出現(xiàn)不利變化。同時，對于緊鄰三峽水庫下游的宜昌至大埠街砂卵石河段內(nèi)，部分區(qū)域淺灘區(qū)域河床底質(zhì)較“硬”、高凸難沖，河床難以自然沖刷下切，但下游河床沖刷帶來的水位下降仍不斷上溯傳遞，航道水深日趨緊張[8-9]。

針對上述現(xiàn)象，在航道治理維護(hù)中，上游主要采用清礁、疏浚、筑壩等措施，改善局部流態(tài)，增強退水期沖刷動力。中下游則普遍采用固灘穩(wěn)槽、整疏結(jié)合的治理技術(shù)，對于灘槽形態(tài)存在不利變化趨勢的淺灘河段，采用護(hù)灘、護(hù)底等守護(hù)型措施，穩(wěn)定有利的灘槽形態(tài)，引導(dǎo)水流集中沖刷航槽，在遏制航道不利變化的基礎(chǔ)上，逐步改善通航條件，提升航道尺度，并采取疏浚養(yǎng)護(hù)措施加以維持。

2.2 三峽水庫運行對長江航運的影響

三峽水庫作為長江流域調(diào)蓄能力最強的水庫，在水資源調(diào)配中起著核心作用。從三峽水庫調(diào)度的影響范圍來看，上至庫尾回水末端重慶，下至湖口，航道尺度的提升均離不開三峽水庫的水資源調(diào)節(jié)作用。

對于上游重慶至宜昌（三峽庫區(qū)）航段，三峽水庫175 m蓄水運用后，宜昌至涪陵段、涪陵至重慶段最小維護(hù)水深由建庫前的2.9 m分別提升至4.5、3.5 m，但水庫蓄水也帶來了庫區(qū)泥沙淤積和局部礁石河段水流條件變差的問題。涪陵以下庫區(qū)大量泥沙常年累積性淤積，部分航道泥沙持續(xù)淤積的 不利發(fā)展趨勢值得關(guān)注；涪陵至重慶段變動回水區(qū)段，在4—6月份汛前水位消落期，水深逐漸變小，流速增大，逐漸恢復(fù)天然河道，局部礁石河段航道條件較差。

對于長江中下游航段，三峽水庫蓄水對航道影響有利有弊，總體而言利大于弊。有利方面，枯水期三峽水庫下泄流量的增加，宜昌站最小下泄流量由蓄水前2003年的2 950 m3/s增大至6 000 m3/s左右，長江中下游枝城、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、大通等站最小流量也均有增加。宜昌至城陵磯段同流量下水位抬升1.4～0.5 m（見圖2）。不利方面，汛后三峽水庫蓄水，中下游流量減小，航道淺灘沖刷力度降低，部分淺灘沖刷不及，枯水期航道易出淺礙航；且沿程水位不斷下降，沙市站最枯水位甚至 低于三峽蓄水初期，局部沙卵石淺灘河床難以沖刷出現(xiàn)水淺、流急的礙航問題，部分沙質(zhì)河床航道沖灘淤槽導(dǎo)致航道條件變差。

2.3 上游梯級水庫的修建對航運的影響

2014年后，向家壩、溪洛渡相繼蓄水成庫，2020年后白鶴灘、烏東德水庫也相繼投入運行。上游梯級水庫蓄水顯著增大了下游河段枯水期最小下泄流量[10-12]，長江宜賓下游的李莊、朱陀兩處枯水期最小流量分別由2013年以前的2 100、2 300 m3/s左右增大至2 700、3 200 m3/s[13-14]，枯水流量的增加使得宜賓至重慶段的平均通航水深增加約0.3～0.5 m（見圖3），但由于清水下泄造成壩下游河段河床沖刷，沿程水位有所下降，一定程度上抵消了枯水流量的增大帶來的水位抬升，且上游水庫發(fā)電調(diào)峰帶來的日調(diào)節(jié)水位波動也對航道水位及水深的穩(wěn)定帶來了不利的影響[15-16]。

綜上，目前長江三峽水庫及上游水庫群聯(lián)合調(diào)度形成的水資源調(diào)節(jié)能力，對提升長江干線航道水深起到了重要保障作用，基本適應(yīng)長江航運現(xiàn)階段發(fā)展需求。但隨著水庫蓄水，河道水沙條件持續(xù)改變，帶來的河床沖淤調(diào)整及下游水位下降的不利影響逐漸凸顯，一定程度上將抵消初期下泄流量增大帶來的利好。因此，為保障水資源調(diào)配與航運的不斷協(xié)調(diào)發(fā)展，尚需進(jìn)一步發(fā)掘水資源調(diào)配潛力、增加枯水期下泄流量，并結(jié)合航道治理和養(yǎng)護(hù)保障航道暢通，并提升通航能力。

3 航運發(fā)展對水資源調(diào)配的期望分析

3.1 航道規(guī)劃目標(biāo)尺度對水資源調(diào)配的期望

宜昌至城陵磯、重慶至涪陵、宜賓至重慶三段距離大型水利樞紐較近，水資源調(diào)控對于航道尺度的提升有著重要意義。

宜昌至城陵磯段。目前，三峽水庫控制下游枯水期最小下泄流量基本維持在6 000 m3/s以上。經(jīng)航道系統(tǒng)治理，結(jié)合航道維護(hù)疏浚，基本能夠?qū)崿F(xiàn)航道水深4.5 m。但是，從長遠(yuǎn)來看，壩下河段的沖刷發(fā)展仍將持續(xù)，水位下降也會繼續(xù)。沙質(zhì)河段水位下降的同時，河床底部將出現(xiàn)一定幅度的沖刷，維護(hù)難度不會顯著增大。但蘆家河、枝江等砂卵石河段高凸難沖，河床難以隨著水位下降而逐漸下切，目前上述兩處區(qū)域每年水位下降幅度約5～10 cm，結(jié)合宜昌、枝城站水位流量關(guān)系，預(yù)期2025—2030年間三峽水庫枯季下泄流量需要增加至6 150～6 500 m3/s，才能在不顯著增大航道疏浚維護(hù)難度的前提下，保障長江中游通航水位與航道水深的總體穩(wěn)定。

重慶至涪陵段。通過目前正在實施的重慶朝天門至涪陵段航道整治工程，可實現(xiàn)航道水深4.5 m。該河段受上游梯級水庫及三峽水庫調(diào)度共同影響，一方面上游梯級水庫聯(lián)合調(diào)度，增加本河段枯水期最小流量；另一方面，三峽水庫優(yōu)化調(diào)度，降低消落期航道維護(hù)壓力，共同保障本河段的規(guī)劃目標(biāo)尺度的穩(wěn)定?？傮w而言，本區(qū)段需優(yōu)化調(diào)度方式，盡可能降低4—6月仍水庫消落期航道疏浚維護(hù)壓力。

宜賓至重慶段。實現(xiàn)2.9 m提升至3.5 m水深規(guī)劃目標(biāo)，需采取下兩種措施。一是實施整治和疏浚工程提升航道尺度。因涉及生態(tài)保護(hù)區(qū)問題，治理難度較大，隨著清水下泄帶來的水位下降問題，航道維護(hù)的壓力會逐漸加大。二是通過上游水庫聯(lián)合調(diào)度增大下泄流量，在目前枯水期向家壩水文站最小流量的基礎(chǔ)上若流量能增加約1 200 m3/s，基本可以再度提升0.5 m以上的水深，這將大幅減小實現(xiàn)水深規(guī)劃目標(biāo)的難度，再通過整治局部礁石段水流流態(tài)問題即可基本實現(xiàn)水深目標(biāo)。

3.2 航道維護(hù)對水資源調(diào)配的需求分析

對于長江中下游河道，三峽水庫蓄水造成了汛后9—11月份下泄流量減小，退水加快，對于淺灘沖刷不利，因此，需盡可能優(yōu)化水資源年內(nèi)分配過程，降低航道維護(hù)難度。對于多數(shù)沙質(zhì)淺灘而言，在不考慮支流入?yún)R波動的情況下，可以在宜昌站下泄20 000 m3/s以下流量時逐步轉(zhuǎn)入水流歸槽沖刷狀態(tài)，因此，三峽水庫蓄水期應(yīng)盡可能延長宜昌站流量10 000～20 000 m3/s的持續(xù)時間，盡量減少高于20 000 m3/s流量和低于10 000 m3/s流量下泄過程。

對于長江上游變動回水區(qū)，每年4—6月份中段航道深度不足，此時水庫應(yīng)盡量保持較高壩前水位運行，有利于變動回水區(qū)航道水深維持。在上游寸灘流量5 930～14 200 m3/s時，長壽站水位如能控制在155～162 m，變動回水區(qū)中段沖刷較為理想，同時也能夠滿足船舶通航需求。庫區(qū)水位162 m和寸灘流量7 000 m3/s對應(yīng)條件下，庫尾淤積區(qū)域沖刷效果最為顯著，航道條件也將隨之改善，故應(yīng)盡可能地延長此水位與流量組合的持續(xù)時間。

3.3 遠(yuǎn)期水資源調(diào)配對航道尺度提升效果分析

宜賓至重慶段目前航道水深為2.9 m，金沙江、岷江水庫群中長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，將會帶來流量的增大，為3.5 m水深尺度規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)奠定堅實基礎(chǔ)，但局部礙航流態(tài)改善等問題仍需通過航道整治工程加以解決。宜昌至武漢段目前航道水深3.5～3.8 m，若宜昌流量達(dá)到7 000 m3/s，將會提升航道水深0.3～0.5 m，在此基礎(chǔ)上結(jié)合航道整治治理能夠?qū)崿F(xiàn)水深4.5 m規(guī)劃目標(biāo)。同時，上述兩區(qū)段是河道沖刷及水位下降的重點河段，遠(yuǎn)期看，清水下泄沖刷帶來的水位下降問題仍將持續(xù)發(fā)展，一定程度上會抵消流量增加帶來的水深增大。因此，無法通過上述流量增幅一勞永逸地解決航道問題。此外，水富至宜賓段目前最小維護(hù)水深尺度僅1.8 m，距離3.5 m差距較大，單純依靠水資源調(diào)配無法提升至3.5 m。其余河段受大型樞紐調(diào)度深化的直接影響相對較小。

總體而言，從目前水資源調(diào)配的潛力看，如無大型水利樞紐進(jìn)一步增大枯水期最小下泄流量，在全面發(fā)揮已有樞紐水資源調(diào)配作用的情況下，結(jié)合大規(guī)模航道治理，基本可保障“十四五”規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)。結(jié)合近期水位流量關(guān)系及砂卵石河段平均水位下降速率，預(yù)計2025—2030年，三峽水庫需加大枯水期最小下泄流量至6 150～6 500 m3/s，方可保障下游砂卵石河段航道水位的穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

大型樞紐工程的修建改變了河道內(nèi)水資源的時空分配，對于航運發(fā)展影響重大且深遠(yuǎn)。以三峽水庫為核心的長江干線大型水利樞紐的修建，對于長江航運的發(fā)展有利有弊，但利大于弊。一方面水庫上游水位的抬升以及最小下泄流量的增大，直接導(dǎo)致河道通航水位的抬升，局部航道條件顯著改善，為航道尺度的提升奠定了基礎(chǔ)。另一方面，樞紐攔蓄上游泥沙、清水下泄也導(dǎo)致了上游庫尾回水末端淤積，下游河床沖刷及灘槽穩(wěn)定性變差等問題，對于航道條件的長期持續(xù)穩(wěn)定不利。

在大型樞紐工程抬升上游水位、提高下泄流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合以固灘穩(wěn)槽、整疏結(jié)合為思路的航道治理，基本實現(xiàn)了長江干線航道尺度的持續(xù)提升。從目前水資源調(diào)配的潛力來看，在全面發(fā)揮已有樞紐水資源調(diào)配作用的情況下，結(jié)合大規(guī)模航道治理，基本可保障“十四五”規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)。但受清水下泄河道沖刷引起的水位下降影響，2025—2030年，三峽水庫需加大枯水期最小下泄流量至6 150～6 500 m3/s，方可保障下游砂卵石河段航道水位的穩(wěn)定。上游水庫聯(lián)合調(diào)度適當(dāng)增大下泄流量，可顯著降低宜賓至重慶段航道尺度提升的難度。通過水庫群的優(yōu)化調(diào)度，可以延長特定流量級持續(xù)時間，降低航道日常維護(hù)的難度。2035年后航道尺度的穩(wěn)定性和進(jìn)一步提升的潛力有限，可通過金沙江中游大型水利樞紐建設(shè)提升長江水資源保障能力，適當(dāng)加大下游河段下泄流量以促進(jìn)航運長遠(yuǎn)發(fā)展。

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ZHENG Li1，2，LIU Huaihan2，3

（1. Changjiang Waterway Survey and Design Institute （Wuhan） Co.，Ltd.，Wuhan 430042，China；2. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Wuhan 430010，China；3. Changjiang Waterway Bureau，Wuhan 430010，China）

Abstract：The rise of upstream water level induced by large reservoir impoundment and the increase of downstream minimum discharge directly raise the navigation water level，laying a foundation for the improvement of channel scale. However，upstream sediment retention and clear water discharge cause siltation at reservoir tail，downstream riverbed erosion，and channel stability deterioration，unfavorable for waterway stability. Given the existing water resource allocation and large-scale waterway regulation efforts，the shipping targets outlined in the “14th Five-Year Plan” can be basically achieved. Nevertheless，the downstream water level decline caused by clear water discharge and riverbed erosion will significantly increase the dredging volume of the waterway after 2025，according to the current minimum discharge flow. It is estimated that from 2025 to 2030，the Three Gorges Reservoir needs to increase the minimum discharge to a range between 6150 and 6500 m3/s to ensure the stability of the downstream sandy gravel channel water level. Properly increasing discharge flow from upstream reservoirs can significantly ease the difficulty of channel scale improvement in Yibin-Chongqing section. In addition，optimizing reservoir operations and extending the duration of specific flow levels can reduce the difficulty of daily waterway maintenance.

Key words：Yangtze River shipping；cascade reservoirs；joint regulation；waterway scale；water resources allocation