长江三峡工程的泥沙问题

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1、长江三峡工程的泥沙问题张仁三峡工程曾经经历长时间的论证工作，在论证工作中，泥沙问题始终是三峡工程的最重 要的问题之一。在可行性论证阶段，主要研究的泥沙问题有5 个方面。1993年以来三峡工 程的泥沙研究包括8 个方面。1 可行性论证阶段主要研究的泥沙问题(1) 如何长期保持三峡工程的有效库容根据黄河上修建三门峡水库的经验和教训，三峡水库采用了“蓄清排浑”的运用方式 水库在汛期维持低水位，使泥沙可以顺利排出库外；在非汛期水流含沙量减少时，水库蓄水 兴利。按照数学模型计算的结果，在水库运用100年后，在汛期限制水位145m和正常蓄水 位175m之间的防洪库容可以保持86%； 175m和枯水期限制水

2、位之间的库容可以保持92%。 因此，三峡工程的大部分有效库容是可以长期保存的。(2) 三峡水库泥沙淤积后可能产生的淹没问题依靠数学模型，计算了水库淤积100年后，遭遇百年一遇洪水时的库区回水曲线，求得 重庆朝天门地区的洪水位为199m，但考虑到水库蓄水和淤积后糙率的不确定性，专家组要 求增加1？ 3m的安全裕量，以决定重庆市区的淹没范围。对于农业地区，土地按5年一遇回 水线征用，居民则按20年一遇回水线迁移。(3) 变动回水区的航道，港区泥沙淤积问题三峡水库蓄水后，常年回水区的滩险均被淹没，除青岩子，金川碛主航道由右槽倒向左 槽，需要在新航槽中清除礁石外，其他滩险均可得到明显改善。变动回水区汛

3、期产生淤积， 汛后因水库蓄水，减少冲刷在翌年消落期有短期航深不足现象，需要进行航道疏浚和整治工 作。重庆主城区港口码头前沿，在丰沙年泥沙淤积增加，可能影响正常作业，专家组认为： “可以通过优化水库调度，结合港口改造，认真研究整治和疏浚措施，加以解决。”(4) 坝区的泥沙淤积问题三峡水利枢纽工程包括挡水大坝、泄洪坝、电厂、船闸、升船机等，因此设置了规模巨 大的坝区实体模型，研究不同阶段坝区泥沙淤积对河流形态和各项建筑物的影响，从而为枢 纽总体布置提供了科学依据。(5) 三峡水库运用对下游河床演变的影响三峡工程建成蓄水后，下游水流含沙量减少，将引起下游河道长时间、长距离的冲刷下 切。依靠数学模型，

4、预报了三峡工程运行后下淤河道冲刷发展过程，同流量水位变化以及对 防洪、航运、供水的影响。提出了需控制宜?水位，整治芦家河卵石浅滩以及对荆江和城 陵矶以下河道河势控制和堤防安全建设的课题。在三峡工程可行性论证期间，数字模型计算和实体模型试验对工程方案的选择和决策发 挥了重要的作用。因此，我们十分重视利用长江干支流上已经建成的水库和在河道上获得的 实测资料对上述数学模型和实体模型进行验证和对比。通过这些工作，改善了模拟技术，提 高了模型的可信程度。当然，在这里并不是说现有的数学模型和实体模型已经很完善了。随 着三峡工程开始蓄水运用，我们将积极利用三峡工程本身的原型观测资料对上述模拟技术作 进一步的

5、验证和改进。2 1993 年以来三峡工程的泥沙研究1992年“人大”会上，通过了建设三峡工程的议案，1993 年开始了三峡工程的施工准 备工作，结合各项工程建筑物的设计和建设，我们又组织了一系列泥沙问题的研究工作。现 将上述问题的研究情况依次作一简要的汇报。（1）三峡工程入库泥沙量的变化近年来，进入三峡水库的泥沙不断减少，其中嘉陵江来沙量的减少特别显著（参见表 1）。 成因分析表明：造成近年来嘉陵江来沙减少的主要原因有下列方面： 近年来嘉陵江上修建的大量水库和航电梯级，拦截了大量泥沙。 1994? 1997年流域内降雨量减少，使北碚站90年代的年径流量比多年平均减少约 23%。 1989年以来

6、在流域中实施的水土保持工程发挥了作用。 由于当地基本建设对建筑骨料的需要，在河床中开挖了大量泥沙。除了降雨造成的来沙减少具有随机的性质以外，其余三个因素导致的泥沙减少的趋势将 是稳定的，因此考虑水利建设的进程，我们建议对于2013年以前可能进入三峡水库的泥沙 量采用新的水沙系列（1991 年至2000年），作为研究泥沙问题的基础。2013 年后，向家坝、溪落渡工程将相继投入运用，三峡水库上游来沙将更为减少，而 且将持续几十年。利用数学模型计算研究了修建两个大型水库对三峡水库库区淤积的影响 计算针对以下三种情况：（1）金沙江上不建工程；（2）只建向家坝工程；（3）只建溪落 渡工程，计算的结果如表

7、2 所示。由表可见，当金沙江上修建大型水库后，三峡库区的最大累计淤积量减少30亿m3至 40亿m3。对三峡水库淤积过程将有巨大的改善。(2) 重庆河段的泥沙淤积问题在三峡工程修建前，重庆主城区河段的泥沙冲淤是年内平衡的。在汛期淤积的泥沙一般 可以在非汛期冲掉，因此重庆地区的港口和航道在年内不受泥沙淤积的影响。这种现象是由 重庆河段的两个地貌特征造成的，其一是重庆河段的出口处狭窄的铜锣峡严重约束了出口的 水流，大流量时水位壅高，泥沙落淤，小流量时，水位下降，流速增大，可以把汛期淤落的 泥沙冲走。其二是重庆河段宽河段和窄河段相间，大流量时水流趋直，泥沙在缓流区和凸岸 下侧大量淤积，小流量时水流趋弯

8、，可以将岸边淤积冲走。当三峡工程建成运用后，水库一般在10月1日开始蓄水，十月底蓄满175m。因此，冲 刷河道的时间将缩短，汛期发生的泥沙淤积物就不能在汛后完全被冲完，当第二年水库消落 时，岸边的淤积物将出露成为边滩，影响船舶靠岸，妨碍码头的正常装卸作业。因此在可行 性论证阶段，三峡工程确定了“分期蓄水”的建设方针，规定：“2007年水库的汛期正常 蓄水值为156m，运行若干年后，水库在抬高至最终高水位175m运行。初期蓄水位156m运 用的历时，可根据水库移民情况，库尾泥沙淤积实际观测成果以及重庆港泥沙淤积影响处理 方案等，届时相机确定。初步设计暂定安排6年”(参见三峡水利枢纽初步设计，第一

9、篇综 合说明书， 1-1-10)2001 年 4月，国务院三峡工程建设委员会召开会议讨论了三峡工程分期蓄水的实施方 案，会议同意泥沙专家组部分成员提出的建议，指出：“有关专家提出了在2007 年后，根 据泥沙观测的成果，以分期、渐进地抬高的方式比较合理。”“对156m水位运行后，水位 如何提高到175m，也没有作出明确规定，这些都需要通过研究和观测提出建议，经过必要 的程序审查后确定。”“十？五”期间，泥沙专家组接受三峡工程开发总公司的委托，进一步组织了解决重庆 河段泥沙淤积问题的研究工作。研究成果发现，考虑90年代以来三峡工程入库泥沙减少的 影响后，重庆河段的泥沙淤积问题显著减轻，采用港口整

10、治、机械疏浚和优化调度等措施后， 可以较有把握地解决重庆主城区港口、航道的泥沙淤积问题，在水库正常蓄水位达到156m 后，可以在第二年进一步提升水库正常蓄水位至165m或172m，更好的发挥三项工程的防洪、发电、航运的综合效益。(3) 引航道隔流堤的布置和坝区泥沙淤积问题三峡工程的双线船闸和升船机都布置在左岸。根据实体模型的实验成果，为了确保通航 船舶的安全和航道的畅通，在上、下引航道的外侧，布置了防淤隔流堤(参见图 1)。三峡工 程运行后，引航道内将产生由异重流和船闸充水引起的往复流带来的泥沙淤积，试验成果表 明，引航道内的淤积量将随时间增加而增加(参见表 3)，特别在 1954年型的大沙年

11、，引航 道内淤积量可以达到200 万吨左右，超过了机械清淤能够清除的数量。因此，研究了在引航 道内布置一个冲沙闸和两条冲沙隧洞的水力清淤设施。用临时船闸改建的冲沙闸(2500m3/s) 已经建成。三峡工程建成蓄水后，水流进入坝区时，由于弹子石挑流，主流将逐渐移向左岸，右岸 产生巨大回流，回流中泥沙沉积，在坝前将形成一个巨大的边滩。在实体模型实验中当发生 1954年型大水丰沙的洪水时，坝前水位将达到159m，边滩淤积面高程将超过145m，对地下 电厂和右岸电厂的进水十分不利，当三峡工程防洪采用城陵矶补偿调度方式时，将加速右岸 边滩形成和淤高，需要综合考虑。(4) 库区淤积和数学模型的改进三峡工程

12、可行性论证阶段，利用数学模型对水库泥沙淤积过程进行了多方面预估，例如 淤积的数量、淤积的形态，长期保留的库容和库区洪水位以及淹没范围等问题。三峡水库蓄 水运行以来，水文部门开始取得了三峡水库本身的实测资料，对已有的数学模型提供了进一 步验证的基础。从原型观测资料的分析中可以发现有以下两方面的问题： 要协调输沙量和断面法的测量成果水库中泥沙淤积体是不断压实的，因此用输沙量法求得的泥沙淤积重量和用断面法求得 的淤积体积是无法相互换算的，需要水文部门提供淤积体的单位容重资料和研究淤积体单位 容重变化的规律，才能更好地做好数学模型的验证和改进的工作。 要研究库区泥沙异重流运动的问题实测资料表现，三峡水

13、库蓄水以来库区的淤积越往坝前淤积强度越大。例如近坝段（大 坝至庙河）长度仅15.1km,三年来就淤积泥沙6500万m3,深泓内的最大淤积厚度达到53.4m, 淤积面的纵剖面平缓（参见图2），可能存在异动流运动。而原来数学模型计算中，由于缺 少资料,未考虑异重流运动,坝前淤积偏少,需要在今后计算中加以改进。近年来,林秉南院士等提出了新的水库调度方式。建议提出：当寸滩站预报洪水流量超过40000m3/s时，将坝前水位从145m降到135m，同时控制枝江流量不超过56700m3/s,在 大洪水到达大坝之前,水库内泥沙将被冲刷,然后,水库水位将升高到拦洪需要的高度。数 学模型计算表明,如果三峡水库投入

14、后的第三年就按照这一调度方式运用,在运用100年后, 三峡水库内的泥沙淤积总量将有所减少，如果将135m和145m之间的库容考虑进去的话，可 能增加的有效防洪库容将达到50亿m3,重庆河段的泥沙Y?将减少40%。这一调度方式的缺 点是每年有5至7天船闸将停止使用。由于万吨船队在流量超过20000 m3/s时在部分河段 不能通航，在流量超过40000m3/s后这一调度方式将仅仅对单独航行的船舶通航带来不便。（5）葛洲坝枢纽下游的水位变化葛洲坝枢纽工程处于三峡工程下游约40km，当三峡水库蓄水并下泄低含沙水流时，葛 洲坝枢纽下游的河床将受到冲刷，导致水位下降，从而使葛洲坝船闸坎上和下游引航道中的

15、水深不再能满足航运的要求。数学模型曾被用来预报下游河床冲刷的数量和宜昌水位的变 化。计算结果表明，在三峡水库的各个运用阶段，预报的宜昌站水位都低于航运部门所要求 的水位（参照表 4） 。为了满足135m蓄水位时期通航的需要，曾采用了以下措施。利用围堰135? 139m之间的超高蓄水，用以增加枯水期的下泄水量。在有控制作用的河段中铺设护底防冲工程，以避免河床进一步下切。 改建大江船闸，提高船闸的通航效率。目前，三峡工程将进入156m的运行时期，4000m3/s流量的宜昌水位已经低于38.5m（参 见图3）。宜昌下游的河床护底抗冲工程虽已实验两期，但受到河道挖沙活动的严重干扰。 根据长江委水文局的

16、调查，三年来（2003至2005年），宜昌至沙市河段的挖沙量可能达到 2070? 3830万m3,采沙活动如果不能得到制止，将对未来的船舶通航造成难以弥补的影响。（6）芦家河浅滩河段的治理问题芦家河河道是长江中游卵石夹沙河床向沙质河床变化的过渡河段。在三峡工程“清水” 下泄发生冲刷的情况下，下段河道的冲刷量大于上段，河道内将很快发生坡陡流急的现象。 目前，在毛家花屋至姚港一带，枯水期的航运条件已逐渐恶化。据调查， 2004年2月10日， 一个一拖四驳的船队（拖轮2040马力，四个1000吨甲板驳）上行发生困难，增加一个500 马力的拖轮后，上行航速仍仅有1.55km/h。2005年3月7日，当日流量为4940m3/s, 艘 1942kW的拖轮顶推5条1500吨和1条1000吨的驳船，实际载重仅4200吨，上行最小航速 仅2.3km/h。由于近年来长江航道货运