三峡水库淤积计算预测与原型实测结果比较分析

三峡水库淤积计算预测与原型实测结果比较分析作者：卢金友 黄悦摘要: 在分析三峡工程蓄水运行10 a以来水库淤积规律的基础上，对长江科学院在三峡工程初步设计、技术设计以及三峡后续工作规划等不同阶段的水库淤积预测成果与三峡工程蓄水运行以来库区淤积量、淤积分布以及排沙比的实测结果进行了对比分析。结果表明，各阶段预测的水库淤积规律与实测的相同，由于预测采用的入库水沙条件及水库运用方式与三峡工程运用以来实际发生的差别较大，因此预测的库区淤积量及排沙比较实测的大，如近似将预测采用的入库水沙条件换算至与实际发生的相近时，则预测成果与实测值接近，表明预测采用的数学模型及预测成果是可靠的。今后需进一步研究揭示水库泥沙运动机理，改进和完善预测模型，并随着实测资料的积累，对数学模型进行不断地率定与改进，以提高预测精度。关键词: 淤积量；淤积分布；排沙比；对比分析；三峡水库中图分类号: TV145 文献标志码: A 文章编号: 1001-5485(2013) 12-0001-06Research Advances in Translational Landslides Mechanism and Risk MitigationFANG Yi-li1，MA Ming1，LI Cong2，ZHU Jie-bing2Abstract: Translational landslide is a special mode of slope instabilityIts slip surface is of extremely gentle angle or even counter-inclined，and its instability mechanism is inconsistent with traditional limit equilibrium theoryResearch on the translational landslide hazard and the risk mitigation measures is of great significanceIn this paper，the recent research findings and advances in China and abroad are reviewed from five aspects: main features of translational landslide，formation conditions of translational landslide，formation mechanism of translational landslide，threshold criterion of translational landslide and risk mitigation associated with translational landslideOn the basis of the critical review，problems in the current researches are examinedThe trend and prospect of the research are also discussed from the above five aspectsKey words: translational landslide；formation mechanism；risk mitigation measures；threshold criterion三峡工程具有防洪、发电、航运、灌溉等综合效益，水库正常蓄水位175 m，防洪库容2215亿m3。水库蓄水运用后库区将发生大量泥沙淤积，库容减少，变动回水区洪水位抬高，直接影响水库长期使用和综合效益的发挥。为此，在三峡工程可行性论证、初步设计、技术设计以及三峡工程后续工作规划等各个阶段，水库泥沙问题都被列为需要解决的关键技术问题之一。为此，长江科学院采用各种研究手段和方法对水库泥沙淤积问题进行了大量研究，为工程设计、建设与运行提供了科学依据。本文在分析三峡工程运行以来水库泥沙冲淤规律的基础上，重点对比分析了不同阶段库区泥沙淤积量、淤积分布及排沙比等数学模型计算预测成果与10 a来实测结果的差异及原因，为数学模型的改进和预测精度的提高提供参考。1 三峡水库调度方式及运行过程三峡工程于2003年6月进入围堰蓄水期，坝前水位按汛期135 m、枯季139 m运行4 a。2006年汛后进入初期蓄水期，坝前水位按汛期144 m、枯季156 m运行2 a。2008年汛末开始进入175 m试验性蓄水期，2008年9月28 日开始蓄水，起蓄水位14527 m，至11月4 日达到最高水位17280 m，之后水位基本稳定在170 m左右运行。2009年1月1 日至6月20 日，坝前水位由16917 m逐渐消落至14531 m，汛期坝前水位基本控制在1449 1465 m之间；9月15 日开始蓄水，起蓄水位14587 m，至11月24 日坝前水位达到17143 m，为2009年试验性蓄水最高蓄水位；汛期8月初水库进行了一次防洪运用，坝前水位达到15353 m(8月9 日)，拦蓄洪量427亿m3。2010年1月1 日至6月10 日，坝前水位由16939 m消落至1465 m以下；汛期(6月10 日至9月9 日) 水库进行了7 次防洪调度，最高库水位16102 m，累计拦蓄洪量2643亿m3，汛期平均库水位为15154 m；9月10日水库开始蓄水，起蓄水位1602 m，至10月26 日坝前水位首次蓄水至175 m，之后库水位维持在1745 175 m 之间。2011年1月1 日至6月14 日，坝前水位从17466 m逐步消落至14566 m，汛期水库实施了4次中小洪水调度，拦蓄洪量24716亿m3，最高运行水位为15384 m；9月10 日水库开始蓄水，起蓄水位15224 m，至10月31 日库水位蓄至1750 m。2012年1月份坝前水位即开始从17467 m逐步消落，至6月14 日坝前水位下降至最低14539 m，汛期水库实施了4 次洪水调度，拦蓄洪量200 亿m3，最高运行水位为16311 m，其中7月24日三峡水库迎来蓄水成库以来的最大洪峰71 200m3 /s，经水库削峰拦洪，最大下泄流量44 100 m3 /s；9月10 日，三峡水库开始蓄水，起蓄水位15892 m，至10月30 日蓄水位达到1750 m。此外，三峡水库还开展了生态调度和水库减淤调度试验。图1 为三峡工程蓄水运用以来坝前水位过程图。可以看出，蓄水后三峡水库实际运行方式与初步设计确定的运行方式有所不同: 一是初期蓄水期较短；二是试验性蓄水期的汛期实施了中小洪水调度，坝前水位抬高较多；三是试验性蓄水期汛后蓄水时间提前。2 三峡工程运用以来库区泥沙淤积情况21 三峡工程运用以来入库水沙条件2003年至2012年，三峡工程平均年入库水量3 680亿m3，较蓄水前多年平均值3 972 亿m3 减少735%，其中2006年、2011年为小水年，2005年、2012年为丰水年，这10 a来水总体偏枯；平均年入库沙量19亿t，与蓄水前多年平均值46亿t 相比减少了59%，其中2006年和2011年入库沙量最少，仅为10亿t，入库沙量最多的2005年也只有254亿t。总的来看，三峡工程蓄水以来的10 a，入库水量较蓄水前有所减少，入库沙量减少较多，只有蓄水前多年平均值的41%1。三峡水库入出库水沙及库区泥沙淤积量见表1。22 三峡工程运用以来库区总淤积量三峡水库2003年6月蓄水至2012年12月，入库悬移质泥沙19008亿t，出库悬移质泥沙464亿t(黄陵庙站)，不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙14368亿t，近似年均淤积泥沙144亿t(见表1)。按地形法统计，三峡水库2003年3月至2012年10月，干流库区铜锣峡大坝累积淤积13666亿m3。为比较输沙量法和地形法的计算结果，利用20052010年三峡库区淤积物干密度观测成果对20032010年库区淤积量进行了换算比较2，结果表明，根据输沙量法计算20032010年寸滩大坝段淤积泥沙120亿t；根据断面法，铜锣峡大坝段淤积119亿m3，采用干密度实测值分段进行换算，得到淤积量为116亿t，与输沙量法计算结果基本吻合。由图1、表1 看出，三峡库区泥沙淤积与入库水沙及坝前水位关系密切，相同入库水量条件下来沙量多，则库区淤积量相应增加；相同来水来沙条件下库区淤积随坝前水位抬高而增加。2006年汛后坝前水位按156 m运行，汛期水位按144 m运行，比围堰期水位高9 m，库区淤积量也相应多些，如2007年的来沙量比2005年的少，而淤积量则比2005年的多；2008年9月水库按175 m试验性蓄水，汛期水位、蓄水位都相应抬高，库区淤积量也随着增加，如2008，2010，2012年的来沙量比2005年的少，而淤积量则比2005年多15% 30%。如将2003年6月至2006年12月、20072008年和20092012年分别近似地作为135 m围堰蓄水期、156 m初期蓄水期和175 m试验性蓄水期，则3 个时段的淤积量分别为4703亿，3551亿，6114亿t，分别占总淤积量的3273%，2472%和4255%。近似年均淤积量分别为1176亿，1776亿，1529亿t。23 干流库区淤积量分布三峡水库蓄水运用后，大部分泥沙淤积在常年回水区(清溪场以下)，水库运用至2012年末，干流库区(朱沱大坝) 累计淤积14368亿t，其中清溪场以下淤积1321亿t，占干流库区淤积量92%，清溪场以上淤积1158亿t，约占干流库区淤积量的8%1。具体淤积量及分布见表2。库区泥沙主要淤积在宽谷河段和深槽。宽谷段淤积量占总淤积量的90% 以上。随着水库蓄水位逐步抬高，回水末端逐渐上延，变动回水区相应出现泥沙淤积，但淤积量相对较少，占干流库区总淤积量比重较小。24 出库排沙比三峡水库2003年6月蓄水运用至2012年末，年平均排沙比为244%。实测结果表明，蓄水后年际间出库排沙比变化较大，除受来水来沙条件的影响外，蓄水方式变化及汛期水位、蓄水位抬高也有直接的影响。围堰蓄水期坝前水位维持在139 135 m 运行，出库排沙比平均为370%，其中2006年因入库水小沙少，特别是汛期基本无大流量，入库流量大于25 000 m3 /s 仅4 d，最大流量只有29 700 m3 /s，致使出库泥沙很少，排沙比仅为87%，其它年份在38% 41% 之间；初期蓄水阶段，水库按156 144 m方式运行，汛期水位、蓄水位均相对围堰蓄水期抬高，排沙比大幅度减小，约15% 23%，平均为188%；2008年汛后水库按175 m试验性蓄水，除2011年小水少沙外，出库排沙比在14% 21% 之间，由于汛期实施中小洪水拦洪，排沙比相对正常运行情况小，其中2010年拦洪次数较多，排沙比较小，试验性蓄水期平均排沙比为161%。3 三峡水库泥沙淤积预测成果自三峡工程论证以来的不同阶段，长江科学院利用自行研制开发的数学模型对三峡水库不同方案的泥沙淤积进行了大量计算预测，为工程设计、建设与运行提供了科学依据。本文选取三峡工程初步设计、技术设计和三峡后续工作规划阶段(正常蓄水位175 m、汛期限制水位145 m和枯季消落低水位155 m) 方案计算预测的代表性成果与蓄水以来实际淤积情况进行比较分析。31 计算条件311 计算范围干流自合江至三斗坪，全长779km；嘉陵江自合川至入汇口，长927km；乌江自武隆至入汇口，长686km。312 计算初始地形初步设计阶段计算初始地形采用1960年实测地形，技术设计阶段采用2003年3月实测地形，三峡后续工作规划阶段采用2007年11月实测地形。313 计算水沙条件初步设计阶段选用19611970年干流寸滩站和乌江武隆站实测水文系列(简称60 系列)，该系列包括了丰水丰沙、中水中沙、少水少沙等不同典型年。这10 a的水、沙量平均值与多年(19531984年) 平均值接近(见表3)。技术设计阶段除采用60 系列计算外，还采用上游来沙减少的19912000年系列(简称90 系列) 进行了计算，该系列寸滩+ 武隆站年均水量较60 系列减少71%，而沙量则减少了259%(见表3)。鉴于近期长江上游来沙大幅度减少及金沙江溪洛渡、向家坝等大型水库即将建成运行，三峡后续工作规划阶段计算时前6 a(2007年10月至2012年12月) 入库水沙条件采用近期20012006年水沙系列，该系列寸滩+ 武隆站年均水量较60 系列减少12%，而沙量则减少了571% (见表3) ；2013年以后入库水沙条件采用90年代水沙系列，并考虑三峡水库上游建库拦沙。314 计算时段划分时段划分以基本能反映年内水沙变化过程为原则。每个水文年划分为80 个时段，其中汛期流量大或变化大时取1 d 为1 个时段，其它根据水位、流量变化情况划分时段，枯期最长的时段为10 d。315 水库调度方式三峡水库采取“蓄清排浑”的方式运用，水位按175，145，155 m方案的调度方式为: 汛期(69月份) 库水位维持在汛期限制水位145 m，腾空库容，以满足防洪需要，同时进行排沙；汛后入库沙量、水量减少，水库采用高水位175 m运用，以求得较大的发电和航运效益；汛前14月份的枯水期，为了满足航运要求，库水位维持在枯水期消落水位155 m以上，保证航运的畅通，同时水库泄水以满足保证发电出力和坝下游航运要求；此后逐步降低，至6月10 日降至汛期限制水位145 m。各阶段水库运用初期计算采用的水库调度方式为: 初步设计阶段水库运用初期10 a坝前水位按156，135，140 m方式运用。技术设计阶段水库运用初期10 a蓄水位逐步上升，2003年6月至2006年9月，坝前水位按139，135 m方式运用；2006年10月至2013年9月，坝前水位按156，135，140 m方式运用。三峡后续工作阶段，水库运用初期2007年10月至2008年9月按156，144 m方式运行1年；2008年10月至2013年12月水库按正常蓄水位175，145，155 m方式运用，入库水沙条件采用近期20012006年水沙系列年。32 计算预测成果由于三峡水库运用后可用于比较的资料只有10 a，因此，以下仅给出各阶段公布的水库运用初期的预测成果。321 初步设计阶段预测成果初步设计阶段计算预测水库运行前30 a水库淤积857亿m3，淤积绝大部分在涪陵以下的常年回水区，占总淤积量的95%3。计算预测水库运用初期10 a平均排沙比为299%，库区淤积量按入、出库沙量统计，年入库沙量509亿t(寸滩+ 武隆，19611970年平均值，见表3)，年出库沙量按排沙比299% 计，约152亿t，库区淤积量357亿t。322 技术设计阶段预测成果入库水沙按60 系列计算，水库运用10 a末，干流库区淤积289亿m3，其中涪陵以下常年回水区淤积量占干流库区总量的93%，涪陵以上淤积量占干流库区总量的7%；入库水沙90 系列计算，水库运用10 a末，干流库区淤积1677亿m3，其中涪陵以下淤积量占干流库区总量的945%，涪陵以上淤积量占干流库区总量的55%。预测成果详见表44。323 三峡后续工作规划阶段预测成果计算结果表明，三峡水库运用6 a(2007年10月至2013年12月)，库区总淤积量748亿m3，其中变动回水区(涪陵以上) 淤积051亿m3，占库区总淤积量68%5。4 三峡水库淤积计算预测成果与蓄水运用以来10 a实测结果比较本文比较所采用的水库淤积计算预测成果均摘自长江科学院各阶段公开发表的研究报告2-4，三峡水库蓄水运用以来10 a实测结果直接引用长江水利委员会水文局公布的监测成果1。41 淤积量比较三峡工程初步设计阶段计算预测水库运用初期10 a，入库沙量年均509亿t，出库排沙比为299%，库区年淤积量357亿t，是实测值144亿t 的248倍。技术设计阶段计算预测水库运用初期10 a，入库沙量为60 系列时，三峡水库淤积289亿m3，年均淤积289亿m3，是实测值137亿m3 的211倍；入库沙量为90 系列时，库区年淤积1677 亿m3，较实测值大227%。三峡后续工作规划阶段入库沙量为近期20012006年系列时，计算预测三峡水库运用至2012年末(2007年汛末至2012年) 库区淤积量748亿m3，年均淤积1496亿m3，较实测大94%。综上可见，不同阶段预测的库区淤积量较实测值大，主要受入库沙量变化的影响，淤积量与入库沙量呈正相关，当入库沙量与实际蓄水的来水来沙环境相近时，库区总淤积量与实测值接近。42 淤积分布比较三峡水库蓄水运用至2012年，大部分泥沙淤积在常年回水区，按输沙量法统计，涪陵以下常年回水区淤积量占干流库区的92%，涪陵以上变动回水区淤积量占干流库区的8%。初步设计阶段60年代水沙系列预测，水库运用30 a末，涪陵以下淤积量占干流库区的95%，涪陵以上淤积量占干流库区的5%。技术设计阶段60水沙系列预测，水库运用10 a涪陵以下淤积量占干流库区的931%，涪陵以上淤积量占干流库区的69%；90 水沙系列预测，水库运用10 a涪陵以下淤积量占干流库区的945%，涪陵以上淤积量占干流库区的55%。三峡后续工作规划阶段近期水沙系列预测，涪陵以下淤积量占干流库区的93%，涪陵以上淤积量占干流库区的7%。预测与实测对比如表5 所示。结果表明，三峡水库运用初期10 a计算预测的水库淤积分布与实测的分布基本接近，变动回水区淤积量占总淤积量的比例预测较实测略小。43 出库排沙比比较初步设计阶段预测水库运用10 a年均出库排沙比为299%，实际运行10 a的排沙比均值为244%，可见初步设计阶段预测出库排沙比较实际运行的大55个百分点。44 影响水库泥沙淤积预测精度的主要因素综上比较可见，三峡水库库区总淤积量预测值比实测大009 148倍，淤积分布及排沙比也存在一定差别。影响水库泥沙淤积预测精度的因素主要有对水库泥沙输移规律的认识、边界条件及水库运用方式等3 个方面。河流上修建水库后，库区形成了与天然河流完全不同的水流条件，水深大幅增加，水流从库尾天然状态至坝前几乎静止，这种大水深强不平衡水流条件下的泥沙输移规律与天然河流有很大差别，如水流和泥沙传播规律变化、细颗粒泥沙絮凝作用、水流挟沙力、变动回水区推移质泥沙运动规律、坝前段异重流形成与运动规律等。这些基本问题虽然以往也进行过许多研究，但认识还不够深入，因此，以往水库淤积预测模型中尚未考虑细颗粒泥沙絮凝作用、异重流等对水库淤积的影响，水流挟沙力等多为基于天然条件获得计算公式，对参系数做一些改进、率定，这些都对预测精度带来影响，需要结合观测资料进一步揭示水库泥沙运动机理，改进和完善预测模型。预测采用的水沙条件、河床泥沙组成、库区地形等边界条件对水库淤积预测结果影响较大，尤其是入库水沙条件。三峡水库预测采用的入库水沙条件与近10 a的实际条件有较大变化，尤其是入库沙量差别较大。预测采用20 世纪60年代水沙系列年，入库沙量较三峡水库实际蓄水以来10 a的来沙量大168倍，其库区淤积量比实测大148倍；预测采用20 世纪90年代系列年，入库沙量较实测大098倍，库区年淤积量差别相应缩小，库区淤积量预测值较实测值大227%；预测入库沙量采用近期水沙系列年，入库沙量较实测大149%，库区年淤积量预测值较实测值大94%。因此库区淤积量与入库沙量关系密切，入库沙量大，库区淤积量亦大；入库沙量与实测来量变化小，则库区淤积量预测值与实测值相差亦小，表明不同时期预测的库区淤积量基本上是合理的。以初步设计阶段预测成果为例，若预测的入库沙量按实测比例减少，库区淤积量将比实测值少20%左右，再考虑入库水量的差别、试验蓄水期提前蓄水、汛期限制水位抬高15 m左右及中小洪水调度等运行方式的差异，库区淤积量预测值与实测值差别将小于20%。水库运用方式对水库淤积影响也比较大，尤其是对排沙比影响相对更大。三峡水库预测采用水库蓄水方式与实际运行蓄水方式存在较大差别。初步设计阶段水库运用初期10 a坝前水位按156，135，140 m方式运用；技术设计阶段水库蓄水前4 a坝前水位按135 m运用，后6 a按156，135，140 m方式运用；三峡后续工作规划阶段水库初期运用5 a(2007年汛末至2012年) 坝前按175，145，155 m方式运用。而实际运行中坝前水位前4 a按139，135 m方式运用，中间2 a按156，144 m方式运用，后4 a水库进行试验性蓄水，按175，145，155 m方式运用。按水库淤积与蓄水方式的关系推算，库区淤积预测应比实测少，排沙比应较实测大，与实际有出入，这是预测的淤积量因入库沙量大而被掩盖，排沙比预测大于实测与上述分析吻合。这也间接说明水库蓄水方式对库区淤积量的影响相对较小，对排沙比的影响相对较大，三峡水库蓄水10 a实测结果(表1) 也说明这种趋势。水库排沙比同样也与水库运用方式和来水来沙条件密切相关。初设阶段预测计算时，水库初期运用10 a所采用的调度方式为156，135，140 m，与实测运行10 a有较大差别，而且2010年、2012年汛期水位远高于145 m，最高水位分别达到16102，16309 m，较初步设计预测采用的145 m抬高了16 18 m，是排沙比相差55个百分点的主要原因。其次是这10 a中遇上2006年、2011年2 个小水少沙水文年，特别是汛期流量小于30 000 m3 /s(2006年最大流量为29 700m3 /s，2011年最大流量为27 400 m3 /s)，汛期“排浑”几率甚少，与预测的条件差别较大，致使预测的排沙比大于实测值。5 结语水库泥沙输移规律的研究水平、边界条件及水库运用方式等是影响水库淤积预测精度的主要因素。三峡工程不同阶段水库淤积计算预测成果与蓄水以来10 a实测结果比较分析表明，预测的水库淤积规律与实测的相同，淤积量及排沙比较实测的大，除与水库泥沙输移规律认识不够深入外，主要是预测所采用的水沙条件与蓄水以来实际的入库水沙条件差别较大，以及水库运用方式的差别所致；库区淤积量与入库沙量关系密切，入库沙量大，库区淤积量亦大，入库沙量与实测来量差异小，则库区淤积量预测值与实测值相差亦小，表明以往不同阶段的预测成果是合理可靠的，所采用的数学模型是可靠的；今后还有待需进一步揭示水库泥沙运动机理、改进和完善预测模型，并随着实测资料的积累，对数学模型进行不断的率定、改进，以提高预测精度。参考文献:1长江水利委员会水文局2012年度三峡水库进出库水沙特性、水库淤积及坝下游河道冲刷分析R武汉: 长江水利委员会，2013(Bureau of Hydrology of CWRCAnalysis on Features of Incoming and Outflowing Water and Sediment Discharges，Reservoir Sedimentaion and Downstream Scouring of TGP in 2012RWuhan: Changjiang Water Resources Commission，2013(in Chinese)2长江水利委员会水文局2010年度三峡水库进出库水沙特性、水库淤积及坝下游河道冲刷分析R武汉: 长江水利委员会，2011(Bureau of Hydrology of CWRCAnalysis on Features of Incoming and Outflowing Water and Sediment，Reservoir