茆長(zhǎng)勝,李 彪
(長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢 430011)
三峽水庫(kù)汛末蓄水對(duì)長(zhǎng)江中游航道條件影響及調(diào)度優(yōu)化探討
茆長(zhǎng)勝,李 彪
(長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢 430011)
根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析了三峽水庫(kù)汛末蓄水對(duì)長(zhǎng)江中游航道條件的影響,在此基礎(chǔ)上,對(duì)正常運(yùn)行期的蓄水調(diào)度方案進(jìn)行了優(yōu)化探討。研究結(jié)果初步認(rèn)為:目前水庫(kù)蓄水時(shí)間必須提前至9月,宜昌下泄流量應(yīng)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(yōu)化調(diào)度;三峽水庫(kù)
Biography:MAO Chang-sheng(1958-),male,senior engineer.
三峽工程舉世矚目,具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益,先后經(jīng)歷了135 m圍堰發(fā)電期、156 m初期運(yùn)行期、175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用等不同階段,即將進(jìn)入175 m正常運(yùn)行期。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后,水庫(kù)汛前降水速度、汛后蓄水時(shí)機(jī)和進(jìn)程、枯期消落方式等調(diào)度都會(huì)對(duì)長(zhǎng)江中游航道產(chǎn)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(dǎo)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(fā)生礙航情況,航道維護(hù)困難,長(zhǎng)江黃金水道重要作用難以充分發(fā)揮[1-3]。
三峽水庫(kù)進(jìn)入正常運(yùn)行期后,由于三峽水庫(kù)水位進(jìn)一步抬高,攔蓄水沙能力進(jìn)一步加強(qiáng),加上三峽電站進(jìn)行日調(diào)節(jié),將加快壩下游河段的沖刷進(jìn)程,可能造成中游航道礙航問題加劇或出現(xiàn)新問題。為了保證壩下游航運(yùn)的安全暢通,針對(duì)三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期的實(shí)際情況,從航運(yùn)角度研究三峽水庫(kù)正常運(yùn)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(diào)度需求,提出相應(yīng)的航運(yùn)調(diào)度優(yōu)化方案,消減給航運(yùn)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(guān)鍵難題,也是制約三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期航運(yùn)效益發(fā)揮的重大問題。本文重點(diǎn)闡述三峽水庫(kù)汛末蓄水調(diào)度對(duì)長(zhǎng)江中游航道條件的影響,并對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行了優(yōu)化探討[4-5]。
初步設(shè)計(jì)三峽水庫(kù)蓄水方式為:在每年汛后10月1日開始蓄水,庫(kù)水位由防洪限制水位逐漸抬升,至10月31日庫(kù)水位達(dá)到175 m(156 m)高程,實(shí)現(xiàn)最終(階段性)蓄水目標(biāo)。自2008年三峽水庫(kù)進(jìn)入175 m實(shí)驗(yàn)性蓄水階段以來,相較設(shè)計(jì)調(diào)度方式而言,其蓄水時(shí)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?yàn)橹邢掠伟l(fā)生持續(xù)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(jù)三峽集團(tuán)公司的計(jì)劃,三峽水庫(kù)計(jì)劃從9月10日155 m開始試驗(yàn)性蓄水。
與天然情況相比,三峽水庫(kù)汛末蓄水,水庫(kù)攔蓄上游來流,下泄流量減少較多,可能對(duì)該時(shí)期的淺灘沖刷時(shí)間和沖刷流量造成不利影響。
另外,由于長(zhǎng)江來水變化隨機(jī)性較大,按三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)的蓄水方式,三峽水庫(kù)在較多的年份難以在10月底蓄滿。但隨著西部大開發(fā)和長(zhǎng)江上游水電建設(shè)的蓬勃發(fā)展,上游建庫(kù)后由于梯級(jí)水庫(kù)綜合調(diào)度能力增強(qiáng),上游水庫(kù)的汛后蓄水將進(jìn)一步減少三峽水庫(kù)的可蓄水量,將加重三峽水庫(kù)的蓄不滿情況。選用1950~2002年水文系列計(jì)算可知,在上游無水庫(kù)條件下,10月底蓄不滿比例約占72%,上游建庫(kù)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(kù)蓄不滿比例分別約6%。由此可見,按目前三峽水庫(kù)汛后蓄水方式,某些年份水庫(kù)不僅在10月底蓄不滿,即使推遲到11月,乃至12月份,水庫(kù)仍難以蓄滿。
水庫(kù)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(kù)綜合效益。如何保證水庫(kù)盡可能蓄滿,對(duì)于枯期航道條件具有重要意義。
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(duì)比蓄水前后的年內(nèi)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(xiàn)在汛后流量的減少,其發(fā)生的時(shí)間始于9月中旬,終于11月上旬,該段時(shí)間內(nèi)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(jié)束的標(biāo)志,每年汛后流量由20 000 m3/s減小到8 000 m3/s所歷經(jīng)的天數(shù)視為退水期長(zhǎng)度。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),蓄水前退水期的長(zhǎng)度一般在35~55 d,天數(shù)小于35或者大于55的年份都很少。退水期結(jié)束的時(shí)間,一般出現(xiàn)在11月中旬至12月下旬,11月中旬之前結(jié)束的不多;三峽水庫(kù)蓄水以來的2004~2007年退水期長(zhǎng)度和結(jié)束時(shí)機(jī)相對(duì)于蓄水前減幅不大,僅2006年由于出現(xiàn)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(shí)間較長(zhǎng)。由2008年以后的下泄流量過程可見,三峽水庫(kù)進(jìn)入正常運(yùn)行期后,汛后退水特征的變化趨勢(shì)是:退水期結(jié)束的時(shí)間大大提前,退水期長(zhǎng)度大幅減少。
圖1 三峽水庫(kù)蓄水前后年內(nèi)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(zhì)河床的淺灘演變出現(xiàn)了一些新的特性。例如2008年三峽水庫(kù)試驗(yàn)性蓄水過程中,10月下旬漢口水位5 d內(nèi)陡降3 m,漢陽邊灘不斷淤寬下移,淺區(qū)不斷向大橋#5橋孔移動(dòng),橋區(qū)上水航道水深日益減小,通過禁航疏浚才確保了橋區(qū)航道暢通。2009年11月份后水庫(kù)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(hù)困難[6]。
2.1.1 航道條件對(duì)流量過程的需求分析
對(duì)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(tài)逐漸歸于主河槽,并對(duì)主河槽進(jìn)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(jiān)利水道水位與淺灘脊水深關(guān)系圖(圖2)可以看出,當(dāng)水位高于航行基面以上6 m時(shí),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(dāng)水位低于航行基面以上5 m時(shí),隨著水位的下降,淺灘脊水深變化不大,表明此時(shí)淺灘沖刷較大。藕池口水道水位與淺灘脊水深關(guān)系(圖3)同樣也表明當(dāng)水位低于航行基面以上5 m時(shí),淺灘沖刷增強(qiáng)[7]。
圖2 監(jiān)利水道水位與淺灘脊水深之間關(guān)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(guān)系Fig.3 Relationship between water level of Ouchikou waterway and water depth of shallow ridges
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),沖槽流量對(duì)應(yīng)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(jiǎn)單起見,取沖槽流量對(duì)應(yīng)水位為航行基面以上5 m,結(jié)合沙市、監(jiān)利站水位流量關(guān)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(tǒng)計(jì)值,對(duì)于蓄水后邊心灘散亂的河段,顯然需要更長(zhǎng)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(duì)流量變幅的需求分析
下泄流量降幅過大對(duì)航道條件影響較大。2008年三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間為9月28日。蓄水分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段蓄水期間,三峽入庫(kù)流量大,葛洲壩出庫(kù)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(kù)流量大,而葛洲壩出庫(kù)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?jī)H5 510 m3/s,長(zhǎng)江中、下游河段水位快速回落,監(jiān)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(dá)3.07 m,最大日降幅達(dá)0.62 m,日均降幅0.38 m,其中17日至23日日均降幅達(dá)0.49 m。在此期間,窯監(jiān)水道泥沙得不到及時(shí)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(hù)尺度,長(zhǎng)江航道部門緊急派遣兩艘挖泥船駐守該水道,堅(jiān)持每天施工,但因淺區(qū)范圍大,挖槽內(nèi)回淤嚴(yán)重,航道維護(hù)挖泥疏浚效果不明顯。后經(jīng)多方協(xié)調(diào),三峽水庫(kù)下泄流量適當(dāng)增加,勉強(qiáng)保證了該水道維護(hù)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(duì)中下游航道產(chǎn)生不利影響。為消除這種不利影響同時(shí)又能保障水庫(kù)蓄滿,應(yīng)當(dāng)根據(jù)入庫(kù)流量過程實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)蓄水時(shí)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(duì)汛末蓄水期的流量過程有如下要求:(1)應(yīng)滿足沖槽流量最低要求且能保持一定的持續(xù)時(shí)間,該流量對(duì)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(dāng)流量低于12 000 m3/s,日均流量變幅不能相差太大,一般應(yīng)小于1 500 m3/s。為達(dá)到這2個(gè)目標(biāo),建議將水庫(kù)蓄水開始時(shí)間適當(dāng)提前,蓄水時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng),從而使蓄水期間下泄流量應(yīng)控制在一個(gè)比較合理的區(qū)間。
針對(duì)三峽水庫(kù)汛末蓄水期壩下游河段航道條件的變化及航運(yùn)需求,175 m正常運(yùn)行期調(diào)度方式的優(yōu)化主要集中在兩方面,一方面是水庫(kù)需要及時(shí)蓄滿,蓄水時(shí)間的確定;另一方面應(yīng)能滿足下游淺灘沖刷的要求,應(yīng)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(shí)間對(duì)蓄滿狀況的影響、起蓄水位的優(yōu)化以及不同蓄水時(shí)間對(duì)淺灘沖刷流量滿足狀況等方面分別論述。
水庫(kù)能否蓄滿對(duì)水庫(kù)的發(fā)電和枯期下泄流量有重要的影響,這里分析了上游無庫(kù)及上游建庫(kù)兩種情況下不同蓄水時(shí)間的三峽水庫(kù)蓄滿狀況??紤]到目前175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用以來蓄水時(shí)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(shí)間,設(shè)定蓄水時(shí)間方案如表1所示。其中,正常調(diào)度方案為三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)論證階段提出的蓄水時(shí)間方案,即10月1日開始蓄水;優(yōu)化調(diào)度方案是相對(duì)正常調(diào)度方案而言的,即提前至9月份的蓄水方案,優(yōu)化調(diào)度1方案蓄水時(shí)間為9月21日,優(yōu)化調(diào)度2方案蓄水時(shí)間為9月11日,優(yōu)化調(diào)度3方案蓄水時(shí)間為9月1日。上述各方案相比,差別僅在蓄水時(shí)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(jì)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(jì)算徑流系列平均徑流量接近多年平均值,具有較強(qiáng)的代表性,實(shí)際計(jì)算時(shí)間為1950年6月1日至2003年5月31日。表2給出了上游無庫(kù)與上游建庫(kù)情況下三峽水庫(kù)蓄滿年數(shù)對(duì)比。
由表分析可知,汛后蓄水優(yōu)化調(diào)度后水庫(kù)蓄滿率大為提高,而且提前天數(shù)越多,水庫(kù)蓄滿保證率越大。為保證水庫(kù)蓄滿,在設(shè)計(jì)調(diào)度方式的基礎(chǔ)上,提前至9月份蓄水是必要的。
宜昌洪水主要來自上游,三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)論證階段,對(duì)宜昌洪水進(jìn)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(zhǎng)江上游水沙情勢(shì)的變化以及大量水電工程的建成運(yùn)用,三峽水庫(kù)防洪壓力可進(jìn)一步緩解,也為汛后蓄水時(shí)間及起蓄水位優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。這里僅從蓄水期下泄流量?jī)?yōu)化及對(duì)蓄水時(shí)間要求加以介紹。
根據(jù)三峽水庫(kù)航運(yùn)論證成果及下游淺灘沖刷實(shí)際情況,三峽水庫(kù)蓄水期下泄流量應(yīng)盡量保證在10 000 m3/s以上。根據(jù)原設(shè)計(jì)調(diào)度運(yùn)行方式,由于10月份本身來流相對(duì)較小,水庫(kù)蓄水與保證下泄流量的矛盾較為突出(表3)。汛后蓄水優(yōu)化調(diào)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(chǔ)上,將進(jìn)一步提高三峽水庫(kù)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(fā),計(jì)算了蓄水期保證下泄流量10 000 m3/s的滿足比例,優(yōu)化蓄水時(shí)間后,各方案滿足比例分別為99.6%、99.8%和99.8%,對(duì)于下泄流量10 000 m3/s的情況,滿足比例可達(dá)到99%以上。
綜合三峽水庫(kù)汛后蓄水期壩下游的航道條件需求情況來看,水庫(kù)蓄水時(shí)間必須提前。綜合蓄滿狀況、壩下淺灘沖刷需求來看,蓄水時(shí)間以9月中旬為宜,9月宜昌下泄流量應(yīng)大于10 000~12 000 m3/s,同時(shí)保證過程平穩(wěn),每日流量變幅不宜超過1 500 m3/s,避免水位陡降導(dǎo)致河床得不到及時(shí)有效沖刷。蓄水中后期(10月份)下泄流量可繼續(xù)按2011年試驗(yàn)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(kù)的運(yùn)用后對(duì)壩下游航道條件的影響,起蓄時(shí)間仍可進(jìn)一步提前,有待下一步的深入研究。
表1 蓄水時(shí)間計(jì)算方案Tab.1 Calculation scheme of storage time
表2 上游無庫(kù)與上游建庫(kù)蓄滿年數(shù)對(duì)比(統(tǒng)計(jì)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(shù)Tab.3 Days of discharge flow less than 10 000 m3/s in storage period from 1946 to 2002
根據(jù)蓄水以來的實(shí)測(cè)資料,本文分析了三峽水庫(kù)汛末蓄水對(duì)長(zhǎng)江中游河段航道條件的影響,并針對(duì)正常運(yùn)行期的航運(yùn)調(diào)度優(yōu)化進(jìn)行了研究與探討,主要認(rèn)識(shí)如下:
(1)三峽水庫(kù)175 m蓄水運(yùn)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(dǎo)致壩下游沙質(zhì)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(jù)三峽水庫(kù)汛末蓄水期壩下游河段航道條件的變化及航運(yùn)需求,對(duì)175 m正常運(yùn)行期汛末蓄水不同調(diào)度方式進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示現(xiàn)有蓄水時(shí)間必須提前,水庫(kù)蓄水應(yīng)提前至9月份進(jìn)行,蓄水時(shí)間以9月中旬為宜。
(3)壩下河段蓄水期由于水庫(kù)攔蓄上游來流,下泄流量減少較多,可能對(duì)該時(shí)期的淺灘沖刷時(shí)間和沖刷流量造成不利影響。為維持良好的航道條件,對(duì)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(shí)保證流量變化過程平穩(wěn),當(dāng)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(dǎo)致河床得不到及時(shí)有效沖刷。蓄水中后期(10月份)下泄流量可繼續(xù)按2011年試驗(yàn)性蓄水期最小下泄流量8 000 m3/s控制。
考慮到長(zhǎng)江上游溪洛渡、向家壩水庫(kù)即將投入運(yùn)用,將對(duì)三峽水庫(kù)的入庫(kù)水沙條件造成重要影響,進(jìn)而對(duì)三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期的調(diào)度和航道安全產(chǎn)生影響。目前調(diào)度方式及航運(yùn)指標(biāo)能否適應(yīng)溪洛渡、向家壩水庫(kù)運(yùn)用后的實(shí)際情況,以及溪洛渡—向家壩—三峽水庫(kù)梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)航運(yùn)指標(biāo)有何要求,建議在下一步工作中繼續(xù)開展深入研究。
[1]李明,胡小慶,李彪,等.長(zhǎng)江三峽工程航道泥沙原型觀測(cè)2010~2011年度分析報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2011.
[2]付中敏,劉懷漢,雷國(guó)平,等.長(zhǎng)江三峽工程航道泥沙原型觀測(cè)2009~2010年度分析報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2010.
[3]方春明,董耀華,陳松生,等.三峽工程水庫(kù)泥沙淤積及其影響與對(duì)策研究[M].武漢:長(zhǎng)江出版社,2011.
[4]李義天.三峽水庫(kù)提前蓄水優(yōu)化調(diào)度方案研究[R].武漢:武漢大學(xué),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(xué),2010.
[6]計(jì)玉健,李矩海,薛俊,等.三峽—葛洲壩樞紐河段航運(yùn)條件及航運(yùn)調(diào)度規(guī)程技術(shù)研究[R].武漢:長(zhǎng)江三峽通航管理局,2008.
[7]付中敏,閆軍,劉奇峰,等.長(zhǎng)江中游藕池口水道航道整治一期工程工程可行性研究報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2009.
[8]付中敏,劉懷漢,劉奇峰,等.長(zhǎng)江中游窯監(jiān)河段航道整治一期工程工程可行性研究報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)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(zhǎng)勝(1958-),男,高級(jí)工程師,主要從事航道整治工程研究。