三峽庫區(qū)泥沙淤積特性研究

李 旺，祖 波，李嘉雯

（1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074；2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401120）

我國(guó)作為一個(gè)水利大國(guó)，研究興建了大量水利水電工程，這些大型工程在抗洪、灌溉、供水以及發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。三峽工程作為一個(gè)世界級(jí)的水利工程，是治理開發(fā)亞洲第一長(zhǎng)河——長(zhǎng)江的骨干性工程，自2003年6月開始蓄水發(fā)電至今，穩(wěn)定運(yùn)行了十余年，帶來了巨大的綜合效益。首先其巨大的防洪庫容能夠有效控制洪水，自運(yùn)行以來每年洪水期都能攔蓄數(shù)十億立方米的洪水，大大減輕了下游的防洪壓力，確保中下游耕地和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，其水力發(fā)電也能明顯緩解我國(guó)的電力緊張問題，替代部分燃煤類化石發(fā)電，使得大氣中二氧化碳、二氧化硫含量下降；另外，由于水深加大、流速減低，航運(yùn)條件明顯改善，也為發(fā)展庫區(qū)航運(yùn)提供了條件［1］。

大量資料表明，無論是大型、中型還是小型水庫，亦或河流含沙量高與低，只要水庫開始蓄水，就會(huì)毫無疑問的發(fā)生泥沙淤積問題［2］。我國(guó)無論是已建成的或在建的水庫也都遇到了不同程度的泥沙淤積問題，長(zhǎng)期的淤積會(huì)導(dǎo)致有效庫容減少，影響河口地區(qū)的地形地貌，甚至?xí)氯降溃瑖?yán)重影響行船通航，如三峽庫區(qū)“忠州三彎”之一的皇華城，泥沙大量淤積左側(cè)的航道，噸位較大的船基本已無法通航［3］。

我國(guó)水電開發(fā)雖然起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，建立了一系列諸如三峽、向家壩、溪洛渡、拉西瓦等特大型水利工程。因此，進(jìn)一步研究庫區(qū)泥沙的淤積特性，對(duì)于水庫的合理有效調(diào)度運(yùn)行，港口航道的維護(hù)，繼續(xù)做好水電開發(fā)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加快能源轉(zhuǎn)型具有重要的意義。

1 三峽庫區(qū)泥沙輸移概況

根據(jù)長(zhǎng)江泥沙公報(bào)2003-2019 統(tǒng)計(jì)資料，基于輸沙率法［5］，求得歷年的淤積量及泥沙排沙比，表1展示了自2003年三峽蓄水以來歷年的泥沙入庫量、出庫量、淤積量及排沙比，入庫沙量未考慮區(qū)間入?yún)R。

表1 三峽庫區(qū)蓄水以來泥沙遷移量Tab.1 Sediment migration since impoundment in the Three Gorges Reservoir area

2 泥沙淤積特征

2.1 庫區(qū)淤積量及排沙比

圖1展示了2003年以來三峽庫區(qū)泥沙量的逐年變化過程。從圖1中可以看出，在2003年至2012年十年間，除2006年和2011年上游來沙量較小外，入庫泥沙量基本穩(wěn)定在1.6～2.5 億t這個(gè)區(qū)間內(nèi)，并有緩慢下降的趨勢(shì)。從2012年開始，入庫泥沙量呈斷崖式下跌，在2015年達(dá)到最低點(diǎn)0.32 億t，僅為2005年入庫泥沙量的13%。這一方面是由于長(zhǎng)江上游各省市近年來逐漸開始重視水土保持工作，流域治理率逐年提高，目前基本已實(shí)現(xiàn)全流域治理覆蓋，水土流失得到了有效遏制，水土流失強(qiáng)度明顯降低，土壤侵蝕量減少了60%以上［7］。另一方面，三峽上游興建了數(shù)座大型水庫，如向家壩水電站2013年7月起開始滿負(fù)荷運(yùn)行，溪洛渡水電站2014年6月起全部機(jī)組也都投入運(yùn)行狀態(tài)，這些興建的水電站攔沙效果明顯，使得三峽入庫泥沙量逐年減?。?］。2018年，受上游來沙和水庫調(diào)度等影響，入庫泥沙量有較大增長(zhǎng)，但仍比常年平均值少8%左右。

圖1 泥沙量逐年變化過程Fig.1 The annual variation process of sediment

另外，三峽水庫的運(yùn)行使得水位抬高，水流流速變緩，改變了原河道的結(jié)構(gòu)和沖淤性質(zhì)，泥沙淤積量對(duì)入庫泥沙量的占比呈增大的趨勢(shì)［11］。雖然近幾年來沙量有較大幅度的回落，但泥沙沉降淤積情況嚴(yán)重，這使得經(jīng)三峽大壩下泄出庫的江水含沙量大幅減少，導(dǎo)致“清水下泄”，長(zhǎng)江下游河床經(jīng)不斷沖刷，河床加深，水位降低，使得枯水期出現(xiàn)部分河床高過江水的情況。

2.2 庫區(qū)排沙比

圖2展示了2003年以來三峽庫區(qū)排沙比及壩前水位的變化過程。排沙比是反映水庫排沙程度的量化指標(biāo)，排沙比越低代表水庫淤積程度越大［12］，由圖2可知，三峽庫區(qū)排沙比總體呈下降趨勢(shì)。三峽庫區(qū)蓄水以來歷經(jīng)了多個(gè)階段，壩前水位由2003年的135.8 m 增加到2016年的175 m，隨著庫區(qū)水位的抬高，水流流速減緩，水流挾沙力減弱，泥沙多沉降淤積，使得排沙比減小。如2006年壩前水位抬升至144 m 后，排沙比直接降至7.9%，僅為前一年的19.6%。排沙比還與來水來沙情況，庫區(qū)地形，河道特性有關(guān)［13］。黃仁勇等［14］以三峽水庫運(yùn)用后實(shí)測(cè)汛期場(chǎng)次洪水的排沙比資料為基礎(chǔ)，采用逐步回歸法確定了影響排沙比的主要因素為流量和庫容。張歐陽［15］等對(duì)洞庭湖水沙變化特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為排沙比受進(jìn)口輸沙量的影響最大。王隨繼［16］等提出黃河流域的氣候變化和水土保持措施會(huì)對(duì)黃河下游汛期輸沙效率和排沙比造成一定影響，但影響效果有限。另外，劉尚武［17］等采用水文學(xué)法對(duì)三峽水庫區(qū)間入庫輸沙量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)隨著上游來沙減少，區(qū)間入?yún)R占比近年來有所增大，故三峽水庫的區(qū)間來沙量不應(yīng)忽視。

圖2 排沙比與壩前水位逐年變化過程Fig.2 Annual variation process of sand row ratio and water level in front of dam

2.3 消落帶坡度、高程與泥沙的淤積

消落帶是河流、湖泊、水庫特有的一種現(xiàn)象，是水陸生態(tài)系統(tǒng)交替控制的過渡性的帶狀區(qū)域，對(duì)于河流湖泊來說，它的形成主要是由于季節(jié)性的水位漲落，而對(duì)于水庫來說，其形成主要是由于水庫的周期性蓄水或泄洪造成水位升降而導(dǎo)致。消落帶一般按照坡度分為崖岸（＞75°）、陡坡岸（25°～75°）、灘坡岸（15°～25°）、臺(tái)岸（＜15°），三峽庫區(qū)的消落帶多為坡度較緩的臺(tái)岸和灘坡岸。根據(jù)河流的形態(tài)和走向，于2018年7月在長(zhǎng)壽和忠縣區(qū)域選取數(shù)個(gè)有代表性的斷面進(jìn)行沉積物采樣，記錄坡度、高程。

圖3展示了三峽庫區(qū)消落帶區(qū)域坡度與淤積量的關(guān)系，可以明顯看出泥沙主要淤積在臺(tái)岸和灘坡岸區(qū)域，且單位面積泥沙淤積量隨坡度的增加呈下降趨勢(shì)。對(duì)于三峽庫區(qū)而言，其臺(tái)岸和灘坡岸較多且連續(xù)性較高，水流流速穩(wěn)定且流速較低，泥沙容易沉降淤積；而坡度較大的崖岸和陡坡岸一方面數(shù)量低，另一方面密度小，且呈零星分布，水流容易在此造成沖刷，使得泥沙較難淤積。

圖3 坡度與淤積量的關(guān)系Fig.3 Relationship between slope and deposition

高程和沉積物沉積之間的相互關(guān)系之前沒有被研究過，因?yàn)榇蠖鄶?shù)研究是在丘陵坡地進(jìn)行的，而很少有在沿岸地帶進(jìn)行的研究。圖4可以看出，隨高程的增加，淤積量呈逐漸減少的趨勢(shì)?？紤]是由于淹沒時(shí)間的原因，對(duì)于高程較高的地區(qū)而言，年淹沒時(shí)間通常較少，無法獲得足夠的泥沙來源，故淤積量較少。如忠縣163 m 高程消落帶年淹沒時(shí)間僅有不到3 個(gè)月，單位面積淤積量只有126 kg，而141 m 高程的年淹沒時(shí)間有近十個(gè)月，淤積量為683 kg，為前者的五倍多。這說明三峽庫區(qū)消落帶泥沙淤積量與其高程有很大關(guān)系。

圖4 高程與淤積量的關(guān)系Fig.4 Relationship between elevation and deposition

3 水動(dòng)力條件與泥沙的絮凝及沉降淤積

一般來說，泥沙絮凝及淤積受多種因素影響，如水動(dòng)力條件，環(huán)境介質(zhì)條件及泥沙自身特性影響［18］。但對(duì)于三峽庫區(qū)來說，其產(chǎn)生絮凝淤積的重要原因之一是庫區(qū)蓄水后水動(dòng)力條件改變，水體流速減緩，導(dǎo)致大量泥沙落淤。

目前針對(duì)三峽庫區(qū)泥沙絮凝研究采用的裝置都較為簡(jiǎn)單，設(shè)定的流體剪切率都較大，未能反映三峽庫區(qū)較低流體剪切率下絮團(tuán)的發(fā)育效果［19］。通過采用自研的各向同性均勻紊流沉降裝置（圖5）來產(chǎn)生低紊動(dòng)剪切率的水流，模擬三峽庫區(qū)水流紊動(dòng)狀態(tài)下泥沙的絮凝效果。

圖5 各向同性均勻紊流裝置Fig.5 Isotropic uniform turbulent flow device

沉降柱高度2 m，沉降柱內(nèi)徑0.3 m，壁厚1 cm，由有機(jī)玻璃制成，柱內(nèi)有7 層振動(dòng)格柵，格柵相鄰間距H=25 cm，每個(gè)格柵中相鄰柵孔距離M=5 cm，與上方電機(jī)相連，通過垂向振動(dòng)能夠產(chǎn)生較為穩(wěn)定均勻紊流場(chǎng)，下部設(shè)有絮體分離室，側(cè)邊設(shè)粒子觀測(cè)裝置，由相機(jī)和電腦組成，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)分離室中泥沙絮體的運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)合激光粒度（島津SALD-3101）分析其粒徑組成變化。

試驗(yàn)所用泥沙采集自忠縣地區(qū)河底表層10 cm 泥沙，泥沙樣品粒度如圖6，試驗(yàn)中將調(diào)配好的泥沙懸濁液注入沉降柱，泥沙濃度控制在三峽庫區(qū)多年平均含沙量區(qū)間內(nèi)，打開振動(dòng)裝置，調(diào)整振動(dòng)頻率以改變紊動(dòng)剪切率，通過觀測(cè)裝置及激光粒度儀觀測(cè)及記錄其粒徑變化情況。

圖6 泥沙樣品粒度Fig.6 Particle size of sediment samples

圖7展示了在室內(nèi)試驗(yàn)中，不同紊動(dòng)剪切率下三峽庫區(qū)泥沙的絮體的發(fā)育效果及絮體特征粒徑的變化情況。可以看出，三峽庫區(qū)泥沙在低紊動(dòng)剪切率下可以產(chǎn)生非常明顯的絮凝沉降現(xiàn)象，在3.84 s-1到19.94 s-1紊動(dòng)強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)，隨著紊動(dòng)剪切率的增大，三峽庫區(qū)泥沙能夠快速發(fā)育形成較大絮團(tuán)，粒徑較大的絮體（＞96μm）占比逐漸增大，此時(shí)水流紊動(dòng)作用對(duì)泥沙絮凝起促進(jìn)作用，絮團(tuán)發(fā)育被強(qiáng)化，當(dāng)剪切率為19.94 s-1時(shí)，大粒徑絮體占比最大，特征粒徑也達(dá)到了最高值。隨著紊動(dòng)剪切率的進(jìn)一步上升，水流紊動(dòng)作用對(duì)絮團(tuán)的破壞作用開始顯現(xiàn)，部分絮團(tuán)無法承受增大的水流紊動(dòng)，泥沙絮凝效果開始降低，特征粒徑減小。紊動(dòng)剪切作用對(duì)黏性泥沙絮凝的影響本質(zhì)上是泥沙顆粒在水流紊動(dòng)作用下由于微觀作用力引起的顆粒聚合，它是碰撞—聚合—破碎—碰撞的動(dòng)態(tài)循環(huán)過程，當(dāng)聚合與破碎達(dá)到平衡時(shí)視作絮凝過程完成［20］。當(dāng)剪切率較小時(shí)，剪切對(duì)絮凝的促進(jìn)作用大于破壞作用，剪切率的增大引起的促進(jìn)絮團(tuán)發(fā)育作用強(qiáng)于破壞絮團(tuán)的作用，絮團(tuán)發(fā)育被強(qiáng)化，這時(shí)存在一個(gè)臨界剪切率，處于臨界剪切率時(shí)，顆粒的聚合作用達(dá)到最強(qiáng)，破碎作用最弱，此時(shí)能夠形成較多的粒徑較大的絮體［21］。當(dāng)流體剪切率超過臨界剪切率時(shí)，剪切率對(duì)絮體的破壞作用逐漸占主導(dǎo)地位，剪切率值的增大引起的破壞絮團(tuán)的作用強(qiáng)于促進(jìn)絮團(tuán)發(fā)育的作用，粒徑較大而又結(jié)構(gòu)松散的絮體在強(qiáng)水流的作用下發(fā)生破碎、分裂。經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)聚合-破碎達(dá)到平衡時(shí)，視作絮凝過程達(dá)到穩(wěn)定，水體中顆粒粒徑分布不再隨時(shí)間發(fā)生較大的變化［22］。但對(duì)于三峽庫區(qū)來說，其蓄水后庫區(qū)流速減緩，水流紊動(dòng)強(qiáng)度一直處于較低的區(qū)間內(nèi)，使得水流紊動(dòng)對(duì)泥沙絮凝沉降的促進(jìn)作用加強(qiáng)，導(dǎo)致泥沙不斷落淤在庫區(qū)中，加重了庫區(qū)的淤積情況。

圖7 不同紊動(dòng)剪切率下泥沙絮體的發(fā)育效果及絮體特征粒徑的變化Fig.7 The development effect of silt floc and the variation of its characteristic particle size under different turbulent shear rates

4 結(jié) 論

本文分析了三峽庫區(qū)運(yùn)行以來十余年的泥沙淤積特征，并基于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了低紊動(dòng)剪切作用下泥沙的絮凝效果，得出以下結(jié)論。

（1）三峽水庫運(yùn)行以來，泥沙入庫及出庫量呈震蕩下降的趨勢(shì)，淤積總量逐年上升。至2019年，泥沙入庫總量達(dá)24.129億t，出庫總量5.718 億t，累積淤積量18.314 億t。

（2）三峽水庫年均排沙比為21.0%，庫區(qū)排沙比總體呈下降趨勢(shì)，與壩前水位，來水來沙情況，庫區(qū)地形，河道特性有關(guān)。

（3）三峽庫區(qū)的消落帶泥沙淤積受坡度影響，坡度越小的地區(qū)泥沙淤積量越大，這與陡坡易受沖刷有關(guān)。消落帶高程與淤積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，考慮原因是由于高程越高，淹沒時(shí)間越短，導(dǎo)致無法獲得足夠的泥沙來源，故淤積量較少。

（4）三峽庫區(qū)泥沙在低紊動(dòng)剪切下可以產(chǎn)生非常明顯的絮凝現(xiàn)象；紊動(dòng)剪切對(duì)于泥沙顆粒的絮凝有較強(qiáng)的控制作用，大粒徑絮體占比隨紊動(dòng)剪切率的增大，呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)剪切率為19.94 s-1時(shí)，大粒徑絮體占比及特征粒徑Df，95最大。明確了在庫區(qū)蓄水后水動(dòng)力條件的改變也是造成庫區(qū)泥沙淤積的重要原因之一。□