三峡水库汛期泥沙淤积对坝前水位的滞后响应

河床演变中普遍存在着滞后现象,而以往的三峡水库泥沙研究对滞后现象鲜有考虑。为深入认识三峡水库运行带来的泥沙淤积特征,建立了考虑上游来沙和坝前水位双重影响的泥沙淤积滞后响应模型。基于2003—2017年实测水沙资料,分析了三峡入库水沙特性及汛期泥沙淤积特点,利用滞后响应模型探究了汛期泥沙淤积的滞后规律。结果表明:2003—2012年入库水沙呈现“大水带大沙,少水带少沙”的特点,汛期淤积随坝前水位抬升而增加;2013—2017年入库水沙关系的一致性发生变化,受上游梯级库群拦沙影响,汛期淤积减缓。三峡水库汛期累计淤积与5年线性叠加坝前水位之间有较好的相关关系,汛期淤积不仅与当年来沙和坝前水位运行有关,也与前4年的来沙和坝前水位调度有关。     

三峡工程蓄水运用以来水库排沙效果

针对三峡水库蓄水运用以来排沙比问题,在深入研究三峡水库不同蓄水运用阶段水库排沙效果的基础上,着重研究各年年内蓄水排沙过程,系统地分析水库排沙效果的影响因素。结果表明:库区河道特性、入库水沙条件以及坝前水位的高低是水库排沙比变化的主要影响因素。2003年6月~2010年12月,水库排沙比为26.1%。水库排沙主要集中在汛期5~10月,排沙比为29.0%。尤其是在洪峰期间,库区水流流速较大,水流挟沙能力强,进入水库的泥沙大部分能输移到坝前,水库排沙比较大,当入库流量大于30000m³/s时,水库最大排沙比可达81.0%。此外,随着汛期坝前水位的抬高,水库排沙效果有所减弱,尤其是粗颗粒泥沙的多少也很大程度上影响水库排沙效果,水流的挟沙能力随着水流流速的减小而减小,粗颗粒泥沙的排沙比随之发生较全沙更为明显的减小。     

三峡水库运行初期的泥沙淤积特点

针对三峡蓄水运行后的泥沙淤积问题,基于实测资料,采用输沙率法和断面法分析了三峡水库运行初期的泥沙淤积特点.结果表明:三峡水库2003—2013年泥沙淤积总量为15.31亿t,平均排沙比为24.5%,均较论证阶段降低;库区泥沙淤积主要分布在常年回水区的宽谷和弯道河段,宽谷段全断面发生淤积、弯道断面流速较小一侧淤积、峡谷无累积性淤积;常年库区近坝段泥沙淤积速度逐年减小,而上段泥沙淤积速度则呈增大趋势;淤积物粒径沿程分选不明显,常年回水区淤积物中值粒径多在0.01 mm以下.库区峡谷段深泓线无明显变化、尚未出现泥沙淤积三角洲、库尾泥沙淤积上延和尾水抬高不明显,据此初步推断峡谷河段存在富余挟沙力而成为局部侵蚀基准面,整个库区将无统一平衡比降的趋势.     

水沙调节后三峡工程变动回水区泥沙冲淤变化

长江上游溪洛渡、向家坝等水电工程的建设,改变了进入三峡水库变动回水区及库区的水沙环境。上游水库水沙调节后,变动回水区的泥沙淤积情况将会发生相应变化。在分析三峡工程变动回水区水沙特性的基础上,应用建立的适合多连通域的贴体正交曲线坐标系下的二维水沙数学模型,根据三峡工程初步设计阶段选定的1961-1970年(简称60系列)及上游水库水沙调节后的水文系列及相应进出口边界条件,预测了重庆主城区河段100年泥沙冲淤的时空变化规律。研究表明,60水沙系列条件下,该河段淤积比较严重,淤积主要位于岸线凹凸不平的弯沱、回流区及河道的宽浅河段;上游水沙调节后,仅局部岸线凹凸不平的弯沱有少量泥沙淤积,主城区川江段的淤积量仅为60系列的17.4%,嘉陵江段仅为60系列的10.3%,这对三峡水库有效库容的保持及主城区河段岸线利用有利。     

近50年来长江水沙变化规律研究

较为系统地研究了近50年来长江流域不同河段、不同时段的水沙变化特性。从多年平均情况来看,长江上游水沙异源、不平衡现象十分突出,干流石鼓至宜昌沙量沿程增大,宜昌以下干流河道输沙量沿程减小,悬沙中值粒径也沿程变细;1991~2002年长江干流各站径流量变化不大,输沙量明显减少;2003～2010年长江上游来沙减小趋势仍然持续,加之三峡水库蓄水拦沙作用,坝下游输沙量大幅减小,悬移质泥沙粒径沿程变粗,至监利站粗沙量已基本恢复到蓄水前的水平。三峡水库蓄水运用后,长江中下游径流年内分配、泥沙来源和地区组成均发生新变化;荆江三口分流分沙量继续减小,洞庭湖湖区淤积减缓;三峡工程蓄水运用不仅改变了长江上游与中下游的冲淤环境,而且也进一步促进了长江中游江湖泥沙分配格局的调整。     

基于挟沙力的三峡水库泥沙淤积形态分析

三峡水库蓄水运用后,泥沙淤积主要分布在常年库区的宽谷和弯道,峡谷则无累积性淤积。基于实测资料计算了三峡成库前（2001年）和成库后（2003-2011年）的挟沙力,结果表明挟沙力随着不同运行阶段坝前水位的抬高而逐步降低,宽谷河段降低幅度较大,峡谷河段降低幅度较小,泥沙淤积比率逐步增大。宽谷河段挟沙力普遍降至含沙量以下而发生淤积,峡谷河段挟沙力仍大于含沙量而无累积性淤积。流量越大,宽谷河段的挟沙力越小于含沙量,而峡谷河段的挟沙力越大于含沙量,表明宽谷河段淤积主要发生在汛期,而峡谷河段汛期以冲刷为主。由于细颗粒泥沙絮凝沉降以及黏性淤积物难以冲刷,恢复饱和系数淤积取1、冲刷取0.01得到的沿程淤积量计算值与实测值吻合较好。弯道河段计算的淤积量与实测值差异较大,表明弯道河段二维特征明显,利用一维的挟沙力计算淤积量不能适用。     

三峡水库运行前后洞庭湖洲滩面积变化遥感认识

为研究三峡水库运行前后洞庭湖洲滩面积的变化特征及原因,利用1994-2016年128个时相的多平台卫星遥感数据,结合城陵矶多年水位观测资料、洞庭湖的多年泥沙出入资料,建立水位与洲滩面积的关系曲线.结果表明,三峡水库运行后,洞庭湖水位和洲滩面积的变化幅度小于运行前,二者呈线性关系.洞庭湖洲滩面积在不同时间段线性趋势不同,总体呈先扩张后萎缩的特征.与三峡水库运行前相比,三峡水库运行后同一水位下洞庭湖洲滩面积更大;且水位越高,增幅越大.三峡水库运行前,洞庭湖泥沙处于不断淤积的状态;运行后,泥沙淤积量降低直至负数,洲滩高程以1.59 mm/a的速率降低.三峡水库的运行和湖砂开采,是影响洞庭湖洲滩面积变化的重要原因.      

金沙江流域水库拦沙效应

水库拦沙是金沙江下游沙量减小的主要原因,对三峡水库的入库水沙条件产生了重要影响。为了系统掌握金沙江流域水库拦沙情况,基于1956年以来流域内水库及实测水沙资料,采用经验公式、典型调查以及输沙平衡原理相结合的方法,对近60年不同阶段金沙江中下游的水库拦沙情况以及水库建设对金沙江流域减沙贡献权重进行了定量研究。结果表明:1956-1990年、1991-2005年和2006-2015年水库拦沙对屏山站的减沙权重分别为0.3%、48%和83%,可见水库拦沙作用逐步增强;1956-2015年,金沙江流域水库年均拦沙0.310亿t,其中大型水库拦沙量占总拦沙量的89%,尤其是2011年以来,随着金沙江中下游以及雅砻江梯级水库群的陆续建成,流域内水库群年均拦沙量达1.92亿t,对屏山站同期年均输沙量的减少权重在90%以上。     

洞庭湖水沙变化分析及影响初探

水沙变化是洞庭湖演变和江湖关系调整的关键因子。综合运用数理统计、小波分析、Mann-Kendall法和累加过滤器等方法,分析1956～2008年洞庭湖入湖和出湖径流和输沙量的变化特征。结果表明:①洞庭湖入湖水量以湘、资、沅、澧四水入流为主,洞庭湖入湖泥沙以荆江三口分沙为主。四水年均入湖水量约占洞庭湖出湖总水量的59.2%;三口入湖沙量约占入湖总沙量的80.9%。②由于荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄以及长江上游的水土保持措施的影响,从三口河道进入洞庭湖的水沙呈现明显的衰减趋势,入湖水量所占比重已由荆江裁弯前的42.6%下降到了三峡水库运用初期的21.7%;入湖沙量所占比重已由荆江裁弯前的87.7%下降到了三峡水库运用初期的59.6%。③近50年洞庭湖的泥沙沉积总量达52.9×108t,但泥沙沉积比已由荆江裁弯前的73.3%下降到了三峡水库运用初期的34.0%,洞庭湖泥沙淤积的趋势明显减弱,有利于保持洞庭湖的调洪湖容,延长洞庭湖的寿命;但三峡水库运用初期,三口分流的衰减将加剧洞庭湖区西部地区枯水供水的紧张态势,并使水环境容量下降;同时城陵矶下游长江河道的淤积导致洞庭湖洪水位抬升。     

小浪底水库“腾库迎洪”期异重流形成分析

小浪底水库异重流的形成与运行规律是关系黄河调水调沙方案拟定的重要指标。基于现场调研、理论探讨与预测分析结合等手段,明晰了2018年"腾库迎洪"期小浪底水库来水来沙过程,根据水库调度与库区淤积形态等边界条件,观测了异重流的形成与运行,采用基于流速分布的水库异重流潜入点预测公式进行了计算分析。结果表明:2018年7月库区产生的剧烈冲刷,在潜入点处发生大量淤积,水深大幅减小,引起潜入点下移;潜入点位置随入库水沙增大、坝前水位降低及库区淤积的推进向坝前移动,计算与实测结果反映了该变化过程。     

小浪底水库“腾库迎洪”期异重流形成分析

小浪底水库异重流的形成与运行规律是关系黄河调水调沙方案拟定的重要指标。基于现场调研、理论探讨与预测分析结合等手段,明晰了2018年“腾库迎洪”期小浪底水库来水来沙过程,根据水库调度与库区淤积形态等边界条件,观测了异重流的形成与运行,采用基于流速分布的水库异重流潜入点预测公式进行了计算分析。结果表明:2018年7月库区产生的剧烈冲刷,在潜入点处发生大量淤积,水深大幅减小,引起潜入点下移;潜入点位置随入库水沙增大、坝前水位降低及库区淤积的推进向坝前移动,计算与实测结果反映了该变化过程。     

三峡库区汛期洪峰和沙峰异步运动特性的三维数值模拟

三峡水库蓄水后水深的增加导致洪水传播过程中沙峰滞后于洪峰的时间增加,利用洪峰和沙峰异步运动特性进行沙峰排沙调度是减缓水库淤积的重要手段之一。采用三维数值模型SCHISM（Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model）研究三峡库区洪峰和沙峰的异步运动规律,基于2013年的汛期水沙传播过程验证模型的可靠性和准确性,初步分析不同洪水位下洪峰和沙峰的异步运动特性。结果表明:数值模型能够准确地模拟三峡水库汛期洪峰和沙峰长距离的传播过程;坝前蓄水位对洪峰传播时间的影响不大,但是对沙峰传播时间的影响较为显著;坝前水位增加使水流的流速减小和挟沙能力降低,沙峰传播速度减慢且峰值沿程不断降低,最终导致库区中沙峰滞后于洪峰出现的时间沿程越来越长。研究结果可为进一步优化三峡水库的沙峰排沙调度等提供科学依据。     

洞庭湖区洲土变化特征与地壳沉降遥感研究

洞庭湖泥沙淤积严重，多年平均泥沙淤积量达14，334万t/a；同时，洞庭湖又处于不均匀的地壳沉降中，沉降速率达5．00－31．3mm/a。作者应用20世纪70年代和90年代两个时段18个时相卫星遥感数据。系统地调查量算了不同水位时洲滩的出露面积。在此基础上，根据不同水位时来来沙规律及洲土面积与水位的变化关系，利用现代航天对地观测技术有效地论证了洞庭湖的地壳沉降与湖盆泥沙淤积。研究表明，洞庭湖仍处于不断沉降中，在平水位以下或洪水位以上，地壳沉降速率均大于泥沙淤积速率。     

葛洲坝水利枢纽运行后泥沙冲淤变化分析

对葛洲坝水利枢纽及其运行情况和河段特性进行了介绍。分析认为葛洲坝水利枢纽运行前后的入库水沙特性基本一致。探讨了库区冲淤变化特点、淤积量及其分布,冲淤过程及达到冲淤平衡的时间。对坝下游河床的冲淤过程、冲淤量、达到冲淤平衡的时间以及河床粗化,河底高程历年变化及同流量水位降低的原因、降低量及变化过程进行了分析总结。研究结果可为进一步探讨三峡水利枢纽与葛洲坝水利枢纽联合调度运用后水库泥沙淤积变化规律提供参考。     

溪洛渡库区支流拦门沙形成机理

水库蓄水后，水深增加使得河道干支流水动力条件发生改变，干流泥沙倒灌造成支流淤积，影响水库有效库容和航运安全。以溪洛渡水库为例，基于实测资料和三维水沙数学模型，研究库区干流和支流的水沙输移规律，分析支流河口段泥沙淤积特性及拦门沙形成机理。结果表明：(1)库区支流河道淤积泥沙来自支流上游和干流倒灌，其中，支流上游来沙是库区支流河道淤积的主要来源。(2)干流倒灌库区支流河口形成对流和环流区，泥沙易于淤积，西溪河和牛栏江坡度较缓，存在形成拦门沙的风险较大；美姑河坡度较大，存在形成拦门沙的风险较小。(3)对于西溪河、牛栏江和美姑河，干流倒灌的距离随着流量的增加而增加，高水位运行时，水位对干流倒灌的距离影响不明显；而对于金阳河和西苏角河，干流倒灌的距离随着流量的增加基本不变，干流倒灌的距离随着水位的增加而增加。研究成果为新水沙情势下库区支流拦门沙风险防控提供依据。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明：① 三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。② 根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③ 在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④ 三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明:①三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。②根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

小浪底水库溯源冲刷效率评估试验

水库溯源冲刷试验是评估在水库速降水位过程中,结合工程控制条件、水沙条件、冲刷时机和初始水库蓄水条件等因素,研究支流拦门沙坎破坏程度对干流溯源冲刷的影响。采用按照水库高含沙模型相似律建立的小浪底水库实体模型开展了4个组次的水库降水库区发生溯源冲刷的试验,第1~4组次库容恢复率依次为11.6%、6.8%、12.2%和6.6%。拦门沙坎破坏越严重,水量越大,库区溯源冲刷量越大,库容恢复率大;侵蚀基准面越低,库区溯源冲刷量大,库容恢复率大;库区淤积量42.00亿m3时采用降低水位引起库区发生溯源冲刷优于库区淤积量32.00亿m3。对原有的陕西水利科学研究所与清华大学的逐日溯源冲刷公式在考虑支流促因的基础上进行了改进,说明支流蓄水量进入干流越多,引起支流口以下的干流河段冲刷量越大,其计算结果与实测值满足生产实践精度,可作为多沙河流水库调水调沙方案制定参考。     

金沙江下游溪洛渡水库排沙效果及影响因素

溪洛渡水电站自2013年开始直接拦截金沙江的泥沙,其排沙效果对水库运行及下游向家坝和三峡入库泥沙都会造成影响。本文基于水文泥沙及河道断面观测资料,对比分析溪洛渡水库和三峡水库排沙规律异同点,研究溪洛渡水库排沙效果及影响因素。结果表明,2014—2019年溪洛渡水库共计排沙1 490万t,排沙比为3.1%,较设计值和向家坝、三峡水库均明显偏小。溪洛渡水库排沙比偏小主要有3个原因:入库水沙峰值协调性较差、水库长期高水位运行及库区河道二级天然潜坎对泥沙运动的阻隔效应。     

梯级水库蓄水对三峡水库洪峰沙峰异步特性的影响

梯级水库蓄水后，三峡水库入库泥沙大幅度减少，同时三峡水库洪峰沙峰传播特性发生变化，有必要研究新水沙条件下三峡水库洪峰沙峰异步特性变化及其原因，为深入认识水库洪峰沙峰异步特性机理和精细化减淤调度方式提供理论基础。采用实测资料分析法和理论分析法，以2003—2018年三峡水库实测水文资料为基础，对梯级水库蓄水后三峡水库洪峰沙峰异步特性变化进行分析，初步探讨这些变化的主要原因。结果表明：梯级水库蓄水后，三峡水库洪峰沙峰异步现象加剧，表现为入库滞后沙峰比例增加最多、库区洪峰传播时间减少以及沙峰传播时间增加。造成该现象的原因是入库泥沙来源发生变化、入库洪峰流量减少以及入库泥沙颗粒粗化。