三峡水库沙峰调度试验研究与思考

三峡水库蓄水运用以来,入库泥沙大幅减少,水库泥沙淤积大为减轻。但受局部暴雨影响,近几年入库泥沙主要集中在典型洪水期间,为水库在洪水期间进行沙峰排沙调度试验提供了有利条件。利用入库泥沙实时监测与泥沙预报技术,对三峡水库洪峰与沙峰传播特性、沙峰调度进行了研究,为2012,2013年汛期成功实施沙峰调度提供了技术支撑,并取得了较好的排沙减淤效果。为了掌握更精准的沙峰调度时机、制订更科学合理的沙峰排沙调度方案,提出了下一阶段沙峰调度观测与研究的重点和方向。     

三峡水库汛期沙峰排沙调度研究与初步实践

三峡工程蓄水运用以来,入库来沙大幅减少,泥沙淤积大为减轻,且绝大部分泥沙淤积在库区常年死库容内,为水库排沙调度试验提供了有利条件。在分析三峡水库洪峰、沙峰传播特性的基础上,针对三峡入库洪峰、沙峰传播的时间差异性,提出了"洪峰到来时拦洪削峰,沙峰临近时加大泄量排沙"的沙峰调度策略。依据所提出的调度模式,于2012,2013年汛期进行了沙峰排沙调度试验,获得了较好的效果,丰富了水库泥沙调度理论,为三峡水库正常运行期科学调度积累了宝贵经验。     

三峡水库2018年7月洪水期间泥沙输移特性分析

阐述了2018年7月三峡水库入库洪水组成、洪水泥沙发展、三峡水库调度及出库水沙过程。分析了场次洪水水库泥沙预报,2008年175 m试验性蓄水以来寸滩-庙河的沙峰输移时间、衰减比以及三峡水库场次洪水排沙比等水库泥沙输移特性。分析结果表明:①泥沙预报选取的细颗粒级配曲线与实测悬沙颗粒级配曲线基本一致,沙峰、峰现时间预报精度较高,含沙量过程基本一致。②流量级越小,坝前水位越高,沙峰输移时间越长;沙峰在清溪场-庙河段的衰减较在寸滩-清溪场段更为明显,且衰减程度与场次洪水的洪峰量呈反比,即流量越小,沙峰比越小,衰减越明显。③排沙比与场次洪水平均入库流量呈较明显的正比关系,且随流量的增大而呈加速增大趋势。     

三峡水库汛期水沙异步特性及沙峰输移时间研究

以三峡水库运用以来2003—2018年库区主要测站的水沙数据为基础,对上游来沙入库时刻水沙异步特性进行了统计分析,讨论了不同水位级情况下典型场次洪水过程中沙峰输移时间与不同影响因素之间的关系,并利用回归分析法得到了拟合程度较好的沙峰输移时间回归公式。结果表明:洪峰流量>30 000 m³/s的40场典型洪水过程,入库时刻沙峰超前、同步、滞后洪峰的场次比例分别为42.5%、42.5%、15%;金沙江下游向家坝等梯级水库蓄水运用后,沙峰在三峡库区的传播时间明显增长。由于水库不同运用时期汛期坝前水位变化范围不同,采用了分水位级的方式对库区沙峰输移时间与不同影响因素的相关性进行讨论,进而使用逐步回归的方法分别建立了拟合效果较好的沙峰传播时间公式,可为水库沙峰调度提供技术支撑。     

2018长江2号洪水期间三峡水库沙峰排沙调度

2018年长江第2号洪水期间,寸滩站洪峰流量59 300 m~3/s,报汛最大含沙量达到4.47 kg/m~3,三峡入库沙量达到了7 440万t,均大于2014~2017年各年的全年入库输沙量,且入库沙峰大、持续时间长。根据泥沙实时监测与预报成果,7月11～20日三峡水库入库和坝前含沙量较大,三峡水库在进行防洪、航运调度的基础上,实施了沙峰排沙调度,将下泄流量42 000 m~3/s一直维持至沙峰通过大坝后。实测资料表明:7月18～20日三峡水库排沙效果明显增强,出库含沙量在0.50～1.20 kg/m~3之间,最大出库输沙率达到48.5t/s,日均出库沙量在370万t左右,按沙峰输移过程统计,沙峰过程排沙比达29%,7月份排沙比达到了31%,取得了较好的排沙效果,有效减轻了库区泥沙淤积。研究成果为进一步完善三峡水库"蓄清排浑"新模式积累了宝贵的经验。     

2020年三峡水库沙峰排沙调度分析

为了减少三峡水库库区泥沙淤积,提高水库排沙效率,2020年8月中旬长江4、5号洪水期间,在泥沙实时监测和精确预报的基础上,三峡水库进行了沙峰排沙调度。调度期间,三峡水库坝前最高调洪水位虽然高达167.65 m,但此次沙峰过程排沙比仍达到了27%,比试验性蓄水以来平均排沙比高9%,沙峰排沙调度取得良好效果。对2020年长江4、5号洪水期间上游暴雨产沙特性、三峡水库入库泥沙组成和增多原因、沙峰排沙调度等进行了分析总结,为今后长江上游来水来沙研究以及三峡水库更好地进行科学调度提供了技术支持。     

三峡水库泥沙淤积及减淤措施探讨

受上游水库蓄水拦沙、水土保持工程实施、河道采砂及气候变化等因素的影响,三峡水库的入库水沙条件发生了明显变化,水库淤积量大幅度减少。根据实测资料,分析了蓄水以来三峡水库淤积特性,以及减淤措施的实施时机及效果。研究表明:在入库沙量大幅度减少的前提下,三峡水库淤积大为减轻;汛期实施沙峰调度能够增大排沙比,减少水库淤积量;消落期实施库尾减淤调度能够有效缓解库尾局部河段淤积;局部河段清淤能够高效清除淤积泥沙,确保航道畅通。研究结果丰富了水库泥沙淤积管理方法和水库泥沙调度理论,为水库长期保持有效库容提供了参考。     

三峡水库泥沙调度探索

对三峡水库进入正常蓄水运用中的泥沙调度方式和调度结果进行总结,并对解决库区回水末端重点浅滩河段泥沙淤积加重的问题进行了初步试验研究。结果表明:一般在汛前4月下旬-5月上旬库水位消落期,当入库流量相对较大时,控制库水位日降幅度和调度时间;或在汛期,当预报上游有较大的来水来沙过程时,利用沙峰滞后洪峰的规律和汛期主要的洪水过程排沙量较大的特点,适时控制库水位和下泄流量,均可达到排沙减淤特别是减少库区回水末端淤积的目的。本文丰富了水库泥沙调度理论,并为三峡水库正常运行期科学调度积累了宝贵经验。     

长江重庆主城区河段卵石推移质走沙条件研究

三峡水库175 m试验性蓄水后,长江重庆主城区河段泥沙输移发生显著改变。研究重庆主城区河段泥沙输移规律,弄清泥沙输移与三峡水库调度之间的联系,对于优化水库调度,减轻库区淤积具有重要意义。依据寸滩站长系列年卵石推移质原型观测资料,结合二维数学模型和卵石推移质起动公式,分析了重庆主城区河段卵石推移质输移特性变化及走沙条件。结果表明:三峡水库蓄水以来,重庆主城区河段卵石推移质输移量显著减少,卵石颗粒细化,走沙时间也大幅缩短;研究河段内卵石推移质起动的临界条件是三峡水库坝前水位低于157 m,上游来流量大于6 800 m~3/s,并用2016年实测资料加以验证,验证结果较好。研究表明通过三峡水库调度可以加大重庆主城区河段的泥沙输移强度,减轻该河段内的泥沙淤积。     

三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式初探

为研究三峡水库汛期调度方式优化问题,以实测资料为基础,对三峡水库蓄水运用以来入出库沙量特性变化进行了分析,主要从泥沙角度对三峡水库采用汛期“蓄清排浑”动态运用方式进行了初步探讨。研究结果表明:三峡水库蓄水运用后汛期入库沙量大幅减小,上游溪洛渡和向家坝水库蓄水运用后三峡水库汛期6—9月份含沙量已经开始小于论证阶段5月份和10月份的含沙量;三峡水库主汛期出库沙量占年出库沙量的90%以上,且汛期出库沙量主要集中在1~2次大的出库沙峰过程中;近期三峡水库汛期采用“蓄清排浑”动态运用的泥沙调度方式,泥沙淤积可许。研究成果可为三峡水库汛期优化调度提供参考。     

溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期联合排沙调度方式初步研究

采用实测典型水沙过程,对溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的联合排沙调度方式开展了计算研究。结果表明:基于沙峰调度的梯级水库联合排沙调度方式从定性分析来看有利于提高梯级水库出库沙量,但提高的幅度有限;基于汛期“蓄清排浑”动态使用的梯级水库联合排沙调度方式有利于提高梯级水库出库沙量,且提高的幅度相对较大。通过计算研究提出了基于沙峰调度和基于汛期“蓄清排浑”动态使用的溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合排沙调度方案,研究成果可为溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库汛期泥沙调度提供科技支撑。     

Large-scale 3D numerical modelling of flood propagation and sediment transport and operational strategy in the Three Gorges Reservoir,China

Sediment deposition carried by flood flow is the main cause of reservoir sedimentation. This can be reduced by an appropriate operational strategy of flood flow and sediment in the reservoir. High-precision and large-scale hydrodynamic models to predict flood propagation and sediment transport in reservoirs are extremely important for an efficient flood forecasting and real-time joint regulation of water and sediment in reservoirs. In the present study, the three-dimensional (3D) numerical semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model (SCHISM) was adopted to model the flood propagation and sediment transport in the approximately 280-km-long reach in the Three Gorges Reservoir. This model is mainly focused on analysing the asynchronous movement characteristics of flood propagation and sediment transport and the operational strategy of sediment peak regulation. The flood event in July 2013 was reproduced by the numerical model, which was validated by a comparison with the measured data. The results indicated that the numerical model has the ability to accurately simulate the flood propagation and sediment transport processes. The time that the sediment peak lags behind the flow discharge peak increases as the flood waves propagate downstream, reaching 8.1 days at the dam site. During the rising period of the flood, the discharged flow is lowered to reduce the flood peak, and when the sediment peak reaches the dam, the discharged flow is increased to release high concentration sediment during the flood recession period so as to reduce sedimentation in the reservoir. The model results agreed well with the measured results. The 3D numerical model can be used for the real-time prediction of the arrival time of the flow discharge and sediment peaks for the joint regulation of water and sediment in the Three Gorges Reservoir.     

山东黄河泥沙特性及沙峰运移规律

在论述黄河山东段泥沙时空分布及不同时期泥沙粒径变化的基础上，重点分析了洪水过程中沙峰的运移规律：山东河段沙峰的削峰率为沿程向下游递减，且与沙峰的大小成正比；沙峰沿程输沙量变化，高村至艾山段沿程减小。艾山至利津段基本稳定。沙峰运移过程中与相应洪峰发生的时间一般是不同步的，高村至艾山段，沙峰常超前于洪峰，而艾山至利津段，沙峰常滞后峰；不漫滩洪水，沙峰一般滞后于洪峰，漫滩洪水，沙峰一般超前于洪峰。     

三峡水库防洪调度对“09.8”上游洪水影响分析

针对2009年8月长江上游发生的较大洪水（简称“09.8”长江上游洪水）,为减轻荆江河段及荆南四河的防洪压力,控制三峡水库出库流量,实施削峰调度。通过还原计算,分析了防洪调度对荆江及城陵矶河段防洪的影响。结果表明,本次拦洪调度的三峡水库最高库水位达152.89 m,沙市、城陵矶水位均在设防水位以下,避免了荆江河段高洪水位,降低了防汛响应级别,减少了中下游防汛成本支出,同时增加了5.3亿kW·h的发电量,取得了较大的防洪与发电效益,是三峡水库建成以来首次大规模防洪调度的成功案例。     

三峡水库泄水波与沙市站水位流量响应关系研究

三峡水库投入运行后,其下游特别是荆江河段水沙特性发生了明显改变。长期以来,众多研究者在不同阶段对三峡水库运用后下游河段行洪能力的变化进行了大量研究,但得出的结论和认识不尽相同。沙市站水位流量关系是确定荆江河道行洪能力的主要依据,对于三峡水库实施荆江补偿调度也至关重要。采用数值模拟方法,分析了受河道变化及洪水特性改变双重影响下沙市站水位流量关系的变化规律,同时模拟了沙市洪峰水位与三峡水库不同泄水波的响应关系。结果表明:洪水波的波型变化对沙市水位流量关系产生影响,多数情况下,同流量下断波洪水的洪峰水位略高于天然洪水;沙市河段行洪能力基本未发生变化;不同类型洪水波向下游传播时,其坦化作用各有差异。     

三峡水库库尾重庆主城区河段冲淤特性

重庆主城区河段是西南地区水陆交通枢纽,其河道泥沙冲淤关系到防洪、航运及码头作业等一系列问题,是三峡水库泥沙问题的重点内容之一。三峡水库175 m试验性蓄水后,该河段位于库尾段,年内水力特性显著改变,河床冲淤规律相应发生变化。依据实测水沙及河道原型观测资料,对比研究了近15 a天然状态下和三峡水库175 m水位试验性蓄水后河段的泥沙冲淤变化。结果表明:自然状态下重庆主城区河段以冲刷为主,汛后走沙、汛期淤积规律明显,且汛后为主走沙期;三峡水库175 m水位试验性蓄水后至2012年河床冲刷强度下降,主走沙期推迟至汛前消落期;2013年以来上游来沙大幅减少使得河段冲刷强度增大。研究成果可为三峡水库优化调度和重庆主城区河段的规划治理提供参考。     

黄河下游洪水期沙峰滞后特性研究

简要分析了黄河水沙异源的情况，指出沙峰滞后、洪峰与沙峰不同步是造成黄河下游涨冲落淤和小水大灾的主要原因。根据小浪底下游各站沙峰均滞后于洪峰的35场洪水，对沙峰滞后于洪峰的特性进行了剖析，建立了小浪底、花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、利津各河段沙峰滞后时间与上站洪峰流量、沙峰含沙量、洪水传播速度、悬移质泥沙群体沉速之间的回归方程，可以用来查补延长沙峰滞后时间，为下游各站沙峰传播时间的准确预报提供依据。     

长江上游水库群联合调度中的泥沙问题

长江上游已形成以三峡水库为核心的世界上规模最大的巨型水库群,2012年开始实施上述水库群的联合调度。分析了水库群联合调度中,与水库泥沙密切关联的汛期防洪、汛末蓄水和汛前消落调度方案及其对水库泥沙带来的影响。在较为深入、系统地研究了长江泥沙变化规律及其原因、水库淤积和长江中下游河床冲刷特性的基础上,对水库群联合调度中面临的水库淤积与长期使用问题,以三峡水库为例,提出了精细化的"蓄清排浑"和库尾减淤等泥沙调度方法。对水库群水沙联调,促进流域泥沙合理配置以及水库群联合调度条件下的泥沙问题与应对措施等提出了建议。     

三峡水库下游河道水沙输移特性研究

三峡水库蓄水运用改变了下泄的水沙条件,引起坝下游水沙过程及输移特性的变化.采用以旬为单位的统计时段,分析比较了三峡水库蓄水前后旬平均流量、输沙量及含沙量的变化.蓄水前后坝下游各站洪水、中水、枯水3个流量区间的出现频率变化分析表明,建库后距坝距离愈远其洪水流量区间出现频率的减小愈显著.统计分析了不同流量级下含沙量的沿程恢...