三峡水库库区沙峰输移特性研究

近年来,三峡水库入库泥沙大幅减少,水库泥沙淤积大为减轻。受局部暴雨影响,入库泥沙主要集中在典型洪水期间,为水库的沙峰调度提供了有利条件。三峡水库在2012年和2013年汛期成功实施了沙峰调度,取得了较好的排沙减淤效果。利用实测资料分析和数值模拟等方法,对库区沙峰的输移特性和衰减规律进行了系统分析与研究。结果表明:三峡水库蓄水后,库水位抬高,库区水流流速减慢,沙峰输移时间较蓄水前大幅增加;库区沙峰衰减主要与河段长度、流量和泥沙颗粒有关。研究结果可为进一步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。     

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。     

三峡水库汛期排沙效率研究

水库减淤调度是保障水库综合效益发挥的重要措施。以2003～2018年三峡库区主要水文站实测水沙数据为基础,统计分析了库区来水来沙规律,将库区按照沿程水文站布置分为3个库段,采用逐步回归的方法探讨了库区不同库段的输沙比与不同影响因素之间的相关情况,并建立了不同库段输沙比公式。结果表明：(1)寸滩至清溪场库段输沙比的主要影响因素为流量沿程变化系数和水沙系数,清溪场至万县库段输沙比的主要影响因素为洪水滞留系数和含沙量,万县至庙河库段输沙比的主要影响因素为洪水滞留系数和流量;(2)基于不同库段排沙比公式提出了提高排沙效率分段调度的新思路,即沙峰输移至清溪场站降低水位,输移至万县站继续加大下泄流量。研究成果可为三峡水库沙峰优化调度提供参考。     

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。     

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...     

长江上游高洪水期泥沙输移特性

长江上游高洪水期(汛期)泥沙输移特性是决定三峡库区泥沙淤积的关键因素,直接关乎三峡水库使用寿命及综合效益的发挥。借助干、支流长系列水沙资料,分析了长江三峡水库入库寸滩站高洪水期泥沙输移特性,结果表明:近40 a来,寸滩站场次洪水中7 d洪量未出现趋势性变化,而7 d沙量显著减少,高洪水期输沙经历了“涨水输沙占优—涨、落水基本持平—落水输沙占优”的变化过程。2013年以前,寸滩站高洪水期径流及泥沙均主要来自于金沙江,而向家坝、溪洛渡水电站陆续投运后,2013—2019年寸滩站洪水场次(洪峰流量30 000 m³/s以上)共计14场。从径流来源来看,仅4场主要来自于金沙江,其余9场主要来自于嘉陵江,1场来自岷江;从泥沙来源来看,9场主要来自于嘉陵江,其余5场分别来自于沱江、岷江、横江,金沙江已不是寸滩站高洪水期过程中泥沙的主要来源区。研究成果可为三峡水库沙峰排沙调度、库尾减淤调度提供理论支撑,为长江泥沙治理提供保障。     

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。     

三峡水库排沙比对来水来沙的响应

排沙比是水库拦截泥沙程度的指标之一。排沙比越大,水库淤积强度就越小;反之亦然。以三峡水库2004-2012年库区各水文站的实测资料为依据,通过对三峡水库运行以来水库排沙比及其影响因素的分析,发现坝前水位和入库、出库流量是影响水库排沙比大小的主要因素,其次是入库沙量和泥沙颗粒大小。进一步分析得出排沙比对月均库水位变化的敏感度随月均入库流量的增加而迅速增加,当月均入库流量小于15 000 m3/s时,月均库水位变化对排沙比几乎没有影响。当月均入库流量大于20 000 m3/s时,水库排沙比的变化幅度随月均库水位的变化较大,当月均库水位从138 m增加到155 m时,其排沙比约从62%降低至不到10%。为了提高水库排沙比,在水库调度上建议采用"大水低位、小水高位"的运行方式。     

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。     

三峡水库不平衡泥沙输移规律

通过观测资料分析与数学模型模拟,研究了三峡水库在大水深强不平衡条件下非均匀沙输沙规律。研究说明,三峡工程蓄水运用后,洪水以重力波的形式传播作用明显,寸滩站至黄陵庙站的悬沙输移时间比洪水传播时间滞后较多,考虑洪水的非恒定过程使计算水库泥沙淤积有所增加。三峡水库细颗粒泥沙不仅淤积比大,且不同粒径对计算结果影响不大,如不考虑絮凝作用,难以用不平衡输沙理论解释。考虑絮凝作用后,模拟三峡水库出库含沙量过程与观测良好,从侧面说明三峡水库可能存在絮凝现象,此问题值得进一步深入研究。     

长江上游寸滩站2010年“7.19”洪水预报分析

2010年7月长江上游控制站寸滩站出现1987年以来的最大洪水,洪峰流量达64 900 m3/s,是长江三峡水库建成以来的最大洪水。寸滩水文站是三峡水库的入库站,其洪水预报的时效性和精度直接影响三峡水库调度运用,长江中下游及重庆市的防汛。影响寸滩水文站洪水水位流量预报的因素较多,既受上游各干支流大江河来水组成的影响,也受下游三峡水库回水顶托的影响。在认真分析影响寸滩站洪水流量的各种因素,及时掌握水雨情资料的条件下,2010年寸滩洪水预报取得了较满意的成果。对2010年寸滩的洪水预报进行分析,为以后的洪水预报积累经验,以便更好地服务于长江防汛和三峡水库调度。     

三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式计算研究

在入库沙量大幅减少的背景下,三峡水库持续开展汛期中小洪水调度,增大了汛期库区泥沙淤积和防洪风险,减少了水库下泄大流量的机会。在三峡水库汛期,开展“蓄清排浑”泥沙调度方式动态运用研究有助于进一步优化三峡水库汛期调度方式。利用三峡水库干支流河道一维非恒定流数学模型,探索开展了三峡水库汛期 “蓄清排浑”动态运用方式计算研究,并提出了汛期“蓄清排浑”动态运用方案。计算结果表明:三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式可以同时兼顾排沙、发电和防洪,“蓄清”水位150 m要优于155 m,“蓄清”运行期间库水位可选择在145~150 m之间浮动运行;建议将寸滩含沙量达到2.0 kg/m³且当日寸滩站入库流量≥25 000 m³/s的时间作为水库增泄“排浑”的起始时间,将出库含沙量降至约0.1 kg/m³作为“排浑”调度结束重新进入“蓄清”调度的泥沙参考因素。研究成果可为三峡水库汛期优化调度提供参考。     

基于Azure AutoML的泥沙预报模型构建与应用

泥沙预报是开展水库泥沙实时调度的前提，而水沙作用机理和演进规律的复杂性又导致开展高效、精准的泥沙预报较为困难。基于微软在2018年发布的Azure AutoML自动化机器学习技术，进行了泥沙预报模型构建与应用的探索。选取三峡水库泥沙重要控制站——寸滩、清溪场、万县、黄陵庙站构建了含沙量预报模型，并从模型构建与评估、预报精度、输入因子重要性等角度开展了分析。研究结果表明：Azure AutoML技术可便捷地进行自动化机器学习模型的构建，基于该技术建立的预见期为1～3 d的模型针对沙峰消退阶段和含沙量较小阶段预报效果较好；预见期为1～2 d的模型可以对沙峰开展较为准确的预报；寸滩、清溪场站含沙量主要受到上游来沙的影响，而万县、黄陵庙站的含沙量自相关性较强。     

长江上游三峡水库入库泥沙沙峰传播时间研究

为进一步掌握长江上游三峡水库入库泥沙沙峰传播规律、提高入库泥沙沙峰预报精度,制定更加科学合理的三峡水库沙峰调度方案,基于三峡水库蓄水以来长江上游主要控制性水文站水沙实测资料,分析了长江上游水沙组成,并对长江上游各主要控制性水文站沙峰传播时间进行了研究。结果表明:2003年以来,长江上游来沙明显减少,向家坝站、横江站、高场站及富顺站沙峰到朱沱站的平均传播时间分别为38.7,32.0,30.9 h和20.8 h,武胜站、罗渡溪站和小河坝站沙峰到北碚站平均传播时间分别为16.9,19.0,20.0 h,朱沱站、北碚站到寸滩站分别为20.8,7.7 h;当向家坝至朱沱河段流量小于10 000 m~3/s时,沙峰传播时间为48.0 h,当流量为10 000～20 000 m~3/s时,河段沙峰传播时间为32.7～46.3 h,当流量为20 000～30 000 m~3/s时,河段沙峰传播时间为27.0～32.7 h,当流量大于30 000 m~3/s时,河段沙峰传播时间少于27.0 h。     

黄河内蒙古段不同流量过程输沙效率分析

选定黄河内蒙古段1958—2013年体现年际间的丰枯变化和年内的季节性变化特征的94场次流量过程,以排沙比和淤积比为主要指标,分析了不同时期各级流量过程的输沙效率。结果表明:对于平均流量小于1 000 m3/s的流量过程,流量与含沙量的变化均对输沙效率具有比较显著的影响,即排沙比随着流量的增加而增大,随着含沙量的增大而减小。不同流量过程中泥沙组成的变化将导致各级粒径泥沙的输移分配比例有所不同,细沙流量过程水流的输沙能力主要表现在对粗沙的输移上,而粗沙流量过程水流的输沙能力主要表现在对细沙的输移上。     

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。     

黄河下游高效输沙洪水调控指标研究

黄河下游河道冲淤变化主要取决于水沙条件,即随流量大小和含沙量高低而变化,含沙量越低则泥沙淤积比越小、单位输沙水量越大,反之,含沙量越高则泥沙淤积比越大、单位输沙水量越小。在黄河水少沙多、水资源日趋紧缺和供需矛盾日益突出的现实条件下,为兼顾河道少淤和减少输沙水量,可通过水库调度,优化水沙搭配、塑造高效输沙洪水。以黄河下游实测场次洪水为基础,建立洪水期下游河道泥沙淤积比与水沙因子间的响应关系,求得流量为4 000 m~3/s时冲淤临界含沙量约为50 kg/m~3;基于黄河下游河道洪水泥沙输移规律,以维持黄河下游河道基本不淤积为约束条件,分析单位输沙水量随含沙量的变化情况,提出了高效输沙洪水泥沙优化配置指标,即洪水流量为4 000 m~3/s、河道淤积比为0～15%时,相应的高效输沙洪水含沙量配置区间为50～75 kg/m~3。     

三峡水库试验性蓄水以来长江上游来水来沙变化

三峡水库试验性蓄水以来,水库上游水沙条件进一步发生变化,导致三峡入库水沙过程和组成发生改变,研究三峡水库试验性蓄水以来入库水沙变化对研究库区冲淤特性改变具有重要意义。本文基于实测水沙资料,对三峡水库试验性蓄水以来上游来水来沙变化进行系统分析。结果表明：受上游溪洛渡、向家坝水库相继蓄水运行影响,金沙江干流来沙显著减少,导致三峡入库(朱沱+北碚+武隆)泥沙由2003—2012年年均的2.03亿t减至2013—2020年的0.87亿t;区间支流来沙占比增大,且主要集中在年内几场暴雨洪水输沙过程中。岷沱江、嘉陵江流域成为三峡入库泥沙主要产区,金沙江来沙占寸滩站沙量的比重仅为1.8%。受上游水库拦沙影响,仅粒径很细的冲泻质才能被水流挟带下泄,三峡入库粗颗粒泥沙含量有所减少,2008—2020年寸滩站粗颗粒泥沙含量由1987—2002年、2003—2007年的10.3%、7.1%减少至4.5%。