泥2015年6月 沙研究 第3期 Journal of Sediment Research 文章编号:0468.155X(2015)03-0015-06 消落期三峡水库库尾泥沙冲淤特性研究 袁晶,许全喜,董炳江,朱玲玲 (长江水利委员会水文局,湖北武汉430010) 摘要:铜锣峡至涪陵河段位于三峡水库库尾,长约110km,以该河段为研究对象,在深入研究河段内泥沙冲淤 规律的基础上,分析了其冲淤变化的主要影响因素,结果表明,消落期该河段的泥沙冲淤变化主要受消落前 期泥沙冲淤量、入库水沙条件、三峡水库坝前水位及其消落速率等因素影响,其规律十分复杂;研究提出了三 峡水库库尾河段复杂因素影响(包括床沙组成、水沙条件、三峡水库运行调度方式等)的走沙条件,为三峡水 库的泥沙调度提供了必要的参考数据和技术支持。 关键词:三峡水库;变动回水区;泥沙冲淤特性;消落期;走沙条件 中图分类号:TV145.1 文献标识码:A DOI:10.16239/j.cnki.0468—155x.2015.03.003 长江三峡水库是世界罕见的大型多目标水利工程,具有防洪、发电、航运、供水和旅游等巨大的综合 效益。如何减少水库泥沙淤积,特别是减少或减缓库尾泥沙淤积,减小其对航道、港口、码头等方面的负 面影响,延长水库使用寿命,是今后相当长一段时期内三峡水库科学调度所面临的关键技术问题之一。 针对三峡库尾河段泥沙冲淤的问题,在三峡水库蓄水运用以前,国内多家研究机构曾从河床演变理论分 析、数学模型计算、实体模型试验等不同角度,对变动回水区、重庆主城区河段等重点部位的冲淤变化开 展过预测性的研究¨ ,得到了一些初步的认识。近几年来,关于该问题的研究也很多,如李伯海 对 建库后三峡变动回水区河段的演变规律及其影响因素进行了分析;刘德春等 采用实测资料对三峡水 库围堰发电期土脑子河段的冲淤条件进行了研究;李义天等 在分析上游建库对三峡水库枯水期保证 水位回水末端影响的基础上,对比分析了三峡蓄水后上游无库和上游建库情况下重庆河段的淤积发展、 分布及其对航道的影响;何艳军等 依据三峡蓄水后变动回水区的实测资料,初步分析了三峡水库 175m正常蓄水条件下变动回水区输沙过程及该河段冲淤特性,总结了水沙条件变化和河段冲淤规律; 左利钦等 采用二维水沙数学模型对水沙调节后三峡工程变动回水区洛碛一王家滩河段演变趋势进 行了研究。2013年三峡水库试验性蓄水进入第五年,由于三峡水库采用蓄清排浑的调度运行方式,库 区部分河段尤其是库尾河段在洪水期淤积的泥沙,力求在水库消落期尽可能得到冲刷,以免泥沙出现累 积性淤积¨ 。本文在总结三峡水库蓄水以来库尾铜锣峡至涪陵河段冲淤特性的基础上,对该河段冲淤 变化的主要影响因素进行了分析,研究提出了消落期该河段的走沙条件,为三峡水库的泥沙调度提供必 要的参考数据和技术支持。 收稿日期:2o13—08—12 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB417001);国家自然科学基金项目(51479146);水利部公益性行业科研专 项(20140101 1,201401021) 作者简介:袁晶(1979一),女,湖北潜江人,高级工程师,博士,主要从事水文泥沙、河床演变等方面研究。E—mail:13471654@qq.corn l5 1 消落期三峡水库库尾河段泥沙冲淤特性 1.1河道概况 H/ 旧 捌 0 0 O O O O 0 铜锣峡至涪陵河段全长约1lOkm(图1),位于三峡水库变动回水区内。长江在该段自西而东,依次 ∞∞∞如如m ∞∞∞∞∞∞ 横切数个背斜山脉,形成铜锣峡、明月峡、黄草峡和剪刀峡等著名峡谷。当经过向斜谷地则河谷宽广,因 此本河段峡谷和宽谷交替出现,江面宽窄悬殊,最大处可达1 500m,如北拱镇附近河段;最窄处仅200 余m,例如黄草峡河段。 长寿区 镇 草峡 李渡区 黄旗场 一 乌 盘 柚 图1 三峡水库库尾铜锣峡至涪陵河段 Fig.1 The reach from Tongluoxia to Fuling in the Three Gorges Reservoir 图2为三峡水库蓄水后入库流量为50 000m。/s时不同坝前水位对应的库尾铜锣峡至涪陵河段水 面宽和过水面积变化。三峡水库铜锣峡至涪陵河段受河道地形约束,库面平面形态宽窄相间,除北拱 镇、金川碛等宽谷段外,大部分库段库面宽度不超过1 O00m。在不同蓄水阶段,随着蓄水位的上升,库 面宽度相应增加,过水面积明显变大,但仍保持了宽窄相问的河道特性。 2000 1500 篱100O 簧5oO O 545 510 距坝里程/km 545 527 5lO 距坝里程/km 图2不同坝前水位条件下铜锣峡至涪陵河段水面宽和过水面积沿程变化对比 Fig.2 The width of water surface and discharge area along the reach rom Tongluoxifa to Fuling with different water level in front of the dam 1.2河道冲淤特性 2003年6月三峡水库蓄水运用以来,先后经历了围堰发电期、初期蓄水期和175m试验性蓄水期等 3个运行阶段,期间库区蓄水水位不断抬高,流速变缓,水流挟沙能力下降,库区泥沙运动特性较天然情 况发生较大改变。同时,由于三峡水库为河道型水库,且来流量较大,干流局部河段特别是窄深河段和 回水末端河段依然保持了“冲淤交替”的基本特性。 1 6 1.2.1 围堰发电期 在三峡水库围堰发电期,李渡镇一丰都河段(长约69.6km)为三峡水库库尾河段。李渡一涪陵河 段处于天然河道,尚未受到三峡水库蓄水的影响,2003.年3月至2006年10月冲刷泥沙169万m (表 1),其中在各年汛前消落期内,河床有冲有淤。 1.2.2初期蓄水期 在三峡工程初期蓄水期,铜锣峡一涪陵河段为三峡水库156m蓄水期的变动回水区,库区回水至洛 碛附近,铜锣峡一洛碛河段仍为天然河道。在非汛期因水位抬升而受壅水影响,河床以淤积为主。汛期 则恢复天然河流状态,有冲有淤。冲淤相抵,全年总体表现为淤积,即该河段的冲淤特性由建库前的总 体冲淤平衡转变为淤积。2006年1O月至2008年11月,铜锣峡一涪陵段主要表现为淤积,其累计淤积 泥沙1 056万m ,其中在各年的消落期内也仍表现为淤积状态。如2007年10月一2008年4月,铜锣峡 一涪陵河段淤积泥沙395万m (表1)。 表1 三峡水库蓄水运用后消落期库尾泥沙冲淤量对比 Table 1 The scouring and siltation volume in the reach from Tongluoxia to Fuling during the drawdown period after the impoundment of the Three Gores Reservoir 注:“+”表不瓣积.“一”表不冲刷 1.2.3 175m试验性蓄水期 在三峡水库175m试验性蓄水期,2008年汛末三峡水库试验性蓄水后至2012年1 1月,铜锣峡一涪 陵河段沿程有冲有淤,总体表现为淤积,共淤积泥沙1 067万m ,淤积主要集中在洛碛至长寿段和黄草 峡至李渡段。在各年的汛前消落期内,除2009年铜锣峡一涪陵段表现为淤积外,其他年份该河段均发 生了不同程度的冲刷,冲刷量较大的部位主要位于黄草峡、桃花岛左汉和广阳坝附近。 2 试验性蓄水以来铜锣峡至涪陵河段泥沙冲淤影响因素 三峡水库泥沙冲淤特性的影响因素十分复杂,主要包括:河段内前期泥沙冲淤量、入库水沙条件、水 库的坝前水位及其消落速率等。 2.1前期冲淤量 三峡水库蓄水运用以来,水库一般在汛末9月中旬至11月初蓄水,坝前水位抬高,库区水流流速变 缓,泥沙淤积。蓄水结束后,水库在消落期冲刷的泥沙绝大部分来自于前期汛期和蓄水期河段内淤积的 泥沙。根据实测资料计算(表2),库尾铜锣峡至涪陵河段在各年水库消落之前的汛期泥沙冲淤量分别 为:2009年4月至9月冲刷泥沙900万m ;2010年5月至2010年11月淤积泥沙2 522万m ,表现为沿 程均匀淤积;2011年5月至2011年11月淤积泥沙535万m ,重点淤积部位位于涪陵、黄草峡、盐巴碛 和桃花岛附近。与前期淤积量相对应,2010年至2012年消落期铜锣峡一涪陵河段的泥沙冲刷量分别 为:197万m 、748万m 和750万m 。2010年和2011年消落期,铜锣峡一涪陵河段对应的水沙条件相 差不大,如2010年消落期内寸滩站的流量和含沙量分别为3 940 m /s和0.043kg/m ,2011年寸滩站的 流量和含沙量分别为4 570 m /s和0.043kg/m ,而2010年消落前期冲刷泥沙900万m ,2011年则大 量淤积,淤积量达2 522万m 。由此说明,2011年消落期出现的大量冲刷,很大程度上是由于2011年 汛期泥沙淤积量较大的缘故。 1 7 2.2入库水沙条件 2012年消落期铜锣峡至涪陵河段泥沙冲刷量与2011年消落期相当,期间内两者的坝前水位也基 本一致,但2012年前期泥沙的淤积量远小于2011年(表2),可见铜锣峡至涪陵河段的泥沙冲刷除了与 前期淤积量有关外,寸滩站的水沙条件也是影响铜锣峡至涪陵河段泥沙冲淤的重要因素。例如寸滩站 2012年消落期的平均流量比2011年消落期大,而含沙量则基本相当。即2012年寸滩站平均流量为 4 730m /s,平均含沙量为0.041kg/m ,而2011年寸滩站平均流量为4 570m /s,平均含沙量为0.043kg/ m ,与此相应,2012年铜锣峡至涪陵河段内各断面的平均流速也较大,2012年消落期内断面平均最大 流速为1.84m/s(¥320,广阳坝附近),在该水流条件下,河段走沙能力也较强。 表2 2010—2012年三峡水库消落期铜锣峡至涪陵河段冲淤特性对比 Table 2 The characters of scouring and siltation in the reach from Tongluoxia to Fuling during the drawdown period from 2010 to 2012 2.3坝前水位消落速率 河段冲淤变化除了受前期冲淤量、入库水沙条件的影 响外,坝前水位的高低及其变化速率的影响也较大。表2 180 175 17O 吕 165 统计了2010年以来消落期内坝前水位的变化情况,图3 为2009年以来消落期内坝前水位变化过程,由图表可以 看出,消落期的各统计时段内,2010年、2011年和2012年 饕 l60 楹 野 155 150 消落期坝前水位的消落速率分别为0.077m/d、0.112m/d 和0.107m/d,相应时段内的泥沙冲刷强度分别为1.2万 145 l4O m /d、4.4万m /d和3.9万m /d。2010年消落期坝前水 位消落速率较小,相应库尾河段的泥沙冲刷强度也最小, 2011年消落期三峡水库坝前水位消落速率最大,库尾河段 泥沙的冲刷强度也最大。可见,坝前水位的消落速率对水 库库尾河段影响显著。 9/1 10/1 l1/1 12/1 l/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 日期,f月/臼) 图3 三峡坝前水位变化过程对比 Fig.3 The comparison of change process ofwaterlevel in front ofthe dam 此外,在三峡水库的变动回水区,河床组成条件也是影响其冲淤变化的重要因素,铜锣峡至涪陵河 段床沙组成较为复杂,各断面的床沙粒径变幅较大,主要是沙质河床和卵石夹沙河床组成,其中涪陵、瓦 罐窑附近为沙质河床,床沙中值粒径在0.004~0.463mm,最大粒径为2mm,其余部位均由卵石夹沙河 床组成,卵石的最大粒径可达249mm。铜锣峡至涪陵沿程冲刷幅度较大的区域主要集中在涪陵、瓦罐 窑、桃花岛和广阳坝等附近。在这四个重点冲刷部位中,涪陵、瓦罐窑附近为沙质河床,河床起动流速较 小,有利于消落期泥沙的冲刷,而对于卵石夹沙河床,由于泥沙的隐蔽作用,泥沙起动相对较难,河床冲 刷幅度也将相对弱一些。 3 消落期铜锣峡至涪陵河段走沙条件 三峡水库试验性蓄水以来,各年消落期内库尾铜锣峡至涪陵河段河床冲刷主要集中在涪陵、北拱 1 8 镇、青岩子、黄草峡、扇沱镇、洛碛、盐巴碛、明月沱、广阳坝等部位,并以床沙粒径小于1.0mm的泥沙为 主。即粒径在0.004—0.062mm的泥沙冲刷量通常占80%以上。且计算得到床沙粒径大于1.Omm的泥 沙起动流速均大于2.Om/s,然而2009年以来各年消落期内铜锣峡至涪陵河段的流速均小于该值,因 此,重点对上述各典型冲淤部位附近粒径小于1.0ram(包括1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.062mm、 0.031mm、0.016mm、0.008mm和0.O04mm八组粒径级)的泥沙进行研究。 根据数学模型计算的铜锣峡至涪陵河段沿程水力特性,结合2009年以来的水文泥沙观测资料和床 沙组成等实测成果,采用非均匀沙起动流速计算公式¨ ,对该河段沿程各粒径级的泥沙起动流速进行 了计算,并与断面平均流速进行对比,初步确定各粒径级泥沙的起动所对应的水位和流量条件。以青岩 子河段为例,该河段各级粒径泥沙的起动条件见表3。从2009年以来各年消落期内泥沙的冲淤情况来 看,2010年、2011年和2012年消落期内,青岩子附近的泥沙冲淤量分别为+10.1万m 、一35.3万m 和一33.8万m 。青岩子附近为沙夹卵石河床,卵石所占比例约为35%,其中,在小于2.0mm的细颗粒 床沙中,粒径小于0.062mm的泥沙约占65%。从计算所得的非均匀沙起动条件来看,当坝前水位低于 164.7m,寸滩站流量大于5 690m /s时,青岩子附近小于0.062mm的泥沙即能得到起动。其他八个典 型冲刷部位也采用相同的方法进行计算和分析,限于篇幅,在此不再重复介绍。 表3青岩子附近非均匀沙分级起动条件 Table 3 The starting condition of non—uniform sand near Qingyanzi 最后,通过九个典型冲淤部位计算结果的综合分析,统计得出铜锣峡至涪陵河段各粒径级床沙的冲 刷条件(表4)。分析结果表明:在汛前消落期,当寸滩站流量大于4 070m /s时,坝前水位低于169.3m, 铜锣峡至涪陵河段河床开始出现少量细颗粒泥沙的冲刷现象;当坝前水位消落至163.7m以下、寸滩站 流量大于4 770m /s时,该河段走沙能力逐渐增强;当寸滩站流量大于6 810m /s、坝前水位消落至 161m时,该河段走沙能力最为显著,即粒径小于0.062mm的床沙基本都能得到冲刷。 表4铜锣峡至涪陵河段泥沙起动条件统计 Table 4 The starting condition of sediment in the reach from Tongluoxia to Fuling 19 4 结论 消落期三峡水库库尾铜锣峡至涪陵河段的泥沙冲淤变化主要受消落前期泥沙冲淤量、人库水沙条 件、三峡水库坝前水位及其消落速率等因素的影响,其规律十分复杂。采用数学模型计算和数理统计分 析的方法,研究了库尾铜锣峡至涪陵河段的泥沙冲淤规律,提出了三峡水库库尾河段复杂因素影响(包 括床沙组成、水沙条件、三峡水库运行调度方式等)的走沙条件,结果表明:在汛前消落期,当寸滩站流 量大于4 070m /s,坝前水位低于169.3m时,铜锣峡至涪陵河段河床开始出现少量细颗粒泥沙的冲刷 现象;当坝前水位消落至163.7m以下、寸滩站流量大于4 770m /s时,该河段走沙能力逐渐增强;当寸 滩站流量大于6 8lOre /s,坝前水位消落至161m时,该河段走沙能力最为显著,即粒径小于0.062mm的 床沙基本都能得到冲刷。研究成果为库尾河段减淤及三峡水库科学调度提供了依据,建议下一步继续 在人类活动影响和入库水沙条件等方面开展进一步的研究。 参考文献: 郭继明,陈子湘.三峡水库变动回水区铜锣峡河段演变研究[J].长江科学院院报,1998,15(3):1—5. 谢葆玲.长江三峡水库对变动回水区河段的再造床问题[J].水利学报,1994(4):50—54. 窦国仁,万声淦,陆长石.三峡工程变动回水区泥沙淤积的试验研究[J].水利水运科学研究,1995(4):327—335. 陆永军,余明富,李国斌.三峡变动回水区港口与航道的二维泥沙数学模型研究[R].南京:南京水利科学研究院 科研报告,2006. 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Based on analysis of the scouring and silting in the fluctuating backwater area of TGR,the mainly affecting factors to the scouring and silting change law is studied.Results show that in the falling period,the sediment scouring and silting amount is mainly affected by three factors:the early scouring and silting amount,incoming low and sediment conditifon,the water level of Three Gorges Reservoir in front of the dam and its falling rate. The erosion and deposition conditions at the fluctuating backwater area are presented,including bed sediment composition,flow and sediment conditions,and the dispatching operation of the TGR.Those results provide the necessary reference data and technical support for the sediment scheduling of the TGR. Key words:Three Gorges Reservoir;fluctuating backwater area;water level in front of dam;drawdown peri— od;erosion condition (责任编辑:陈绪坚、刘20 峡)