长江水利枢纽工程泥沙问题研究进展_潘庆燊.docx

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1、第 41卷第 4期人 民 长 江.41, .42 0 1 0 年 2月., 2010文章编号:1001 -4179(2010)04 -0087 -04长江水利枢纽工程泥沙问题研究进展潘庆焱木(长江水利委员会长江科学院, 湖北武汉 430010)摘要:对长江水利委员会成立以来有关长江干支流水利枢纽泥沙问题研究的主要成果作了简要综述。 包括丹江口水利枢纽水库淤积和坝下游河道冲刷, 葛洲坝水利枢纽河势规划与枢纽布置, 三峡水利枢纽水库长期使用、枢纽布置和坝下游河道冲刷等方面的研究成果。关 键 词:水库淤积;枢纽布置;河道冲刷;水利枢纽工程中图法分类号:14文献标志码:20 世纪 50 年代以来 ,

2、为配合水利枢纽工程的规划设计 ,长江科学院和水文局开展了长江干支流水利枢纽工程泥沙问题研究 ,其中重点是汉江丹江口水利枢纽、长江葛洲坝和三峡水利枢纽的库区泥沙淤积、枢纽各项建筑物防沙和坝下游河道冲刷问题 ,采用水文与河道演变观测分析、河工模型试验和数学模型计算相结合的研究方法 1 。1 丹江口水利枢纽泥沙问题研究丹江口水库初期正常蓄水位为 157 , 相应库容为 174.5亿3 , 设计低水位 139,相应的库容为 72.3 亿3 , 防洪限制水位为 149 152.5 。工程于 1958 年开工 , 1968年第 1台机组发电, 1973年初期工程建成。丹江口水利枢纽规划设计阶段 , 泥沙研

3、究方面主要进行水库淤积计算, 预测水库淤积部位、淤积数量、淤积年限以及回水范围变化 。 1958年以来 , 系统观测收集了大量库区和坝下游水文与河道演变资料, 并分阶段加以分析总结 1 -2 。1.1水库淤积特点1960 2003 年, 丹江口水库泥沙淤积总量为16.18亿3 ,占总库容的 9.4%, 其中汉江库区淤积量为 13.89亿3 ,占总淤积量的 85.8%。汉江干流库区平面形态特点是上 、下段为狭谷段,中段为宽谷与狭谷相间。受库区形态及调度运用方式的影响 ,汉江干流库区全长 177.4 , 1960 2003年共淤积泥沙 11.89亿3 , 库容损失 21.7%,其淤积有3个特点:库

4、区两头淤积少、中间库容淤得多, 中段长 60.4 , 河谷宽阔 , 淤积 6.52 亿3 , 库容损失43.5%;水库汛期按防洪限制水位运用, 干流库区有效库容损失相对较小, 1960 2003年 139 157 水位之间的有效库容内淤积 2.66 亿3 , 库容损失9.5%;变动回水区长 60.3 , 位于狭谷段, 1960 2003年仅淤积 0.55亿3 ,且无淤积上延现象 3 。1.2水库不平衡输沙研究水库发生泥沙淤积和河床变形 , 大都是由于水流不平衡输沙所致 。长江科学院在 20世纪 60年代后期开展了不平衡输沙问题研究, 与丹江口水利枢纽水文实验站协作 ,在丹江口水库变动回水区油坊

5、沟至神定河口长约 25 库段进行不平衡输沙测验 ,系统收集不平衡输沙资料 。 1972年长江科学院提出了不平衡输沙研究报告,阐明不平衡输沙理论可能解决的 3个问题:含沙量的沿程变化;悬移质级配的沿程变化和床沙级配的变化。给出了相应的计算公式作为不平衡输沙计算的基本公式。将其与水流连续方程、水流挟沙力方程联用 , 组成水库不平衡输沙冲淤计算方程收稿日期:2010 -01 -05作者简介:潘庆燊, 男, 长江委长江科学院原副总工程师, 教授级高级工程师, 国务院特殊津贴专家。88人民 长 江2010年组 4 。 1974年与武汉大学数学系协作编制了电子计算机的计算程序 5 。利用丹江口水库等实测资

6、料对该计算方法进行验算, 结果较好。该计算程序已推广应用于葛洲坝、三峡等水利枢纽的水库淤积计算。1.3变动回水区河道演变变动回水区河道演变主要表现为 :分汊型河段向单一河槽河型转化;弯曲型河段的弯道平面形态趋向规顺, 边滩淤高展宽和上下延伸 ,滩槽高差增大;顺直过渡段年内为汛淤枯冲,年际为累积性淤积,滩槽高差加大。1.4坝下游河道演变丹江口水库下游丹江口至碾盘山河段属分汊型河段 ,碾盘山至河口属蜿蜒型河段。丹江口水库运用后河道演变有如下特点 :(1)水库蓄水运用后 ,下泄水流的含沙量减少 ,坝下游河道经历了长时期、长河段的冲刷过程 。 1972年坝下游河道冲刷长度已达 464.7 。(2)坝下

7、游河道冲刷过程中,枯 、中水期同流量的水位较建库前有不同程度降低 ,洪水期则变化不大 。(3)坝下游河道冲刷过程中,河型基本不变,局部河段河势有较大调整。分汊型河段仍保持原有河型,个别汊道发生主支汊易位现象。蜿蜒型河段仍保持原来河型 ,弯道发生撇弯切滩 ,弯道之间的长顺直段深泓摆动。2 葛洲坝水利枢纽坝区泥沙问题研究2.1坝区河势规划与枢纽总体布置河势是指河道演变过程中水流与河床的相对态势 , 一般以河段内主流线与河岸线的相对位置来表示 6 。坝区河势规划基于河道演变学的观点提出了修建枢纽后坝区河段的河势调整趋势及主流线的位置 。对于具有泄洪、排沙和通航要求的水利枢纽,特别是低水头枢纽,坝区河

8、势规划是确定枢纽总体布置的主要依据之一。葛洲坝水利枢纽位于长江三峡南津关峡谷出口处江面突然加宽、河底急剧上升的急弯下游段 。 1971年长江流域规划办公室主任林一山提出在进行枢纽布置设计的同时 ,开展葛洲坝工程坝区河势规划研究,对坝区河段的河势采用“一体两翼 ”的规划布局, 即在拦河建筑物上游 2 100 宽的河面中, 两岸利用防淤堤与河岸形成各 300宽的引航道, 中间是 800 宽的主泓河床 7 -8 。根据葛洲坝水利枢纽坝区河势规划确定的枢纽布置方案为:建坝后坝区上游河势主流线左移居中,枢纽的主体工程是面迎主流且作为主要泄洪建筑物的二江泄水闸 ,同时为了增大泄洪 、排沙效益 , 减少泄水

9、闸的单宽流量并有利于施工截流,将葛洲坝江心洲挖除 ,以扩大泄水闸宽度 ;二江电站和大江电站分别位于泄水闸的左侧和右侧 ;枢纽右侧的大江布置 1号船闸 ,枢纽左侧的三江布置 2号和 3号船闸 (图 1)。2.2船闸引航道防淤清淤措施为减少船闸引航道泥沙淤积和便于清淤, 采取“静水通航、动水冲沙 ”的工程措施 , 分别在大江和三江上游引航道内修建防淤隔流堤和冲沙闸 ,汛期发挥泄洪、排沙作用, 汛期末可以引流冲沙 , 引航道内的大部分淤积物得以被水流冲走,剩余的碍航淤积物则辅图 1葛洲坝水利枢纽坝区河势与枢纽布置第 4期潘庆燊:长江水利枢纽工程泥沙问题研究进展89以机械措施加以清除。2.3电站的防沙

10、措施为了防止泥沙淤积影响大江电站和二江电站安全运行, 除了充分发挥防淤隔流堤改善电站进流形式和减少电站前泥沙淤积外,大江、二江电站均设置导沙坎和排沙底孔 ,大江电站还设置排沙洞 。综上所述,葛洲坝枢纽布置从研究坝区河势入手,提出坝区河势规划,确定采用 “一体两翼”的枢纽总体格局, 航道按 2条航线 、3 座船闸的布置方式和 “静水通航、动水冲沙”的防淤清淤措施 ,电站设排沙孔等设施 ,从总体上解决了泄洪、排沙 、通航和发电的矛盾 ,使各项建筑物均能安全 、正常运行 ,枢纽的航运、发电效益得以充分发挥 。枢纽经过 20多年的运行检验 ,证明坝区河势规划和枢纽总体布置是合理的。3 三峡水利枢纽泥沙

11、问题研究3.1水库长期使用研究20世纪 50年代三峡水利枢纽规划过程中 , 毛泽东主席于 1958年夏听取了长江流域规划办公室(长江水利委员会的前称)主任林一山关于三峡水库寿命问题的汇报,对三峡水库寿命表示担心 9 。 1964年 8月林一山亲自带领科技人员到华北、东北、西北地区, 对多沙河流的 7座水库和浑河大伙房水库进行考察。长江科学院通过大量实际资料分析和理论研究, 对长期使用水库的泥沙淤积相对平衡形态、水库长期使用与水库运用方式的关系以及水库长期使用与水库效益关系等方面均取得进一步的认识, 认为三峡水库长期使用具有如下的有利条件 10 :(1)长江水量大 、含沙量小 , 库区河床主要为

12、基岩 、卵石组成 ,河床平均坡降约为 2.0 , 水流挟沙力不饱和程度大;(2)三峡水库属河道型水库, 大部分库段的水面宽度不超过 1 000, 水库的有效库容主要为槽库容组成 ,滩库容很小;(3)三峡水库上游来水来沙主要集中在汛期, 来沙以悬移质为主 ,推移质输移量很小 ;(4)三峡水利枢纽是长江中下游防洪体系的关键性控制工程 ,汛期须降低库水位 ,腾出防洪库容, 此时弃水多 ,有利于排沙。三峡工程初步设计阶段根据防洪、航运、发电和排沙的综合要求,确定水库调度运行方式为 :每年 5月末至 6月初坝前水位降至防洪限制水位 145,汛期 6 9月一般维持此水位运行 ,超过电站过流能力的水量,通过

13、泄洪坝段下泄, 仅当入库流量超出下游河道安全泄量时 ,水库拦蓄洪水 ,库水位抬高;洪峰过后 ,坝前水位仍降至 145 运行;10 月份水库蓄水, 坝前水位逐步升高至正常蓄水位 175;11月至次年 4月底,水库尽量维持较高水位,水电站按电网调峰要求运行;4月末以前坝前水位不低于枯水期消落低水位 155 , 以满足水库变动回水区通航要求。根据长江科学院水库淤积数学模型计算成果, 按上述水库调度方式运用 ,在未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程拦沙效果的条件下, 三峡水库运用 100 后 ,防洪库容可保留约 86%,调节库容可保留约 92% 11 。3.2水库变动回水区泥沙问题研究三峡水

14、利枢纽运用各时期水库变动回水区的范围 ,从坝址上游约 440 的丰都, 至嘉陵江入汇口以上的油溪,长约 270 (图 2)。变动回水区河道流经丘陵和山区 ,平均比降约 0.2 0.3。河道由宽谷和峡谷相间 ,河床由基岩和卵石组成 。通过长江科学院等单位采用原型观测资料分析、泥沙数学模型计算与河工模型试验相结合的方法进行研究, 结果认为 :建库后变动回水区各河段均有不同程度的累积性淤积;局部河段发生河势调整,淤滩留槽,河道向单一 、规顺、微弯形态发展;航道、港区较建库前有较大改善, 少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况 ,可采取优化水库调度,结合港区

15、改建和整治 、疏浚措施加以解决 。图 2三峡水库变动回水区示意3.3坝区泥沙问题研究1984年以来 ,为配合三峡工程可行性论证和工程设计,长江科学院等单位进行了大量坝区河段水文与河道演变观测、坝区泥沙模型试验和数学模型计算工作 。坝区河势与枢纽布置见图 3。根据坝址地形、地质、水文特性、建筑物运行要求以及坝区河势等方面综合比较 ,选定枢纽总体布置为:溢流坝段位于主河槽, 设 23个溢流深孔和 22个泄流表孔,满足泄洪、排沙和河势方面的要求 ;溢流坝左侧布置左电厂 ,右侧为右电厂和地下电站;坝区上游段汛90人民 长 江2010年图 3三峡水利枢纽坝区河势与枢纽布置期主流线呈左向微弯 ,根据三峡工

16、程通航标准并考虑到上下游引航道进出口与主流线的平顺衔接, 五级双线船闸和升船机布置在左岸。通航建筑物的引航道布置选定为 :船闸和升船机共用上 、下游引航道, 上 、下游引航道均设置防淤隔流堤 。引航道的清淤措施为 :口门外采取机械清淤;口门内采取机械清淤为主、冲沙闸引流结合松动冲沙为辅的综合措施 , 冲沙闸位于升船机右侧, 冲沙流量为2 500 3 /;在船闸与升船机之间布置两条冲沙隧洞,视今后需要可再建。电站防沙措施为 :左、右电厂共布置 7个排沙孔,地下电站布置 3条排沙洞。3.4坝下游河道冲刷研究三峡水利枢纽建成运用后, 水库下泄水流的含沙量减少 ,坝下游河道将经历长河段 、长时间的冲刷

17、过程。根据长江科学院坝下游河道演变分析和数学模型计算, 得到如下认识 12 -13 。(1)三峡水库运用后, 宜昌至大通河段累计最大冲刷量为 31.81亿3 ,出现在第 60年。其中宜昌至城陵矶段冲刷量最大 ,且冲刷主要集中在建库后 30 内 ,相应冲刷量为 18.17 亿3 , 单位河长冲刷量达4 621 3 /;同流量水位下降,宜昌站流量 5 500 3 /的水位较建库前 1993年实测水位下降 0.95 。(2)荆江与洞庭湖关系调整, 表现在三口分流分沙量减小,洞庭湖淤积量相应减小。三峡建库后 10 ,湖区年淤积量为 0.422亿,约为 1981 1995年平均年淤积量的一半。(3)三峡

18、建库后长江中下游河道基本河型不变,各河段的河势有不同程度的调整。长江中下游河道经过近 50多年来实施护岸工程 , 总体河势已基本稳定,必须加强河道演变监测 ,及时调整河势控制工程布局和加固已建护岸工程 ,保持河势长期稳定 。三峡水利枢纽 2003年 6月初期运行以来, 实测资料分析表明 ,水库泥沙淤积 、船闸引航道与电站泥沙淤积以及坝下游河道冲刷与水位降低状况总体上尚在预计同期值范围内。4 结语60年来,长江河流研究工作取得了重大进展 , 进一步认识了长江水沙变化和河道演变规律 ,通过对丹江口水库泥沙淤积及其坝下游冲刷的系统观测研究,为解决葛洲坝、三峡水利枢纽的泥沙问题 ,提供了重要依据。葛洲

19、坝水利枢纽 20 多年来运行良好。三峡水利枢纽 2003年 6月初期运行以来的实测资料分析表明 ,水库泥沙淤积 、枢纽运行和坝下游河道冲刷状况总体上尚在预计同期值范围内。在水利枢纽工程泥沙问题研究实践过程中, 研究水平得到较大提高, 研究方法也有较大改进。在泥沙测验和河道演变观测方面, 新的观测技术逐步得到应用。河工模型和泥沙数学模型的模拟技术取得重大进展 ,并能相互结合解决长时段、长距离的河道演变预报问题。随着长江流域经济和水利水电事业的持续发展 ,水沙资源的综合利用和梯级水库泥沙输移与调控等问题 ,有待进一步研究。(下转第 106 页)106人 民长 江2010年发展观 ,建设一流水利科研

20、强院的本质要求。(5)要推进创新文化建设, 营造有利于创新的文(1)要转变观念 , 树立以创新为导向、创新为动化环境 ,以创新文化推动创新型院所建设 。力、创新为检验各项工作成效的新思维、新观念。以治(6)要取得一批具有自主产权的创新性成果, 始水治江重大战略需求为导向, 全面优化科研力量的布终围绕治江新战略目标需求和水利水电工程建设关键局和科技资源配置。在巩固加强现有优势专业的同技术问题,进行前瞻性研究 ,取得一批具有国际先进水时 ,抓紧机遇发展新专业, 开拓新的研究领域, 制定并平的创新性科技成果 ,进一步巩固长江科技发言权 。逐步落实新的学科建设与专业发展规划。和谐是治江科研事业发展的根

21、本保证。科研主体(2)要创新体制与机制, 按照建设创新型科研机中的公益科研与工程科研要相互促进 、创新发展,科研构要求 ,以促进科技创新、增强自主创新能力为目标,主体与科技产业间要密切衔接、和谐发展。探索以科消除体制机制性障碍。进一步探索以水利部重点实验研成果为纽带 , 两大块间良性互动 , 合作共赢的新格室和工程技术研究中心支撑有力、运作高效的管理体局 。其次,要做好外部环境的和谐建设 。积极争取国制。实现从传统混和型科研事业单位向现代非营利科家科技计划和治江科研课题, 成为国家和治江事业不研机构的转变。可或缺的重要力量。密切与国内有关高校 、科研院所,(3)加强创新人才与团队建设 , 制定

22、并完善创新以及流域内地方科研机构的沟通联系 , 共同组建实验人才和团队建设办法 , 根据治江需求, 大力吸引、凝聚室、研究中心、博士点等。联合申报国家、部委重大项和培养一大批高级治江人才和重点学科领域的带头目 ,做到强强联合, 成为国内水利科研的重要依靠力人。量 。密切与委内科研机构 、企事业单位的沟通联系 ,以(4)加强创新能力建设,抓住国家鼓励创新,支持作为主要依托单位建设长江水利科技创新中心为契公益性科研机构的有利时机, 以重点实验室和工程技机 ,整合与聚集委内科技资源, 把中心建设成为长江水术研究中心为重点,积极改善科研条件和基础设施。利科学研究和技术开发基地, 成为治江科技跨越式发提

23、高创新发展能力,高起点 、高标准科学规划和建设好展的创新平台。通过实行 “开放、融合、协作、共享 ”的九万方 、沌口 、宜昌三大科研基地,使之成为环境优美、运行机制,与委属单位共同构建起以中心为平台的战功能齐全、设施先进、对外开放的治江科技创新平台。略联盟关系 ,成为治江科研龙头力量 。建设好基于网络环境的院综合管理信息系统, 提升科(编辑:喻伟)技管理水平。(上接第 90 页)参考文献:1995. 1潘庆燊.长江水利枢纽工程泥沙研究 .北京:中国水利水电出 9林一山.毛主席重视水库寿命问题 .武汉:新华出版社, 1992. 10长江水利委员会.三峡工程泥沙研究 .武汉:湖北科学技术版社, 2

24、003.出版社, 1997. 2张威.丹江口水利枢纽工程泥沙问题研究综述 长江科学院科研成果汇编(丹江口水利枢纽).武汉:1989. 11梁栖蓉, 黄煜龄, 姜军.三峡工程 175 米方案水库泥沙数学模型 3章厚玉, 胡家庆, 朗理民, 等.丹江口水库泥沙淤积特点与问题计算成果分析 水利电力部科学技术司.三峡工程泥沙问题研究成果汇编.武汉:1988. .人民长江, 2005, 36(1):27 -30. 12黄悦.三峡水库下游宜昌至大通河段冲淤一维数模计算分析 4韩其为,等.水库不平衡输沙的初步研究 黄河水库泥沙观 长江三峡工程泥沙问题研究(第七卷).北京:知识产权出测研究成果交流会水库泥沙报告汇编.郑州:1973. 5韩其为, 黄煜龄.水库冲淤过程的计算方法及电子计算机的应用版社, 2002. .武汉:长江水利水电科研成果选编, 第 1期, 1974. 13潘庆燊, 黄煜龄, 胡向阳.三峡建坝后长江中下游河道演变及荆江河势控制研究 长江三峡工程泥沙问题研究 (第七卷 ). 6潘庆燊.河势与河势控制 .人民长江, 1987, (11):1 -9.北京:知识产权出版社, 2002. 7唐日长.葛洲坝工程丛书(第 2册) .北京:水利电力出版社,(编辑:徐诗银)1990. 8 林一山.葛洲坝工程的决策 .武汉:湖北科学技术出版社,