三峽工程蓄水運用以來荊江水位流量關(guān)系變化分析

本文根據(jù)三峽水庫蓄水運用以來實測水文、河道地形觀測資料,對三峽水庫進出庫水沙變化和泥沙淤積特性進行了較為系統(tǒng)地分析,并將實測結(jié)果與三峽工程初步設(shè)計階段、"九五"、"十五"攻關(guān)階段的計算結(jié)果進行了對比,結(jié)果表明:2003年6月～2010年12月,三峽入庫懸移質(zhì)泥沙15.801億t,出庫懸移質(zhì)泥沙4.118億t,水庫淤積泥沙11.683億t。從淤積強度沿程分布來看,隨著壩前水位的逐漸抬高,泥沙淤積呈上延趨勢。從橫向分布來看,泥沙淤積主要集中在主槽。從縱向分布來看,庫區(qū)干流泥沙淤積以寬谷段(平均庫區(qū)水面寬大于600m)為主,占全河段總淤積量的97.4%,窄深段淤積相對較少或略有沖刷。不同階段水科院和長科院研究成果均表明,在三峽水庫運用前10年大壩至豐都河段河床淤積最明顯,由于各計算方案所采用的入庫水文邊界條件與蓄水運用后的實測水沙過程有一定的差別,引起各階段研究庫區(qū)年均淤積量較實測值偏大、近壩段的淤積強度較實測值偏小以及水庫排沙比偏大等情況出現(xiàn),但淤積量的沿程分布特性與實測值吻合較好。

隨著三峽水庫的蓄水運用,清水下泄使壩下游河床受到不同程度的沖刷,江湖關(guān)系發(fā)生改變,引起水沙特性的改變。對收集到的三峽蓄水前后監(jiān)利站實測水沙資料進行分析,結(jié)果表明:三峽蓄水運用后監(jiān)利站年平均流量減小,年內(nèi)汛期流量削減,枯季流量增大,其中主汛期6～9月份平均流量建庫后較建庫前減少了6%～15%,主汛后10月份和11月份流量減小幅度分別為12%與15%,枯水期1～4月流量平均增幅6%～13.3%,年內(nèi)流量變幅減小,同流量條件下水位降低。蓄水后監(jiān)利河段含沙量顯著減少,減少率最多達到74.6%。懸沙中值粒徑和床沙中值粒徑均增大,河床呈粗化趨勢。

通過對三峽庫區(qū)干支流水文斷面蓄水前后多年水質(zhì)資料進行整理分析,分析了蓄水前后庫區(qū)河流水質(zhì)變化趨勢。研究結(jié)果表明:三峽庫區(qū)135m蓄水及156m蓄水后,庫區(qū)水質(zhì)指標變化不明顯。庫區(qū)溶解氧濃度有所降低,懸浮物濃度在平水期和枯水期也大幅下降,和懸浮物密切相關(guān)的污染物質(zhì)總磷、codmn、重金屬等也隨之降低。長江沿程干流及上游支流烏江、嘉陵江水質(zhì)受蓄水影響不大,下游支流小江、大寧河則受長江壅水影響,局部水環(huán)境趨復雜化。

以統(tǒng)計學為基礎(chǔ),通過對歷史實測資料進行分析,研究三峽蓄水前后沙市河段航道水位變化現(xiàn)象,找出其變化規(guī)律,可為今后長江沙市河段的航道維護管理工作提供技術(shù)支持。

根據(jù)三峽工程大江截流期間收集到的截流河段、導流明渠、二期上下圍堰口門區(qū)的水位、流速、流量、河床地形、水面流態(tài)等監(jiān)測資料，分析研究了截流河段（尤其是動態(tài)的龍口）水力要素的變化規(guī)律及其相互關(guān)系。分析表明，龍口縱、橫斷面的流速分布受戧堤進占與平拋墊底施工和上游來水來沙的綜合影響。圍堰滲流量的監(jiān)測對分析明渠分流比、石渣戧堤穩(wěn)定研究起到了補充作用

三峽工程蓄水運用以來,荊江局部河段河勢發(fā)生了新的變化,影響了長江航運。在以往工作基礎(chǔ)上,根據(jù)實測資料分析了荊江河段的歷史演變、近期演變及三峽工程蓄水運用以來的河道沖刷和崩岸等概況。根據(jù)數(shù)學模型計算結(jié)果,預估了荊江河段的河道變化趨勢,提出了荊江河段河勢控制的初步方案,對沙市河彎、公安河段、石首河彎及監(jiān)利河彎提出了階段性的初步治理設(shè)想,可為荊江河勢演變研究和工程治理提供參考。

三峽工程明渠截流已于2002年11月6日順利合龍。明渠截流水文監(jiān)測系統(tǒng)地利用當今國內(nèi)外成熟的可靠的先進的儀器設(shè)備和水文監(jiān)測技術(shù),收集了豐富的水文信息。分析研究明渠截流期間壩區(qū)水文情勢、導流底孔分流情況、明渠流態(tài)和流場、截流戧堤斷面形態(tài)、龍口寬度、落差、流速等水力要素的變化以及各要素間的相關(guān)關(guān)系,及時利用于施工決策,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

據(jù)國家環(huán)保部長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報(簡稱三峽公報)發(fā)布的1996—2008年三峽庫區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測實測數(shù)據(jù)進行分析整理。以2003年和2006年作為標志性節(jié)點,分析其水質(zhì)變化趨勢。結(jié)果表明:三峽庫區(qū)沿程干流及遠壩支流烏江除2006年及嘉陵江除20042、006年外,其余年份水質(zhì)均達到或優(yōu)于ⅲ類水質(zhì)斷面,受蓄水影響不大;近壩支流澎溪河(小江)、大寧河則受大壩壅水影響,與蓄水前相比,支流口流速減緩,甚至呈靜流狀態(tài),其斷面水質(zhì)由1999年的ⅱ類降為2005年開始的ⅳ類,局部水環(huán)境趨復雜化,并且?guī)靺^(qū)內(nèi)\"水華\"現(xiàn)象近年有所加重。分析水質(zhì)變化的原因主要有成庫后庫區(qū)江段流速迅速減小,二期蓄水后庫區(qū)全江段斷面平均流速下降為0.17m/s,僅為天然河道平均流速的1/4,天然河道斷面平均流速的1/5,以及庫區(qū)各種污染物質(zhì)排放等。最后從加強產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和庫區(qū)坡耕地整治以及完善水環(huán)境監(jiān)測體系和法律法規(guī)等4個方面提出保護水質(zhì)的措施和建議。

三峽工程是長江流域治理開發(fā)的關(guān)鍵性工程。本文在分析三峽工程蓄水運用以來壩下游水沙特性變化的基礎(chǔ)上,采用長江中游宜昌至湖口多年的實測地形資料,對建庫前后該河段的泥沙沖淤變化及河勢演變特點進行了深入的探討。研究表明:三峽工程蓄水運用以來,壩下游輸沙量大幅減小,荊江三口分流分沙特性尚未發(fā)生明顯變化,長江與洞庭湖的關(guān)系進一步調(diào)整;壩下游河勢總體穩(wěn)定,但河床沖刷強度加劇,并由蓄水前的\"沖槽淤灘\"轉(zhuǎn)變?yōu)閈"灘槽均沖\"。宜昌至枝城河段河床縱向沖刷明顯、洲灘面積萎縮、床沙明顯粗化;荊江河床沖刷下切,河床形態(tài)逐漸向窄深形式發(fā)展;城陵磯至湖口河段部分彎道段主泓橫向擺動、凹岸崩塌,分汊段主泓擺動不定,灘槽沖淤交替仍較為頻繁。

長江中游城陵磯-螺山河段水文泥沙運動變化極其復雜。2003年6月1日三峽工程開始蓄水,10日達到壩前水位135m,這對該河段的水沙運動規(guī)律產(chǎn)生了影響。通過分析比較1981～2002年及2003年城陵磯和螺山兩站的水沙特征,得出了三峽工程蓄水前后該河段的水沙變化情況。

根據(jù)大江截流期間監(jiān)測、收集到的成果資料，對長江水全部改由導流明渠下泄，所觀測到的大江圍堰戧堤進占對導流明渠分流及流速流態(tài)的變化，河床沖淤及淤積量縱、橫向分布進行了闡述，得到了該河段水流及沖淤變化的一般性規(guī)律

簡述了三峽水位自動測報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備選型、測控軟件編制、安裝、比測,以及在三峽工程明渠截流中的應用。通過對三峽水情自動測報系統(tǒng)的建設(shè),以及在三峽工程明渠截流中的運用情況及比測結(jié)果,充分證明該系統(tǒng)不僅適合三峽工程這樣的特大型水利工程,而且這種水位自動測報系統(tǒng)建設(shè)的方法、思路以及設(shè)備模式、運行管理經(jīng)驗,在其它工程,乃至其它工程建設(shè)項目中同樣適用,可以推廣運用。

在水文分析計算中,水位流量關(guān)系的分析是最基本的。在閘門出流為平板閘門寬頂堰型閘孔自由出流的情況下,根據(jù)水位與流量系數(shù)、淹沒系數(shù)的關(guān)系,建立數(shù)學模型。通過測量閘水位高度以及閘門的開度,就能方便、快捷地計算流過閘門的瞬時流量。根據(jù)流量系數(shù)和堰的相對高度,擬合流量系數(shù)曲線,運用matlab做圖,不僅提高擬合曲線精度,而且減少手繪工作量。

本文論述了長江三峽工程建成后庫區(qū)旅游景觀的淹沒和“高峽出平湖”的新景觀。據(jù)預測，水庫蓄水后，受淹沒影響的景點３９處，峽區(qū)峽谷氣勢有所減弱，但雄姿猶存；水庫正常高水位達１７５ｍ時，將新增湖泊１１處、島嶼１４處，支流上可提高旅游開發(fā)利用價值的峽谷３７條、溶洞１５個，許多世界級的自然奇觀可望得到開發(fā)。屆時，三峽工程庫區(qū)將成為觀光游樂、度假休閑、科考探險及從事水上運動的多功能旅游區(qū)。

王甫洲水利樞紐蓄水后,黃家港(二)水文站的中、低水位有不同程度的抬高.為減小王甫洲水利樞紐的調(diào)度運行對黃家港(二)水文站流量測驗的影響,黃家港(二)水文站需另選中、低級水位測驗斷面.

三峽工程建成運用后,改變了水庫下游河道的水沙條件,壩下游河道水流輸沙能力處于不飽和狀態(tài),河道將發(fā)生沿程沖刷,并可能引起河勢的調(diào)整,進而可能對防洪產(chǎn)生一定影響。為此,采用數(shù)學模型計算與實測資料分析的手段進行了三峽工程建成后長江中下游江湖水沙變化及河道沖淤演變及其對防洪影響的初步研究。結(jié)果表明,三峽工程蓄水運用后,長江中下游河道發(fā)生大量沖刷,同流量水位降低。各河段沖刷量達到最大時,荊江河段河床平均沖深約2.0~5.3m,槽蓄量約增加13億m3,城陵磯至武漢河段河床平均沖深約2.5m,槽蓄量約增加8.5億m3;由于干流河床沖刷,荊江三口分流分沙減少,洞庭湖湖區(qū)淤積減緩,增加調(diào)蓄量約23.8億m3;水沙過程改變、河床沖刷及局部河勢調(diào)整對河道穩(wěn)定及堤防、護岸工程的安全會帶來一定影響,需采取相應的對策措施。

三峽工程集防洪、航運、發(fā)電等多項功能于一身,其功能實現(xiàn)中會對壩上壩下的水位過程、流速、水流挾沙力等水文要素產(chǎn)生影響。由于長江中游緊鄰三峽工程下游,三峽工程的建設(shè)及調(diào)度運行對中游航道維護工作都將產(chǎn)生深遠影響。

利用河流動力學ｓａｉｎｔｖｅｎａｎｔ方程組，通過建立描述長江水情的數(shù)值模式，進行三峽工程對長江城陵磯站水位影響預測。在預測結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)城陵磯站與洞庭湖各湖區(qū)水位代表站的水位相關(guān)關(guān)系，研究三峽工程對洞庭湖水位的影響

以三峽工程蓄水運行的2003年為分界點,利用金沙江流域1956~2014年共計59年降水、徑流資料,定量分析了三峽水庫蓄水前后金沙江流域降水徑流的變化趨勢。根據(jù)金沙江流域在三峽工程蓄水后的降水資料插補出徑流,并與實測徑流比較,定量分析了在氣候條件不變的情況下下墊面條件改變對徑流的影響。

三峽水庫蓄水后,荊江河段沖刷以枯水河槽沖刷為主,對航道條件將產(chǎn)生顯著影響,其中窯監(jiān)河段近年來航道條件持續(xù)惡化。分析不同年份監(jiān)利河段洲灘形態(tài)與刪除礙航程度,認為三峽蓄水后洲灘受到?jīng)_刷是航道條件惡化的原因之一;而通過對淺灘段橫斷面年內(nèi)變化及各年汛后退水過程中水位變化與航道水深變化對應關(guān)系分析,初步確定了退水過程中最佳的沖刷流量區(qū)間為10000～15000m3/s,三峽蓄水導致退水過程加快,將導致汛后淺區(qū)沖刷不足,枯季礙航。

論述了與三峽水庫提前蓄水有關(guān)的工程要求,及對庫區(qū)移民、地質(zhì)災害防治、水環(huán)境治理等所采取的措施。

針對荊江河段、長江中下游在三峽工程建成前后的防洪形勢進行了分析。對于荊江河段,分析了三峽工程建成前后遭遇荊江不同頻率洪水的防洪形勢變化,結(jié)果表明,三峽工程的建成,從根本上改善了荊江河段的防洪形勢;對于長江中下游,通過三峽工程建成前后遇1954年洪水的模擬得出,三峽工程建成后,長江中下游防洪能力得以提高,但仍存在約400億m3的超額洪量需要妥善處理,部分地區(qū)防洪形勢仍然嚴峻。因此,三峽工程建成后,長江中下游防洪仍需采取綜合措施,進一步加強工程和非工程措施建設(shè)。