应用一维数学模型进行三峡工程分析与优化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：泥沙问题是三峡工程最重要的问题之一，水库泥沙淤积是三峡工程研究的一个重要方面。实体模型试验在三峡水库通航条件等研究中也发挥了重要的作用。所以，从这个意义上讲，当时的三峡水库泥沙数学模型完全决定了三峡工程泥沙研究精度和可靠性。这是三峡工程规划和建设的一个重要指标。这就是三峡工程最终可以保留86%防洪库容、可以实现长期利用结论的来历，也是确定三峡工程可长期利用的重要依据。

泥沙问题是三峡工程最重要的问题之一，水库泥沙淤积是三峡工程研究的一个重要方面。在可行性研究阶段，三峡工程采用了数学模型与实体模型相结合的研究路线。

在三峡水库泥沙淤积的总体把握上，可行性阶段是通过一维泥沙数学模型进行计算，涉及水库总体淤积过程、库区时间空间淤积分布情况、水库运行方式及淤积平衡时间和状况、水库淤积对库尾重庆洪水位的影响、淤积平衡后三峡水库可以保留的有效防洪库容等方面的内容。这都是关系到三峡整体情况和长远效益的重要研究内容。当时采用的一维泥沙数学模型主要是依据韩其为等(1972，1980)提出的恒定不平衡输沙数学模型，分别由长江科学院(黄煜龄等，1988)和中国水利水电科学研究院(韩其为等，1988)两家进行研究。

在涉及泥沙对库区通航等影响、需要更进一步了解泥沙冲淤的平面分布等详细情况的河段，比如重庆河段、水库变动回水区(重庆至涪陵段)和三峡近坝段的泥沙淤积分布等问题时，可行性研究阶段还建立了大量的实体模型进行模拟试验。实体模型试验在三峡水库通航条件等研究中也发挥了重要的作用。但是，相比之下，由于模型试验的河段比较短、不能独立进行长时间的模拟研究，所有的实体模型试验都是通过前述数学模型计算提供的边界条件(包括模型进口的流量、泥沙条件和下游出口的水位资料)展开的。所以，从这个意义上讲，当时的三峡水库泥沙数学模型完全决定了三峡工程泥沙研究精度和可靠性。

在可行性研究阶段，中国水利水电科学研究院(韩其为等，1988)和长江科学院(黄煜龄等，1988)的三峡水库一维泥沙数学模型研究提出的最重要结论就是:通过采取“蓄清排浑”的运行方式，三峡水库按设计正常水位175m、防洪限制水位145m 和枯水最低通航水位155m 方案 (即所谓175m—145m—155m 方案)可以在80 年左右达到冲淤平衡，届时水库淤积总量约不足170 亿m3;淤积平衡后，水库防洪库容仍可以保留85.8%。同时，两家数学模型还给出了泥沙淤积对库区沿岸重要城市洪水位的影响。根据当时的研究结论，三峡工程完全可以实现长期利用的目标。但是，长江委(长江水利委员会，1992)关于三峡水库的防洪库容是按静库容曲线确定的;水库淤积后，三峡水库可以长期保留85.8%的防洪库容的结论也是按静库容方法计算确定的。

根据三峡设计提供的初期静库容曲线，在正常水位175m 时，水库具有库容393亿m3;在汛期限制水位145m 时，具有库容171.5亿m3，所以，三峡水库的静态防洪库容是221.5亿m3。这是三峡工程规划和建设的一个重要指标。长江科学院 (黄煜龄等，1988)和中国水利水电科学研究院(韩其为等，1988)在计算泥沙淤积后的防洪库容时也按静库容的概念进行计算，即假设水库水面是水平的，只有淤积在145～175m 之间的泥沙才影响水库的防洪库容。这就是三峡工程最终可以保留86%防洪库容、可以实现长期利用结论的来历，也是确定三峡工程可长期利用的重要依据。但是，这样的计算方法与三峡水库的特征和现实有很大偏差。三峡水库是典型的狭长河道型水库，主要用于防御长江荆江大洪水(比如，荆江洪水流量不超过56700m3/s)。在荆江较大洪水条件下，三峡水库库区的水动力学状态已经远远偏离了静止水面所对应的状态。与像密云水库等湖泊型水库完全不同，这时库区回水曲线不是水平的。在通常情况下，在较低水位(开始防洪)时水库的回水曲线较陡，在较高水位时回水曲线相对较缓。介于坝前水位145～175m 之间的有效体积在防洪开始前已经减小，动态过程对三峡的有效防洪能力影响很大。作者等(周建军，林秉南，张仁，1998)的研究发现:在三峡最低和最高防洪水位、流量相差不大的条件下，水库的有效防洪库容远小于221.5亿m3。比如假设三峡防洪开始时的流量是56700m3/s，蓄水到最高175m 时流量为60000m3/s，水库坝前水位在145～175m 之间的实际库容就只有约180亿m3;而且，在三峡水库泥沙淤积后，水库的防洪库容损失比例将远大于原来按静库容计算的数值。据作者等的初步计算结果，水库淤积到100年(淤积泥沙约170亿m3)后，有效防洪库容可以保留的比例甚至小于50%。最近，中国水利水电科学研究院(方春明等，2005)的计算结果也大致和作者的数据相当。同时，水库淤积后期，回水抬高对库区移民的影响也比较严重，重庆河段在100年以后泥沙淤积还在持续增加(黄煜龄等，1993;林秉南等，2004)。水库淤积后期，对重庆通航等问题的影响也值得关注。而且，水库淤积80～100年后，水库泥沙淤积并没有达到平衡。在水库上段，特别是库尾泥沙淤积还在快速增加。三峡水库移民设计没有考虑泥沙淤积的影响。由于库容减小、泥沙淤积导致回水抬高，三峡为长江中游防洪对库区移民的影响也很大。三峡水库泥沙淤积对工程的不利影响比以前所认识的要严重。如果不采取有效措施，三峡水库的防洪能力似难得到可持续地维护，三峡工程的防洪效益恐难以长期保持。

所以，作者等从20世纪90年代后期开始，又重新研究三峡水库的一维不恒定流和泥沙问题。研究的目的是要对三峡水库汛期的防洪调度进行优化，尽量减少三峡水库的泥沙淤积、增加防洪库容、减少水库防洪对三峡库区的不利影响、减少重庆河段和变动回水区的泥沙淤积，使三峡水库在后期还可以有较大的防洪能力来保护长江中下游的安全。下面介绍的内容是针对增加三峡水库防洪库容、减少泥沙淤积等方面的研究成果。作为三峡优化研究的参考。

应用一维数学模型进行三峡工程分析与优化

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