优化调度：三峡水库减淤增容研究

5.3.6.1　三峡水库汛期优化调度的必要性和基本条件

三峡工程在初步设计研究中采取“蓄清排浑”的减淤措施，使泥沙淤积得到很大的控制。但是，泥沙淤积仍然比较严重。如前面计算结果，到水库淤积100多年后，重庆河段的淤积将有较大幅度增加，对于万吨船队直达重庆和重庆的防洪是不利的。更重要的是，按更接近三峡实际的动库容方法计算，水库初期有效防洪库容就有所减少，后期防洪库容随泥沙淤积而减少的幅度更大。原来设计认为水库最终可以保留86%防洪库容的目标不能达到。水库泥沙淤积对三峡后期防洪库容保留的比例影响非常敏感。所以，为了确保三峡水库长期维持较大防洪能力，通过优化调度、减少泥沙淤积是非常必要的。

三峡水库是一个超大型水库，只有采取调度方式减淤才是可行的。三峡水库总库容和长江上游径流相比只有8.7%。从这个意义上讲，三峡水库只是一个小水库。由于三峡水库是一个典型的河道型水库，水库80%以上的河段宽度不足1000m，降低水位后完全可以造成较大的流速和输沙能力，从而减少泥沙淤积。图5-52是2003年蓄水以来实测的三峡水库逐旬排沙比例及其与库区流量的对应关系。可见，每年在通常情况下，三峡水库80%以上泥沙都淤积在水库中。特别是在非汛期，泥沙几乎都淤积在水库。但是，实测资料同时显示，在汛期较大洪水期间，三峡水库仍然具有较高的排沙能力。汛期流量较大的时期，坝前水位在135m 时，水库排沙比例甚至可接近或超过100%。实测水库排沙特性为三峡汛期泥沙优化调度提供了重要依据。在三峡水库正常运行、汛期防洪限制水位达到145m 后，充分利用汛期较大的洪水流量短期内一定幅度降低水位 (比如降低水位到135m)，可进一步集中增加水库排沙能力。

另外，由于泥沙研究误差较大，作为备用安全措施，泥沙专家组建议当水库出现意外淤积时，允许将水库短期降低到130m冲沙，要求泄水建筑物仍能泄放流量40000m3/s(泥沙专家组，1987)。以上条件给泄水建筑物设计提出了很高要求。在枢纽建设中已经考虑到大坝在低水位期间下泄大流量。表5-12说明这些要求都得到很好满足。而且，三峡在汛期洪水期有大量弃水，水库降低水位排(冲)沙后很容易在短期内恢复正常汛限水位。所以，进一步优化水库汛期调度、减少泥沙淤积是有可能的。因此，林秉南(1992)在三峡工程论证期间就针对变动回水区和重庆泥沙问题提出了“双汛限”调度设想。在原来的汛期限制水位的基础上增加一个洪水期排(冲)沙水位，以最大限度地发挥水库排(冲)能力、减少淤积、增加防洪库容，同时也减少库区移民淹没，降低重庆洪水位，改善变动回水区的通航条件。作者等利用不恒定水流及恒定泥沙数学模型研究了“双汛限”和“多汛限方案”。

表5-12　三峡泄水建筑物在低水位段的过流能力

图5-52　三峡水库蓄水后逐年实测排沙比及其与库区流量的对应关系 (2003～2005年)

5.3.6.2　双汛限调度方案

1.双汛限方案运行方式

在汛期较大洪水来临前将坝前水位从规定的145m 降低到135m 运行。具体的运行方式是:根据入库的寸滩站洪水预报，当24h后入库流量超过45000m3/s，并且可能发生较大洪水时，增加三峡大坝下泄流量 (考虑荆江的防洪条件，以不大于50000m3/s为控制条件)，将坝前水位迅速降低到135m;当坝址流量加上坝址到长江枝城的区间流量达到56700m3/s时，水库以135m 为起调水位开始拦洪;当坝址流量小于45000m3/s且预报洪水将持续回落后，水库水位复位到145m 的汛限水位。

考虑到洪水过程的随机特性，多数年份降低水位后不会发生较大洪水，这样的低水位必将大量冲刷水库和排泄泥沙，达到减淤的效果。如果在降低水位后，长江真正发生了较大的洪水，双汛限运行为防洪腾空了库容，可以增加水库的防洪能力。从这个意义上讲，双汛限方案和水库预泄和迎洪调度在运行上是完全一致的。当然，由于目前三峡设计的最低通航水位是145m，按双汛限方案调度，在汛期较大洪水期间三峡大坝不能通航。同时，双汛限调度对于汛期发电等也有一定的影响。

图5-53　三峡入库洪水流量的出现频率统计值

(根据1961～1970年资料)

计算水库泥沙淤积是根据恒定流进行的。根据1961～1970 年的实际水文系列概化的800个时段重复使用进行。根据10 年的水文过程统计，大于30000m3/s洪水流量出现的天数分布如图5-53所示。采用45000m3/s流量作为双汛限方案的临界运行条件，10 年中平均每年只有4.4天。考虑到降低和回蓄水库需要的时间，平均每年需要断航1周时间。

2.双汛限方案的调节计算

作者利用不恒定流数学模型对双汛限调节进行了研究。研究的主要目的是要回答三峡水库在可考的水文预报期内 (24～36h)，是否可将坝前水库降低到135m。

图5-54是按不恒定流模型对1981年、1954年洪水按双汛限调度计算结果。当寸滩预报24h后发生大于45000m3/s洪水时，三峡在2h内开启闸门提前泄洪，下泄流量增加到50000m3/s。对1981年，坝前水位可在34h内降低到135m。这时，虽然寸滩洪水已经进入水库，但由于洪水传递到坝前尚需要相当时间，坝前水位还可在135m 维持大约2天。水库冲沙并等待洪水来临。当坝前流量达到56700m3/s时，水库从135m 蓄洪。对1954年洪水，大约需要50h才能将坝前水位降低到135m，但是只需要30h即可将坝前水位降低到138m。或者，如果将寸滩洪水预报期再提前12h，也可在大约36h内将坝前水位降低到135m。洪水过后，坝前水位回蓄到143m 就可以恢复通航。如果按机组发电流量控制下泄，可以在30h内回蓄水库。双汛限调度使1981年和1954年下游洪水改善(比如，1981年后期洪水减小)，三峡坝前水位降低6m 和5m，三峡有更大潜力迎接更大的洪水过程。

图5-54　按双汛限方案调节1981年 (a)和 (c)和1954年 (b)和 (d)洪水入库洪水和大坝下泄流量变化过程，坝前水位变化过程

按动库容方法计算，从145m 降低到135m 的弃水远小于静库容体积，在水库无淤积条件下，介于145m 和135m 回水线之间的水体只有20亿～25亿m3;按不恒定流模型计算，考虑到调节过程中库区流量变化(降低过程总是流量由小到大，回蓄过程总是流量由大到小)，一般弃水量只有静库容的1/3左右。所以三峡完全可在短期内降低坝前水位。

从图5-54所示两种完全不同类型洪水过程看，结合寸滩站1天预报期，一般可以在1.5～2天内将坝前水位下降到135m。另外一个例子，图5-55 是对2003 年9 月洪水(假设坝前水位在145m 运行)按双汛限调度方式，只要利用1天预报就可以在36h左右时间内降低或抬高10m 坝前水位。这是按静库容计算方法根本不可能的。而在这一过程中，三峡需要的弃(蓄)水量并不是静库容曲线给出的47.5亿m3，而只有12亿～13亿m3(图5-55图)。改变坝前水位需要的弃 (蓄)水量只是静库容方法计算的1/4～1/3。水库在很少弃(蓄)水条件下较大改变了坝前水位。这是双汛限方案可在短期内启用的最重要的原因，也是三峡水库固有的水动力学性质。充分利用这一特点和可靠的入库洪水预报，三峡枢纽将更容易即时改变坝前水位。

图5-55　2003年从145m 降低到135m 和回蓄过程中水库状态 (a)和库区存水量变化情况图 (b)

(①预泄:根据24h预报入库流量超过45000m3/s条件按50000m3/s流量控制;回蓄:根据24h预报入库流量小于45000m3/s条件，按25000m3/s流量控制下泄。②图 (b)中的体积法是由库区断面和支流库容曲线计算的库区水量;流量法是依据进出水库流量过程计算的库区水量，二者基本相当。)

对1961～1970连续10年的系列，根据计算结果，在10年中需降低水位的年份是1961年、1962年、1964年、1965年、1966年和1968年。几乎所有的洪水过程都可以有效预泄到135m，同时，也可以在短期内回蓄到145m。大量的过程调节计算得到的一个重要信息是，在双汛限调度的预泄(与回蓄)中，与库区水位变化相应的水量变化绝大部分在17亿～18亿m3的范围内，三峡水库双汛限调度涉及的调蓄水量只有静库容的1/3～1/2。双汛限调度方案一般都可在短期内降低水位到135m，同时，在洪水过后，也可迅速回蓄水库。

3.双汛限方案的减淤效果

利用泥沙数学模型可以计算研究双汛限方案的减淤效果。

双汛限方案的投入时机对减淤效果影响较大。鉴于三峡初期的有效防洪库容就比较小，从防洪的角度看，有必要尽早投入。图5-56是从不同年份开始投入使用得到的水库淤积过程。表5-13是相应条件下，双汛限方案在第100年和第130年的淤积量和减少淤积效果。其中，由表5-13和图5-56可见，双汛限方案在任何时候投入运行都可减少泥沙淤积，但是投入时间越早，水库减淤效果越好。如果从第11年开始使用，到第100年和第130年时，可在原方案基础上分别减淤37.8 亿m3和39.3 亿m3，减淤效率达到23%。图5-57中是双汛限方案投入运行的时间和后期淤积量的关系。其中A 1是第3年投入运行的情况，由于初期运行和后期有差别，其规律和其他数据不一样。可见三峡尽可能早地采用减淤措施，对于减少后期淤积更有利。

图5-56　双汛限不同投入时间的淤积量比较(A分别对应于双汛限方案的投入时间:第3年，第11年，第16年，第21年，第31年，第41年，第51年，第61年，第71年，第81年和第91年。)

图5-57　双汛限投入时间和后期淤积量的关系

从原理上，不同投入时间出现不同减淤效果有两个原因:

(1)双汛限方案有别于一般的水库冲刷。它是通过低水位河槽少淤来建立滩槽差较大的断面形态、增加大水期水库排沙比、减少淤积。越早形成这样的断面形态，水库排沙比增大就越早。

(2)天然库区河道断面阻力较大，造成较高的回水会促进上游淤积。双汛限方案尽早投入可以提前淤积库区河道、覆盖粗糙的阻力单元，大幅度减少糙率，从而减少淤积。所以，初步建议三峡水库从初期开始进入双汛限方案运行。后面的讨论中，在没有特别声明的情况下，主要针对从第11年开始投入运行的双汛限方案。

表5-13　双汛限方案投入时间对后期水库淤积量的影响

与原方案相比，双汛限方案的纵向淤积分布主要有3方面的差别:

(1)水库最终平衡深泓高程较原来低得多。靠近坝前断面的深泓差别达40m，在奉节以下比较窄河段，平均低18m 左右，再上游直到水库淤积末端，深泓都明显偏低 (图5-58)。可见双汛限方案降低了水库侵蚀基准面，重新塑造的水库冲积河道深泓几乎平行降低。

图5-58　三峡水库运行100年时，双汛限方案与原方案淤积深泓高程的比较

(2)在运行初期，双汛限方案沿程淤积较原方案更均匀，淤积三角洲发展更快。在第43年淤积三角洲就到达坝前，而原方案到第56年才到达坝前。三角洲提前到坝前有利于水库增加排沙比。

(3)深泓淤积末端更靠近大坝。双汛限方案深泓淤积末端在涪陵附近，而原方案在长寿附近。

表5-14是各河段淤积量分布情况。从分段减少淤积的绝对数量看，越靠近坝前淤积减少越多。但从每个河段相对自身减淤比例看，越偏向于上游河段，分段减淤比例越大(图5-59)分段减淤比例= (原方案分段淤积-双汛限方案分段淤积)/原方案分段淤积。这一特点很重要，它可使三峡水库变动回水区 (涪陵—重庆)航道得到改善。由图5-38可见，在水库淤积后期，重庆河段淤积绝对数量不断增加。在100年时，重庆河段淤积量为7000万m3;到更后期，淤积有加速的趋势。200年时，淤积量可能将达到1.5亿m3。在可行性研究阶段，对三峡水库泥沙淤积，一般只计算到100年。这时，认为水库淤积基本上接近平衡。然而，变动回水区和重庆河段泥沙淤积实际上并没有达到平衡。水库内部淤积对于重庆回水的影响在100年以后更突出地表现出来，水库淤积和回水抬高对重庆泥沙淤积的影响持续到200年以后仍在增加。双汛限方案可使100年以内重庆河段的泥沙淤积减小到4000万m3，在100年后泥沙淤积基本上趋于平稳，总体控制在5000万m3左右范围内。根据清华大学等模型试验，在这样的淤积强度下，即使淤积对通航仍然有一定影响，完全可通过整治工程等措施得到控制。而在工程初期，除必要的岸线整治外，那些旨在增加消落期水深的丁坝、顺坝工程都可以在进一步研究后推迟或考虑减免。这不但可节约大量建设资金，而且对于降低后期重庆及上游洪水位也有利。

表5-14　双汛限方案水库淤积分布情况及与原方案结果比较(淤积量单位:亿m3)

4.双汛限方案的作用和不利影响

双汛限方案减少水库淤积，同时在许多方面对三峡工程带来影响。正反方面影响包括防洪、移民、航运、发电和下游河道、环境等。

(1)对防洪的影响。由于动库容受水库淤积量影响严重，三峡水库实际防洪能力在后期将受到很大削弱。采用双汛限方案后，能够增加水库防洪库容。降低水位腾空库容迎洪和大量减淤都可以增加水库后期的防洪库容。图5-59是防洪起调水位在145m 条件下，采用双汛限方案后防洪库容的变化情况。与原方案比较，由于淤积大量减少，防洪库容增加的比例非常可观，以蓄满流量为60000m3/s的情况为例，到50 年、70 年、100 年和130年，防洪库容增加的比例分别达到6%、11.3%、15.4%和16%，分别相当于增加防洪库容13亿m3、25亿m3、34亿m3和35亿m3。在水库淤积后期增加35亿m3已相当于原方案届时保留防洪库容的三分之一，其作用是非常大的。若双汛限方案到100年时蓄满洪水流量接近80000m3/s，水库防洪库容可达到168亿m3，仍基本满足1.0%～0.1%调洪要求。而且，双汛限方案还包括预泄降低水位、迎接洪水的防洪库容。在135～145m之间还增加相当的防洪库容(图5-60)。初期预泄增加防洪库容35亿m3。后期增加15亿m3。综合起来，双汛限方案可增加的防洪库容如图5-61。初期增加防洪库容35亿m3，100年时增加50亿m3。

图5-59　双汛限方案与原方案的分段减淤比例和保留防洪库容的比较

(a)分段减淤比例 (100年时);(b)保留防洪库容的比较
(起调水位=145m、流量=56700m3/s，满蓄坝前水位=175m。空心点为双汛限方案，实心点为原方案)

图5-60　根据双汛限方案形计算135～145m间的防洪库容 (相应流量56700m3/s)

图5-61　三峡水库采用双汛限方案可以增加的防洪库容 (包括迎洪)

当然，为了尽量利用大洪水降低水位冲沙和145m 高程以下的防洪库容，三峡水库需要提前下泄洪水。初期预泄量大约18亿m3，后期不足10亿m3。预泄洪水是完全受到控制的，不至于对下游产生严重影响。

(2)对库区影响。随着泥沙淤积使三峡水库防洪库容不断减小，在相同标准下拦洪水位提高、回水上升更大，防洪与库区移民淹没矛盾更大。根据长江委移民规划设计(长江水利委员会，1997)，水库移民迁移线按5%频率、重要城市按1%频率洪水，且没有考虑水库淤积。在初期，5%频率洪水坝前水位抬高较少，库区移民线主要由汛后回水线加2m超高决定。考虑泥沙淤积后，根据1954年型的5%频率洪水，枝城调度方式 (宜枝区间洪水按宜昌同频率)，10～130年库区淹没回水线及其与移民线的比较如图5-62，回水线在30～40年开始将超过移民迁移线，之后回水上升很快，对库区淹没幅度和范围都会迅速增加。到80年时长寿和涪陵的淹没深度达到8.1m 和7.1m;100年时，淹没深度达到10.1m 和9.3m，距离大坝仅280km 的万县的淹没深度也接近5m。70～80年后涪陵长寿等地的淹没甚至超过城市建设最低水位，城区也将受到水库拦洪的洪水威胁，水库淹没范围将超过400km (表5-15)。对1954年洪水，库区淹没情况更严重(图5-62)。三峡工程移民迁移后，上述区域是人口集中的地方，淤积使回水抬高造成的淹没处理将是非常困难的问题。

表5-15　各方案在20年一遇洪水条件下，库区水位超过移民线的范围比较

图5-62　原方案在20年一遇洪水 (1954型)和1954年洪水条件下库区淹没情况

图5-63　双汛限方案在20年一遇洪水(1954型)条件下库区淹没情况

采用双汛限方案后，移民淹没情况得到很大的改善。在相同洪水条件下，只有到后期水库末端涪陵附近有3～5m 淹没，范围大大减小，如果严格按双汛限方案运行，从135m 水位开始起调，水库淹没范围可控制在100km以内(图5-63)。

对1954年洪水，当水库淤积40年以后，水库回水在涪陵附近开始超过移民迁移线。从表5-16显示，到100年水库中重庆管辖的库区全面高于移民迁移线。从第70年开始，涪陵的水位超过城市建设最低高程(182m)。采用双汛限方案后，由于水库泥沙淤积大幅度减少，回水淹没程度也大大降低。从淹没范围看，到100年时，原方案大约有460km 超过移民迁移线，长寿、涪陵、万县等水位超过城市建设水位;而采用双汛限方案后，只有大约100km 的范围受淹，重要城市可以避于进水。

在百年一遇洪水 (1954 年)条件下，水库初期就将对涪陵一带移民产生淹没 (图5-47)，而且随泥沙淤积淹没上升幅度很大。采用双汛限方案后，初期和后期的淹没水位都得到大幅度降低 (图5-64)。三峡水库拦蓄特大洪水的库区淹没代价大大降低。

表5-16　三峡调节1954年洪水条件下，涪陵和长寿的最高水位(起调水位:145m)

注 长寿移民迁移高程177.6m，城市建设最低高程188m;涪陵移民迁移高程177.0m，城市建设最低高程182m。

如果按恒定流方式计算，假设坝前水位为175m，水库为恒定流量88700m3/s(百年一遇寸滩流量)，原方案和双汛限方案对重庆洪水围的影响见图5-65，双汛限使后期重庆水位降低3m 左右。实际上，由于双汛限方案防洪库容更大，同标准洪水前水位低于原方案，重庆水位降低幅度更大，沿库各个重要城市洪水位的降低幅度都非常显著。

图5-64　双汛限方案在百年一遇洪水 (1954型)条件下库区淹没情况 (从135m 起调)

图5-65　双汛限方案和原方案库区重要城市水位比较 (坝前水位=175m，流量=88700m3/s)

(3)对航运的影响。由于船闸底槛和引航道限制，采用双汛限调度在坝前水位低于143m 时需要三峡坝区停航。这是双汛限方案最大的不利影响。但是，这时库区流量大于45000m3/s，铜锣峡断面的平均流速达到6.0m/s;丰都以上的窄河段平均流速达到2.5～3.0m/s;水库淤积50年后，从坝前至奉节的峡谷河段平均流速达2.4～2.8m/s，断面最大流速完全可能超过3.0m/s。这时实际上万吨船队不能通行，中小船队航行也很危险。虽然三峡坝区断航，但损失应该很小。

双汛限方案使水库内部水位短期下降，对库区码头作业会产生一定影响。图5-66是根据1981年洪水计算坝前水位由145m 下降到135m 时，沿程水位下降情况。在运行初期，水位降落影响范围较远，但50年后万县以上码头所受影响很小。

图5-66　坝前水位从145m 降低到135m 时水库沿程降落水位

(按1981年洪水、不恒定流计算，当45000m3/s洪水进入寸滩前1天开始降低坝前水位)

双汛限方案对航运也有很大利益。变动回水区后期泥沙淤积大量减少，对改善消落期变动回水区的通航条件是非常有利的。其次，由于双汛限方案使水库在近坝段的过水面积增加，使后期水库近坝段流速得到降低，减小幅度达5%～25%，对提高航运经济效益，减小汛期大流速的危险是有益的。特别是在洪水期间 (Q=45000m3/s)，坝前段的平均流速从原来的2.0m/s减小到1.5m/s以下，对船队进出三峡上引航道口门带来很大便利。对于三峡坝区，原方案到大约60 年以后接近初步平衡，总淤积量达到12亿m3。双汛限方案使淤积三角洲向坝前传递更快，在30～50 年间坝前泥沙淤积数量更大，而在50 年左右淤积就初步接近平衡，最终淤积量比原方案少1.5 亿m3以上，断面平均淤积面积减小8100m2，坝区河道床面平均降低4～5m。模型试验表明，淤积平衡时坝区河道145m 汛限水位以下的平均过水面积在1.6万～2.0万m2范围内变化。荆江和葛洲坝水库的实际资料显示，三峡坝区按原方案运行的平衡过水面积应该在2万m2左右。运用双汛限方案后，坝前段过水面积增加了8000～10000m2。坝前段平均流速减小1/3。引航道连接段和口门区纵横向流速相应都可以减小。

坝区大量淤积后河势变化决定了通航条件。图5-67是大坝上游约6km 范围的河势情况，河道右侧处于弯道凸岸下游。模型试验都表明这是严重淤积区域，其对岸就是上游引航道口门和其连接段。右岸泥沙淤积对左岸引航道口门和连接段通航条件影响很大，对三峡右岸地下发电厂进水条件影响也较大。随着右岸淤积增加，河道主流向左岸移动，主流线和大流速带逼近引航道口门区，将导致引航道口门和连接段出现较大的纵横向流速和不利通航流态。模型试验表明，在淤积后期，主流线向左岸最大偏离的幅度达到300～500m，航道口门和连接段部分区域的纵、横向流速都一定程度超过航行标准。同时引航道和连接段碍航淤积数量也较大。在水沙较大年份，年内淤积达到100多万m3。双汛限方案使本河段总体淤积减少，右岸淤积体积也必然相应减小。加上双汛限方案在135m 水位运行时，加大流速冲刷，使河道深泓大幅度降低，主流向引航道堤头移动的幅度可以得到控制，通航水流条件得到改善。同时，由于河道主槽降低，连接段航道范围河床也相应降低，口门区的碍航淤积量可减少。

图5-67　三峡坝区河势及引航道布置示意图

双汛限调度改善了坝区水沙搭配(图5-68)。在水库运行的前50年，双汛限方案全沙和粗沙出库比例大于原方案。这对缓解荆江河道冲刷有利;运行后期，双汛限方案排沙比明显小于原方案，特别是易于淤积航道的粗沙 (d＞0.05mm)减少更多，相当于原方案50%。因为双汛限方案使粗沙集中在135m 水位期间出库，正常汛限水位145m 时粗沙减少。双汛限方案对下游河道及通航条件不但没有不利影响，而且有利于减轻下游河道冲刷幅度;增加三峡水库兴利库容、改善枯水期下游通航。

图5-68　原方案和双汛限方案坝前段泥沙条件比较(其中:排沙比=出库浓度/入库浓度;粗沙百分比=大于0.05mm 浓度/总浓度;Q=45000m3/s，入库泥沙浓度=4.0kg/m3，坝前水位=145m)

图5-69　各个方案的兴利库容比较(动库容计算相应于175m 和155m的流量均为8000m3/s)

(4)对发电影响。双汛限方案在汛期降低水位运行期间会短期影响三峡发电。但是，按照设计三峡水库在135m 水位是可以发电的。影响发电的主要原因在于水位降低后，机组发电效率和性能受到限制。关于对发电影响的定量评价，应该展开专门研究，将发电损失与水库减淤、增加防洪效益以及减小移民淹没损失等综合比较研究。同时，应该研究改进机组在低水位条件下的工作性能，尽量减少损失。但长远计，双汛限方案对发电的有利作用也不可忽视。图5-69是双汛限方案和原方案兴利库容比较。随着泥沙淤积，水库兴利库容也不断减小。到第100年时，按静库容计算，水库兴利库容保留率只有90%，采用双汛限方案后，则可提高到97.2%，增加7.2%;按动库容计算，水库兴利库容保留率只有86.3%，采用双汛限方案则可提高到94.5%。后期水库兴利库容可以增加12亿～17亿m3，对于确保三峡电厂后期的保证出力，增加发电量和调峰能力是有益的。

5.3.6.3　多汛限调度方案

双汛限方案可以大量减少三峡水库泥沙淤积，增加防洪库容，降低回水上延幅度及其对移民的不利影响。按照可持续发展的观点，双汛限方案长远对三峡上下游航运和发电都有利，汛期少量减少发电和短期影响航运效益是值得的。但是，双汛限方案的确对航运和汛期发电带来一定的不利影响。为此，提出可基本保证三峡不断航的多汛限水位调度方案。

三峡水库蓄水后，库区河道将通过淤积建立新的平衡。平衡建立决定于水库的侵蚀基面(汛限水位)和造床流量。长江在荆江河段的造床流量大约为40000～45000m3/s(韩其为等，1995)，三峡水库重建平衡断面的造床流量应该接近荆江河段。根据长江1961～1970年10年资料，平均每年大于35000m3/s的时间不足16天，仅占汛期时间的14%。按造床流量概念，将坝前低水位与大流量在时间上对应可造就相对较低的淤积平衡断面;而其余时间汛限水位的高低并不十分重要，可适当提高，使之利于通航和发电。

1.多汛限方案的认识基础

多汛限调度研究是基于对水库淤积特性认识上的进展。在水库淤积过程中，通过水位调度措施可调整淤积断面的横向分布。在维持较深主槽前提下，尽快淤积滩地，形成高滩深槽的淤积断面可控制主槽上升，并大量排泄泥沙出库。一方面，滩地淤积之后，可使洪水期滩地不过或少过水，流量和能量更多集中刷深主槽;同时，使枯水和小流量时期泥沙也相对多地淤在主槽，供洪水期冲刷。另一方面，由于减淤使河道主槽过水面积相对增大，洪水时低水位可大量增加水流挟沙的能力，使更多泥沙被输送到死库容区或排出水库。

比较计算研究证明，适当提高中小流量时期的坝前水位，降低大流量时期的坝前水位可实现较优的淤积断面。双汛限方案就是淤积断面优化和减淤的方法之一。为说明这一点，首先比较单汛限方案和双汛限方案淤积情况:计算的140m 汛限方案直接将原方案的汛限水位降低5m;而140m 双汛限方案只将原方案流量大于45000m3/s时的坝前水位降低5m 运行。图5-70 (a)是140m 方案和140m 双汛限方案总淤积量发展过程的比较，其中也给出了原方案和135m 双汛限方案结果。在第80年前，140m 双汛限方案的淤积量都大于140m 方案，而后期前者的淤积量则反而更少。这一结果似乎出人意料，汛期流量大于45000m3/s持续时间仅4.4 天，难道连续4 个月140m 低水位运行还不如4.4 天140m 水位运行的排沙效果? 进一步，又比较计算了142m、138m 等双汛限方案和相应单汛限方案，结果均表明前者的平衡淤积量接近或低于后者(见表5-17)。

表5-17　各种双汛限方案和单汛限方案130年时水库淤积量的比较

* FCL1=150m，Qc1=35000m3/s;其余FCL1=145m，Qc1=35000m3/s。

比较发现，双汛限调度使水库淤积断面形态趋向于高滩深槽。图5-70 (b)是淤积深泓高程比较。140m 方案的淤积深泓平行低于原方案，侵蚀基面降低后，淤积面平行降低是必然的结果。然而，140m 双汛限方案的深泓在近坝段 (200～300km 内)更明显低于140m 方案。在大坝附近，深泓降低达20m 以上。双汛限方案使水库淤积断面更趋于窄深。根据河流动力学中 “淤积一大片，冲刷一条线”的规律，140m 双汛限方案在较小流量时水位较高，边滩淤积加快;大洪水时，坝前水位降低使滩地退出或部分退出过流，从而加强主槽流速和冲刷强度，使主槽得到更多冲刷而降低，而在这时边滩淤积不能得到冲刷。所以，通过调度的作用，可以塑造出高滩深槽的库区淤积河型。主槽降低后，使洪水归束于相对窄深的河槽，提高河槽输沙能力;同时，相同过水面积的水深和水力半径增加，减小回水纵向比降，降低上游河段回水线高度，降低上游淤积面高程。这是双汛限方案在短期内排沙 (或冲沙)可接近或超过相应的单汛限方案的原因。

图5-70　双汛限方案和单汛限方案比较

(a)总淤积量及过程比较;(b)淤积深泓比较 (第130年)

2.多汛限调度方案调度方式及其优化

根据前面比较可见:大流量时短期降低坝前水位运行可产生很大的减淤效果。根据这一认识，可研究在汛期非洪水期适当提高坝前水位，在减淤的同时增加综合效益。

三峡第一级船闸闸槛高程139m，保证汛期4m 槛上水深坝前水位可降低到143m。为增加发电和改善通航条件，可考虑将汛期中小流量的汛限水位适当提高。为了增加水库防洪能力，单独依靠减淤是不够的，直接措施是结合水文预报，在可能出现大洪水时提前将坝前水位降低到135m。与双汛限方案的差别是，这里仅考虑出现大于10年一遇洪水条件下才降低坝前水位。减少了迎洪对通航和发电的不利影响。

多汛限方案的基本参数见表5-18。以代码:方案FCL1FCL2FCL3(Qc1，Qc2)表示。其中FCL1称第一汛限水位，是流量小于Qc1时的限制水位;FCL2为第二汛限水位，是流量大于Qc1时的限制水位;FCL3迎洪水位，当预报入库流量大于Qc2并且可能出现大于10%频率洪水时的水位;Qc1第一临界流量;Qc2第二临界流量。

表5-18　多汛限方案的基本控制参数

根据1960～1970年水文系列，Qc1=35000m3/s、40000m3/s和45000m3/s平均每年出现时间分别为:18.0天，9.0天和4.4天。优化计算中，多汛限调度都从第11年开始，135m 迎洪每10年使用1次(计算选用大水大沙的1966年)。

图5-71给出了FCL2=142m 条件下，不同第一汛限水位和临界流量的水库淤积情况。在第一汛限水位和临界流量两个因素中，临界流量Qc1变化的影响比第一汛限水位变化的影响更显著。随着Qc1降低，大流量低水位作用时间加长，水库淤积量有较大减少。当Qc1=35000m3/s，水库运行到130年后，泥沙淤积可以控制在140亿m3左右，比原方案减少淤积约30 亿m3。第一汛限水位变化的影响较小。但是，计算表明在145m 和155m 水位之间存在一个最优的第一汛限水位。这一水位介于148～151m 之间。第一汛限水位更低时，淤积量随水位降低缓慢增加;水位更高时，淤积增加相对比较快。虽然，针对实际水沙系列，条件变化使数据跳动较大，但规律是明显的。虽然，第一汛限水位对减淤影响不大，但其意义在于较大提高中小流量水位而不明显增加淤积。汛期4个月中，第一汛限水位维持时间占80%以上，提高第一汛限水位可提高三峡水库发电调节能力，三峡增加6台地下厂房后，这更具有重要意义。同时也可改善坝区包括引航道和航道连接段的通航水流条件。由图5-71还可见，在水库淤积中期前(前70年)，淤积量和第一汛限水位仍成正比关系，水位高则淤积量多。但当淤积量超过130亿m3以后，库区河道开始进入造床过程，汛期水位变化幅度对河道断面形态的塑造开始产生作用。第一和第二汛限水位差别较大时，更易于形成高滩深槽的断面形态，加速提高排沙比、减少淤积。然而，当第一汛限水位过分抬高后，小流量时的淤积在洪水期得不到充分冲刷，淤积还是会增加。相对优的第一汛限水位实际上反映了水库淤积过程中断面形态的优化。

图5-71　水库运行过程中，各种方案淤积总量的比较

根据大量的比较计算，采用Qc1=35000m3/s，Qc2=45000m3/s，FCL1=148～151m，FCL2=142m，FCL3=135m 是初步优化的多汛限运行方案。即:从第11年起，在入库流量小于35000m3/s时汛限水位维持在148～151m;当入库流量大于35000m3/s时，将坝前水位降低到142m 运行。其中，根据预报，当入库流量大于45000m3/s并可能出现大于10%频率洪水的时候，将坝前水位降低到135m 增加防洪能力和进一步减淤。

根据这样的运行方案，作者对多汛限方案的减淤效果和其对库区的影响进行了全面计算研究，研究结果表明，虽然多汛限方案的减淤效果不如双汛限方案，但是，由于其运行条件更优越，具有较好的应用前景。限于篇幅，详细情况读者可以参考文献 (周建军等，2002)。

5.3.6.4　三峡水库近期和远期优化调度设想

值得指出的是，国家已决定在三峡水库上游建设梯级电站，这对缓解三峡水库泥沙淤积有很大作用。根据金沙江泥沙来源，今后在金沙江可发挥拦沙作用的水库主要是金沙江下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四大梯级。这些水库合计具有死库容约200亿m3，如果这些水库在今后几十年都陆续建成，三峡上游来沙量较大的情景至少可以推迟100年。但是，由于上游水库难以控制四川暴雨区的洪水，而且长江中下游防洪的防洪要求远大于一个三峡水库的能力，长流规要求三峡上游还需要为长江中游预留300亿m3的防洪库容。考虑到三峡水库本身防洪库容偏小，用动库容方法计算，水库防洪能力受泥沙淤积影响更大，而且上游水库拦沙的作用不是长远的，水土保持的减少作用更需要时间检验，只有优化调度是保证三峡工程效益可持续发挥的有效途径，所以三峡水库积极实施预泄迎洪和减少淤积的调度仍然是必要的。但是，毕竟在今后一定时间内三峡入库泥沙会大量减少，在此期间调整和优化调度使三峡更充分发挥发电效益，又更好保证三峡有更大防洪能力是值得认真考虑的问题。

根据前面的研究，多汛限方案的减淤效果比双汛限稍差，但它对通航影响较小，可大量增加发电效益，又同样可以增加三峡水库防洪库容。在上游泥沙较少的近几十年，多汛限方案是较好的选择。所以，“双汛限”和 “多汛限”等优化调度都不是孤立方案，它们可以根据三峡工程的具体情况而调整，使其分别适用于今后三峡不同的运行阶段，构成一个“与时俱进”的整体方案:

(1)近期，“多汛限”调度方案可作为优化调度的基本方案。由于三峡上游水库拦沙和水土保持措施，三峡入库泥沙减少，水库泥沙淤积尚不明显，几十年(甚至上百年)都可先采用“多汛限”方案增加防洪库容，控制淤积。

(2)以后，随着上游水库拦沙作用减小，如果上游水土保持没有达到预想目标，当三峡泥沙问题开始明显时，可相机增加降低水位到135m 的频率，逐渐实施 “双汛限”调度。

这种根据三峡运行实际情况，可以适时调整的优化调度措施，是保证三峡工程防洪能力和应付泥沙问题立于不败之地的“安全阀”。

三峡工程在论证期间采用静库容方法计算防洪库容。一般认为水库淤积80～100年就可达到平衡，平衡后还可保留86%的防洪库容。这是确定三峡工程的防洪能力可长期利用的依据。但是，上述研究发现，三峡水库应采用考虑动态水面变化的动库容方法确定防洪能力才符合实际。按静库容方法计算，泥沙淤积对水库防洪能力影响较小，水库淤积的精度对防洪库容不很重要。但是，按动库容或不恒定流方法，三峡水库的初期防洪库容就更小;水库淤积后，防洪库容损失严重;泥沙淤积多少对防洪库容影响很大。100年后，三峡可保留的有效防洪库容比例远低于论证期间的数值。而且，在三峡水库库尾段泥沙淤积到200年仍不能达到平衡，淤积数量远大于当初确定的平衡淤积数量。同时，库容减少和水库淤积都会造成库区回水上升，三峡水库防洪对库区移民影响严重。如果不改进调度方式，三峡工程的防洪功能将不能达到可长期利用的目标。针对泥沙淤积可靠性和水库防洪能力方面的问题，作者建议三峡工程优化汛期调度方式。利用三峡工程在设计和建设中提供的强大的低水位泄洪能力和三峡水库因为动库容带来调度灵敏性增加等有利条件，加强预泄和利用145m 汛限水位以下库容增加防洪能力，同时减少水库泥沙淤积。作者建议的“双汛限”和“多汛限”调度方案具有较好的增容、减淤效果，可作为进一步研究的参考。作者认为，充分利用三峡水库上游建梯级水库缓解入库泥沙的时机、认真研究优化调度方式，实现既利于近期增加工程效益、更有利于远期保护和维持三峡工程的效益，实现三峡工程防洪等功能可持续利用是有希望的。