長江三峽工程的泥沙問題張仁三峽工程曾經(jīng)經(jīng)歷長時間的論證工作，在論證工作中，泥沙問題始終是三峽工程的最重要的問題之一。在可行性論證階段，主要研究的泥沙問題有5個方面。1993年以來三峽工程的泥沙研究包括8個方面。1可行性論證階段主要研究的泥沙問題如何長期保持三峽工程的有效庫容根據(jù)黃河上修建三門峽水庫的經(jīng)驗和教訓(xùn)，三峽水庫采用了“蓄清排渾”的運用方式，水庫在汛期維持低水位，使泥沙可以順利排出庫外；在非汛期水流含沙量減少時，水庫蓄水興利。按照數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)果，在水庫運用100年后，在汛期限制水位145m和正常蓄水位175m之間的防洪庫容可以保持86%；175m和枯水期限制水位之間的庫容可以保持92%。因此，三峽工程的大部分有效庫容是可以長期保存的。三峽水庫泥沙淤積后可能產(chǎn)生的淹沒問題依靠數(shù)學(xué)模型，計算了水庫淤積100年后，遭遇百年一遇洪水時的庫區(qū)回水曲線，求得重慶朝天門地區(qū)的洪水位為199m，但考慮到水庫蓄水和淤積后糙率的不確定性，專家組要求增加1？3m的安全裕量，以決定重慶市區(qū)的淹沒范圍。對于農(nóng)業(yè)地區(qū)，土地按5年一遇回水線征用，居民則按20年一遇回水線遷移。變動回水區(qū)的航道，港區(qū)泥沙淤積問題三峽水庫蓄水后，常年回水區(qū)的灘險均被淹沒，除青巖子，金川磧主航道由右槽倒向左槽，需要在新航槽中清除礁石外，其他灘險均可得到明顯改善。變動回水區(qū)汛期產(chǎn)生淤積，汛后因水庫蓄水，減少沖刷在翌年消落期有短期航深不足現(xiàn)象，需要進(jìn)行航道疏浚和整治工作。重慶主城區(qū)港口碼頭前沿，在豐沙年泥沙淤積增加，可能影響正常作業(yè)，專家組認(rèn)為：“可以通過優(yōu)化水庫調(diào)度，結(jié)合港口改造，認(rèn)真研究整治和疏浚措施，加以解決。”壩區(qū)的泥沙淤積問題三峽水利樞紐工程包括擋水大壩、泄洪壩、電廠、船閘、升船機等，因此設(shè)置了規(guī)模巨大的壩區(qū)實體模型，研究不同階段壩區(qū)泥沙淤積對河流形態(tài)和各項建筑物的影響，從而為樞紐總體布置提供了科學(xué)依據(jù)。三峽水庫運用對下游河床演變的影響三峽工程建成蓄水后，下游水流含沙量減少，將引起下游河道長時間、長距離的沖刷下切。依靠數(shù)學(xué)模型，預(yù)報了三峽工程運行后下淤河道沖刷發(fā)展過程，同流量水位變化以及對防洪、航運、供水的影響。提出了需#控制宜?水位，整治蘆家河卵石淺灘以及對荊江和城陵磯以下河道河勢控制和堤防安全建設(shè)的課題。在三峽工程可行性論證期間，數(shù)字模型計算和實體模型試驗對工程方案的選擇和決策發(fā)揮了重要的作用。因此，我們十分重視利用長江干支流上已經(jīng)建成的水庫和在河道上獲得的實測資料對上述數(shù)學(xué)模型和實體模型進(jìn)行驗證和對比。通過這些工作，改善了模擬技術(shù)，提高了模型的可信程度。當(dāng)然，在這里并不是說現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和實體模型已經(jīng)很完善了。隨著三峽工程開始蓄水運用，我們將積極利用三峽工程本身的原型觀測資料對上述模擬技術(shù)作進(jìn)一步的驗證和改進(jìn)。21993年以來三峽工程的泥沙研究1992年“人大”會上，通過了建設(shè)三峽工程的議案，1993年開始了三峽工程的施工準(zhǔn)備工作，結(jié)合各項工程建筑物的設(shè)計和建設(shè)，我們又組織了一系列泥沙問題的研究工作。現(xiàn)將上述問題的研究情況依次作一簡要的匯報。（1）三峽工程入庫泥沙量的變化近年來，進(jìn)入三峽水庫的泥沙不斷減少，其中嘉陵江來沙量的減少特別顯著（參見表1）。成因分析表明：造成近年來嘉陵江來沙減少的主要原因有下列方面：近年來嘉陵江上修建的大量水庫和航電梯級，攔截了大量泥沙。1994？1997年流域內(nèi)降雨量減少，使北碚站90年代的年徑流量比多年平均減少約23%。1989年以來在流域中實施的水土保持工程發(fā)揮了作用。由于當(dāng)?shù)鼗窘ㄔO(shè)對建筑骨料的需要，在河床中開挖了大量泥沙。除了降雨造成的來沙減少具有隨機的性質(zhì)以外，其余三個因素導(dǎo)致的泥沙減少的趨勢將是穩(wěn)定的，因此考慮水利建設(shè)的進(jìn)程，我們建議對于2013年以前可能進(jìn)入三峽水庫的泥沙量采用新的水沙系列（1991年至2000年），作為研究泥沙問題的基礎(chǔ)。2013年后，向家壩、溪落渡工程將相繼投入運用，三峽水庫上游來沙將更為減少，而且將持續(xù)幾十年。利用數(shù)學(xué)模型計算研究了修建兩個大型水庫對三峽水庫庫區(qū)淤積的影響，計算針對以下三種情況：（1）金沙江上不建工程；（2）只建向家壩工程；（3）只建溪落渡工程，計算的結(jié)果如表2所示。由表可見，當(dāng)金沙江上修建大型水庫后，三峽庫區(qū)的最大累計淤積量減少30億m3至40億m3。對三峽水庫淤積過程將有巨大的改善。重慶河段的泥沙淤積問題在三峽工程修建前，重慶主城區(qū)河段的泥沙沖淤是年內(nèi)平衡的。在汛期淤積的泥沙一般可以在非汛期沖掉，因此重慶地區(qū)的港口和航道在年內(nèi)不受泥沙淤積的影響。這種現(xiàn)象是由重慶河段的兩個地貌特征造成的，其一是重慶河段的出口處狹窄的銅鑼峽嚴(yán)重約束了出口的水流，大流量時水位壅高，泥沙落淤，小流量時，水位下降，流速增大，可以把汛期淤落的泥沙沖走。其二是重慶河段寬河段和窄河段相間，大流量時水流趨直，泥沙在緩流區(qū)和凸岸下側(cè)大量淤積，小流量時水流趨彎，可以將岸邊淤積沖走。當(dāng)三峽工程建成運用后，水庫一般在10月1日開始蓄水，十月底蓄滿175m。因此，沖刷河道的時間將縮短，汛期發(fā)生的泥沙淤積物就不能在汛后完全被沖完，當(dāng)?shù)诙晁畮煜鋾r，岸邊的淤積物將出露成為邊灘，影響船舶靠岸，妨礙碼頭的正常裝卸作業(yè)。因此在可行性論證階段，三峽工程確定了“分期蓄水”的建設(shè)方針，規(guī)定：“2007年水庫的汛期正常蓄水值為156m，運行若干年后，水庫在抬高至最終高水位175m運行。初期蓄水位156m運用的歷時，可根據(jù)水庫移民情況，庫尾泥沙淤積實際觀測成果以及重慶港泥沙淤積影響處理方案等，屆時相機確定。初步設(shè)計暫定安排6年”(參見三峽水利樞紐初步設(shè)計，第一篇綜合說明書，1-1-10)2001年4月，國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會召開會議討論了三峽工程分期蓄水的實施方案，會議同意泥沙專家組部分成員提出的建議，指出：“有關(guān)專家提出了在2007年后，根據(jù)泥沙觀測的成果，以分期、漸進(jìn)地抬高的方式比較合理。”“對156m水位運行后，水位如何提高到175m，也沒有作出明確規(guī)定，這些都需要通過研究和觀測提出建議，經(jīng)過必要的程序?qū)彶楹蟠_定。”“十？五”期間，泥沙專家組接受三峽工程開發(fā)總公司的委托，進(jìn)一步組織了解決重慶河段泥沙淤積問題的研究工作。研究成果發(fā)現(xiàn)，考慮90年代以來三峽工程入庫泥沙減少的影響后，重慶河段的泥沙淤積問題顯著減輕，采用港口整治、機械疏浚和優(yōu)化調(diào)度等措施后，可以較有把握地解決重慶主城區(qū)港口、航道的泥沙淤積問題，在水庫正常蓄水位達(dá)到156m后，可以在第二年進(jìn)一步提升水庫正常蓄水位至165m或172m，更好的發(fā)揮三項工程的防洪、發(fā)電、航運的綜合效益。引航道隔流堤的布置和壩區(qū)泥沙淤積問題三峽工程的雙線船閘和升船機都布置在左岸。根據(jù)實體模型的實驗成果，為了確保通航船舶的安全和航道的暢通，在上、下引航道的外側(cè)，布置了防淤隔流堤(參見圖1)。三峽工程運行后，引航道內(nèi)將產(chǎn)生由異重流和船閘充水引起的往復(fù)流帶來的泥沙淤積，試驗成果表明，引航道內(nèi)的淤積量將隨時間增加而增加(參見表3)，特別在1954年型的大沙年，引航道內(nèi)淤積量可以達(dá)到200萬噸左右，超過了機械清淤能夠清除的數(shù)量。因此，研究了在引航道內(nèi)布置一個沖沙閘和兩條沖沙隧洞的水力清淤設(shè)施。用臨時船閘改建的沖沙閘(2500m3/s)已經(jīng)建成。三峽工程建成蓄水后，水流進(jìn)入壩區(qū)時，由于彈子石挑流，主流將逐漸移向左岸，右岸產(chǎn)生巨大回流，回流中泥沙沉積，在壩前將形成一個巨大的邊灘。在實體模型實驗中當(dāng)發(fā)生1954年型大水豐沙的洪水時，壩前水位將達(dá)到159m，邊灘淤積面高程將超過145m，對地下電廠和右岸電廠的進(jìn)水十分不利，當(dāng)三峽工程防洪采用城陵磯補償調(diào)度方式時，將加速右岸邊灘形成和淤高，需要綜合考慮。庫區(qū)淤積和數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)三峽工程可行性論證階段，利用數(shù)學(xué)模型對水庫泥沙淤積過程進(jìn)行了多方面預(yù)估，例如淤積的數(shù)量、淤積的形態(tài)，長期保留的庫容和庫區(qū)洪水位以及淹沒范圍等問題。三峽水庫蓄水運行以來，水文部門開始取得了三峽水庫本身的實測資料，對已有的數(shù)學(xué)模型提供了進(jìn)一步驗證的基礎(chǔ)。從原型觀測資料的分析中可以發(fā)現(xiàn)有以下兩方面的問題：要協(xié)調(diào)輸沙量和斷面法的測量成果水庫中泥沙淤積體是不斷壓實的，因此用輸沙量法求得的泥沙淤積重量和用斷面法求得的淤積體積是無法相互換算的，需要水文部門提供淤積體的單位容重資料和研究淤積體單位容重變化的規(guī)律，才能更好地做好數(shù)學(xué)模型的驗證和改進(jìn)的工作。要研究庫區(qū)泥沙異重流運動的問題實測資料表現(xiàn)，三峽水庫蓄水以來庫區(qū)的淤積越往壩前淤積強度越大。例如近壩段（大壩至廟河）長度僅15.1km，三年來就淤積泥沙6500萬m3,深泓內(nèi)的最大淤積厚度達(dá)到53.4m，淤積面的縱剖面平緩（參見圖2），可能存在異動流運動。而原來數(shù)學(xué)模型計算中，由于缺少資料，未考慮異重流運動，壩前淤積偏少，需要在今后計算中加以改進(jìn)。近年來，林秉南院士等提出了新的水庫調(diào)度方式。建議提出：當(dāng)寸灘站預(yù)報洪水流量超過40000m3/s時，將壩前水位從145m降到135m，同時控制枝江流量不超過56700m3/s，在大洪水到達(dá)大壩之前，水庫內(nèi)泥沙將被沖刷，然后，水庫水位將升高到攔洪需要的高度。數(shù)學(xué)模型計算表明，如果三峽水庫投入后的第三年就按照這一調(diào)度方式運用，在運用100年后，三峽水庫內(nèi)的泥沙淤積總量將有所減少，如果將135m和145m之間的庫容考慮進(jìn)去的話，可能增加的有效防洪庫容將達(dá)到50億m3,重慶河段的泥沙Y?將減少40%。這一調(diào)度方式的缺點是每年有5至7天船閘將停止使用。由于萬噸船隊在流量超過20000m3/s時在部分河段不能通航，在流量超過40000m3/s后這一調(diào)度方式將僅僅對單獨航行的船舶通航帶來不便。（5）葛洲壩樞紐下游的水位變化葛洲壩樞紐工程處于三峽工程下游約40km，當(dāng)三峽水庫蓄水并下泄低含沙水流時，葛洲壩樞紐下游的河床將受到?jīng)_刷，導(dǎo)致水位下降，從而使葛洲壩船閘坎上和下游引航道中的水深不再能滿足航運的要求。數(shù)學(xué)模型曾被用來預(yù)報下游河床沖刷的數(shù)量和宜昌水位的變化。計算結(jié)果表明，在三峽水庫的各個運用階段，預(yù)報的宜昌站水位都低于航運部門所要求的水位（參照表4）。為了滿足135m蓄水位時期通航的需要，曾采用了以下措施。①利用圍堰135?139m之間的超高蓄水，用以增加枯水期的下泄水量。②在有控制作用的河段中鋪設(shè)護(hù)底防沖工程，以避免河床進(jìn)一步下切。改建大江船閘，提高船閘的通航效率。目前，三峽工程將進(jìn)入156m的運行時期，4000m3/s流量的宜昌水位已經(jīng)低于38.5m（參見圖3）。宜昌下游的河床護(hù)底抗沖工程雖已實驗兩期，但受到河道挖沙活動的嚴(yán)重干擾。根據(jù)長江委水文局的調(diào)查，三年來（2003至2005年），宜昌至沙市河段的挖沙量可能達(dá)到2070？3830萬m3,采沙活動如果不能得到制止，將對未來的船舶通航造成難以彌補的影響。（6） 蘆家河淺灘河段的治理問題蘆家河河道是長江中游卵石夾沙河床向沙質(zhì)河床變化的過渡河段。在三峽工程“清水”下泄發(fā)生沖刷的情況下，下段河道的沖刷量大于上段，河道內(nèi)將很快發(fā)生坡陡流急的現(xiàn)象。目前，在毛家花屋至姚港一帶，枯水期的航運條件已逐漸惡化。據(jù)調(diào)查，2004年2月10日，一個一拖四駁的船隊（拖輪2040馬力，四個1000噸甲板駁）上行發(fā)生困難，增加一個500馬力的拖輪后，上行航速仍僅有1.55km/h。2005年3月7日，當(dāng)日流量為4940m3/s，一艘1942kW的拖輪頂推5條1500噸和1條1000噸的駁船，實際載重僅4200噸，上行最小航速僅2.3km/h。由于近年來長江航道貨運量迅速增長，這一河段的整理必須及早進(jìn)行。蘆家河淺灘整治需要調(diào)整河道的比降，整治后蘆家河上口的水位將有所降低，從而將會影響到宜昌水位的控制，因此需要通過實踐，探索如何消除或減少這一影響的途徑和方法。（7） 下游河道的沖刷情況三峽建壩后，樞紐下泄水位的含沙量明顯減少，長江中下游河道將經(jīng)歷很長時期的河床演變過程。為預(yù)測三峽工程建成后長江河道的沖淤情況，利用數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了三峽建壩后宜昌至大通河道的沖淤計算。計算表明：宜昌至大通的最大沖刷量可能達(dá)到40？43億t，最大沖刷量發(fā)生三峽水庫運用50？60年的時期內(nèi)，宜昌至城陵磯、城陵磯至武漢、武漢至九江、九江至大通各河道累計沖刷的變化過程列于表5內(nèi)。由表可見，在三峽水庫運用初期，鄰近水庫較近的河段沖刷量很快增加，隨著庫區(qū)淤積發(fā)展，下泄泥沙增多，河道開始回淤，而離水庫較遠(yuǎn)的河段開始時河道有所淤積，到水庫運用一段時間后轉(zhuǎn)為沖刷，因此，三峽水庫下游河道的沖淤過程是一個比較復(fù)雜的動態(tài)過程。從河床刷深，水位下降來說，對防洪是有利的，但河道沖刷會引起河勢的變化，造成灘地后退，護(hù)岸坍塌，堤防出險，又不利于防洪。因此在三峽工程的蓄水過程中，需要加強原型觀測的工作，跟蹤監(jiān)測水庫下游河道的沖淤演變，做好人力、物力的準(zhǔn)備，建立應(yīng)急搶險機制，加強河道的整治工作。2003年三峽工程蓄水運用以來，由于入庫沙量減少，實測的出庫沙量也遠(yuǎn)少于論證階段的預(yù)測值，因此，三年來下游河道的沖刷強度和沖刷范圍都大于預(yù)報值（參見表6和表7）。（8）洞庭湖的調(diào)蓄作用需要恢復(fù)和提高洞庭湖是長江中下游防汛體系中重要的組成部分。在汛期，通過三口分流（參見圖7），洞庭湖可以削減枝城洪峰6200？27800m3/s，平均17500m3/s，對減輕荊江的洪水壓力有重要作用。但從上世紀(jì)60年代以來，由于荊江裁彎和葛洲壩樞紐的修建，使荊江同流量水位降低，同時加上洞庭湖三口分洪道的淤積，使三口分流能力日益減少。目前三口的分流比已經(jīng)降低到上世紀(jì)五、六十年代的一半以下（參見表8）。因此，洞庭湖調(diào)蓄長江洪水的能力已經(jīng)有了巨大的降低。根據(jù)文獻(xiàn)提供的資料，比較1954年和1998年兩場數(shù)量級相近的洪水發(fā)生時洞庭湖調(diào)蓄能力的差別（參見表9、10）。由表可見，1954年洪水發(fā)生時，洞庭湖分洪969億m3，調(diào)蓄洪水561億m3，而當(dāng)1998年洪水發(fā)生時，洞庭湖三口分洪728億m3，調(diào)蓄洪水250億m3。兩次洪水相比，三口分洪量減少241億m3，調(diào)蓄洪水能力減少了311億m3，由此可見，如果在現(xiàn)狀下發(fā)生1954年型的洪水，即使增加了三峽水庫的防洪庫容，長江中下游需要安排的分洪量將超過《長江流域綜合規(guī)劃》中估計的數(shù)量。鑒于在長江兩岸安排滯蓄洪區(qū)的困難很多，在三峽工程轉(zhuǎn)入運用后，采用工程措施，增加洞庭湖的三口分洪能力，恢復(fù)洞庭湖

對長江洪水的調(diào)蓄作用，G剩恐必遙磕。?br/>作者簡介：張仁，清華大學(xué)教授，三峽工程泥沙專家組專家。（編輯：于翔漢）表1三峽水摩入摩加量交化怯也頊目屏山高場李京灣朱沌北曲奪誰役流量物年前14378781262695700351$1所2OO31509514106266654133391蠲0年筋2.4€0.530.1231€1.424.612.?20.360.W雄128^2金沙江上不同建庫方案成三峽水庫琳積的帶響次庫運用時間前累做積量”浙街恰段⑴1 情況⑵情況⑶2061.0049354943?0&?10C57065104011130_ 830。$030501331510537950060150.50】2泌10^40701(5成14&60124.00801初5160.00341.01tooHICO1695016830表3不同年份哉麒楠激荻量單位=104lrf運行期（年）|引航道口門區(qū)1-3233,110.533-4236.839,543?5480,7117.555-64110314665-76122.917.9三峽M正食，水包：（〉豐；-<m)預(yù)倚宜昌*.位（■>139M073200JS.037^-37.7IM20094000MS37^38.0173M12*000放。J9.3-J9.4

（注：全包方案無地下廠房，本實驗有地下廠房）圖2200年3月至2004年10月三峽工程壩前河段深泓變化圖3宜是站枯水期水位流量關(guān)系曲線耄6三峽術(shù)摩出庫祀此計利賣就值比較