三峡工程变动回水区泥沙淤积的试验研究(1)程(2)

　　三峡工程的重点论证方案为一级开发、一次建成、分期蓄水和连续移民的建设方案。在长模型中重点论证的有3种库水位运行方案（见表2）。各方案能否成立的关键，在于三峡水库按3种水位方案长期运行时变动回水区河段的泥沙淤积情况。

　　表2　长模型论证方案基本参数

　　注：（1）方案ⅲ为方案ⅰ初期运行方案，仅运行10年，其后按方案ⅰ运行，但在试验中运行了30年。

　　（2）尾门水位由长江科学院一维数模计算提供。

　　tab.2 control parameters for at different selections

　　三峡水库蓄水后，变动回水区河道水位沿程抬高，流速普遍减小，河道的输沙能力随之降低。变动回水区河道的宽浅河段（往往是浅滩所在地）在蓄水前汛期是淤积的，汛后冲刷走沙，但蓄水后水库蓄水缩短了汛后冲刷时间，汛期淤积的泥沙在汛末不能全部冲走，变动回水区河段发生累积性淤积。泥沙淤积的数量与三峡水库水位运行方案和运行时间有关。各方案在变动回水区河段内泥沙淤积数量见表3。可见，三峡水岸按175m方案运行80年，变动回本区河段共淤积7.68亿m3；按180m方案运行80年共淤积9.76亿m3，增加2.08亿m3的淤积量。三峡水库按156m低水位运行时，30年共淤积4.36亿m3。各水位方案变动回水区河段的淤形态基率一致，差别在于淤积数量不同。各蓄水水位方案的变动回水区河段的泥沙冲淤规律如下：

　　（1）三峡水库不论按何种水位运行，变动回水区均发生累积性淤积，淤积速率随水库运

　　用年限的增长而减缓，并在淤积过程中河道向单一、规顺、微弯和高滩深槽发展，并最终达到新的平衡。从图2的重庆河段在三峡水库按175m水位方案运行80年后的主要淤积部位图可见，主槽淤积较少，而边滩及回水沱或副汊则淤积较多。

　　（2）变动回水区淤积数量的分布与河床平面形态密切相关，宽浅河段（包括分汊河段）淤积较多，而窄深峡谷段淤积少。如三峡水库按175m水位运行80年，铜锣峡、明月峡和黄草峡每公里的淤积量仅为邻近宽浅段的8％～30％，其原因是汛期的累积性淤积主要发生在宽浅河段上。

　　表3 各水位运行方案变动回水区淤积汇总

　　注：（1）方案ⅰ和方案ⅱ长江段为红花碛至黄草峡，方案ⅲ为铜锣峡至牛屎碛；

　　（2）嘉陵江段为入汇口至滋器口；

　　（3）重庆河段为李家沱至铜锣峡。

　　tab.3 summary of deposition quantities on varying backwater zone at different elevation selections

　　图2 重庆河段淤积形态（175m方案，80年）

　　fig.2 sketch deposition pattern on chongqing reach（hre 175m，80 years）

　　（3）淤沙粒径沿程分布的总趋势是上游河段粒径粗.越向下游粒径越细。最粗的卵石主要淤积在变动区的上端。因此，变动回水区河段的水力分选作用明显。变动回水区上端淤积相对较少，而下端淤积较多，主槽淤积较少，而边滩淤积较多。以175m水位方案为例，在7.68亿m3的总淤积量中，30％淤积在主槽中，70％淤在边滩。

　　（4）随着泥沙的累积性淤积，变动回水区原卵石河床逐渐为泥沙覆盖，河床糙率随之降低，水面比降也随之减小。以175m水位方案为例，建库前寸滩流量30400m3/s时，重庆至长寿河段的水面平均比降为2.0×10-4，水库运用30年、50年和80年后，其水面计算比降分别为建库前的69.0％、61.5％和61.0％；水库运用80年后，重庆以上河段的河床糙率系数相当于建库前的85％，重庆以下河段为75％。

　　（5）细泥沙在变动回水区河段中的造床作用不可忽略。淤沙的粒径分析表明，各种颗粒的泥沙都参与了变动回水区的累积性淤积。以175m水位方案为例，在7.65亿m3的全部淤沙中，小于0.05mm的细沙为2.46亿m3，占总量的32.0％。在180m水位运行80年的试验中，细泥沙占更大的比例，在9.76亿m3的总淤积量中小于0.05mm的细沙为5.37亿m3，占55％。这说明，三峡水库运行水位越高，越不能忽视细泥沙的造床作用。

　　4 各水位方案对变动回水区河段航运的影响

　　三峡水库建成后，万吨级船队能否到达重庆九龙坡码头，也是三峡工程蓄水水位方案需要论证的问题之一。试验表明，三峡水库按175m水位方案运用80年后，在水库消落期3.5m水深的最小航宽不小于150m，航道曲率半径一般均大于1000m，水流流速也较建库前大幅度降低，一般均小于2.5m/s。特别是窄深河段，如铜锣峡、明月峡和黄草峡，建库前的急流状况大大缓解，寸滩流量30400m3/s时，流速均小于2.5m/s。九龙坡码头位于变动回水区中段，九龙坡以下河道形成了一条比较稳定的深水航道，基本上满足万吨船队对航道尺寸的要求。试验过程中也发现，个别浅滩段（如洛碛）在个别枯水年的水位消落后期，3.5m水深航道宽度最小仅80m，需疏浚扩宽。某些浅滩段如九龙坡、金沙碛、金川碛的主航道在水库运用过程中发生倒槽，新航槽中的一些礁石需事先清除，以策航行安全。按180m水位方案运行80年后，九龙坡以下航道3.5m水深的最小航宽均在300m以上，航道曲率半径均大于1100m，水流流速一般均小于2.5m/s，其航道条件较175m水位方案优越，完全满足万吨船队到达重庆九龙坡码头的要求。

　　175m方案和180m方案都存在较严重的码头边滩淤积问题，除佛耳岩港和长寿港外，几乎所有重庆港码头、厂矿专用码头以及地方码头的前沿均出现大片边滩，将严重影响码头作业。例如在175m水位方案中，九龙坡码头前沿出现了宽约50～100m边滩（滩面高程约170～175m），原九龙坡码头作业区被淤废需要新建。由于嘉陵江入汇口的主流左摆，重庆朝天门港区嘉陵江沿岸1＃～4＃码头出现大片三角形边滩（最大宽度达300m，高程约170m），原码头作业区基本被淤废亦需重建。

　　5 175m水位方案的重庆洪水位

　　三峡水库长期运用后，重庆市洪水位抬高值是由一维数学模型提供的。考虑到数值中变动回水区河段糙率不易确定，加之，河道淤积数量及淤积部位对洪水位影响较大，数模成果宜在长模型中进行验证。长模型在复演重庆1981年大洪水时（寸滩流量85700m3/s），水位最大误差为0.22m，模型沙又严格遵守了各项相似比尺要求，特别是级配相似。河床淤积后，动床阻力也能满足相似要求，因此，用长模型预报三峡水库长期运用后重庆市洪水位，具有较高的精度。

　　由于变动回水区的下端位于长寿，模型尾门放在长寿并按一维数模的计算水位控制，并在175m方案80年淤积地形基础上进行水库运用100年的淤积试验。在100年淤积地形上分别观测了洪水频率为1％、5％和20％（洪水流量分别为88700、75300和61400m3/s）的沿江水位，相应频率的重庆洪水位分别为200.85m、197.65m和194.04m。相应频率建库前重庆洪水位分别为194.30、190.18和185.90m，即分别抬高6.55、7.47和8.14m。考虑到长模型试验的精度，洪水位的误差为±0.5m。

　　数学模型计算的重庆1％频率洪水位为199.09m，比长模型试验的结果偏低1.76m，5％频率洪水位偏低1.51m，20％频率洪水位偏低1.43m。数学模型所采用的长寿以上河道的综合糙率系数比长模型实际值偏小约8％～10％。为检验糙率对水位计算值的影响，在数学模型上进行了糙率敏感性分析［5］。结果表明，增、减糙率10％对常年回水区的水位和淤积量影响很小，而对变动回水区的影响较大。当糙率值增大10％时，百年一遇的重庆洪水位为201.21m，与长模型的预报上限值201.39m很接近。

　　6 结 语

　　（1）建立三峡工程变动回水区长泥沙模型不仅是必要的，也是完全可能的。只要认真把握住全沙模型相似律的基本点，就可以较好地复演近200km河道中水流和泥沙的运动规律及河床的冲淤变化，从而为全面研究长河段泥沙问题提供新的手段。

　　（2）长江中各种粒径的泥沙均参与变动回水区的累积性淤积，在长河段上道行全沙试验能较好地反映河床淤积形态，从而能较好地明确泥沙淤积对变动回水区航运的影响。

　　（3）三峡工程不论何种水位运行方案，其变动回水区将发生累积性淤积，其淤积速率随着水库运用年限的增长而减缓，并最终达到新的平衡。在淤积发展的过程中，河道向单一、规顺、微弯、高滩、深槽演变。

　　（4）在变动回水区中淤积沿程分布的总趋势，是愈往上游淤积越少，但在靠近回水末端一段是粗沙卵石淤积区，淤积比较严重。在横向分布上，总的情况是边滩淤得多、主槽淤得少，但在发生倒槽河段原主槽将发生严重淤积。淤沙粒径的分布规律是上游粗、下游细，细颗粒主要淤在高滩上。

　　（5）随青河床的淤积，水位不断升高，但因淤沙覆盖原沙卵石河床的程度增大，河床糙率减小，水面比降也随之减小。蓄水位愈高，淤积量愈大，水位壅高愈多，水面比降亦愈小。

　　（6）蓄水位175m方案运用80年变动回水区河床接近平衡，运用100年基本平衡，长江九龙坡以下形成一条较好的航道，基本满足万吨级船队直达重庆九龙坡码头的要求，但现有沿江大部分码头将受到严重影响。对港口淤积造成碍航的问题应通过优化水库调度、港口改造、航道整治和疏浚等措施加以解决。

　　（7）蓄水位175m方案运用100年后发生百年一退洪水时，重庆水位约为200.85±0.5m，较建库前抬高约6～7m。

　　（8）在改善航道条件方面，180m方案优于175m方案，在长江九龙坡以下可形成一条良好航道，完全满足万吨级船队直达九龙坡码头的要求，且大大增加万吨级船队驶抵九龙坡的天数。但由于在180m方案中增加的淤积量都是小于0.04mm的细颗粒，使边滩淤高，对现有沿江码头的影响较175m方案更为严重，需要结合港口改造和整治来解决。

　　（9）在175m方案中前期按低水位156m运行，其前10年长江铜锣峡以下航道较建库前有一定改善。如果运用30年，则某些关键河段的航道条件已接近建库前的严重情况。因此，低水位运行阶段不宜太长。

　　参考文献

　　1窦国仁，万声淦，陆长石.长江江津至涪陵河段水沙条件和河床演变分析.南京：南京水利科学研究院，1989

　　2 窦国仁，全沙河工模型试验的研究. 科学道报，1981；（14）

　　3 窦国仁，紊流力学，北京：人民教育出版社，1987

　　4 garde bj，raju kgr. resistance relationship fro alluvial channel flow .j of the proc of the am soc of civ eng .hydraulic division ，hy4 ，1966；（6）

　　5长江科学院. 三峡工程水库泥沙淤积计算敏感性分析（长江三峡工程泥沙研究文集）.水利电力部科学技术司，长江科学院，北京：中国科学技术出版社，1990：56-72

　　investigation on sedimentation in varying

　　backwater zone of three gorges project

　　abstract

　　a long river model，whose total length is about 800m，is used to simulate the varing backwater zone of the three gorges project，covering 200km long of natural river reaches of the yangtze river and jialing river.the model is designed based of the total load similarity theory developed by first author.verification tests show that the model has a basic similarity agreement with the prototype in the aspects of resistance characteristic，flow condition and laws governing scouring and deposition.by using this model，a series of tests with norma1 reservoir elevations at 175m，180m，and 156m with reservoir operation of 80 years and 30 years have been conducted to study the laws governing scouring and deposition in the varying backwater zone，the siltation configuration in channels and harbours for the feasibility studies of the three gorges project.

　　key words：varying backwater zone，total sediment transport model，siltation，fluvial equilibrium

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