《人民长江》特约稿 | 许全喜：2020年三峡水库泥沙淤积特点及原因分析

 作者简介  许全喜 正高级工程师

许全喜（1974-），男，湖北新洲人，曾任长江水利委员会水文局副局长，现任长江水利委员会规划计划局局长，毕业于武汉大学，工学博士，正高级工程师，湖北省新世纪高层次人才工程第二层次人选，湖北省有突出贡献中青年专家。主要研究方向为长江水文泥沙、河道演变、泥沙监测与预报、水库调度、河道崩岸预警等。主持长江水科学研究联合基金、“973”项目课题、国家重点研发计划课题、水利部水利行业公益项目、三峡水库科学调度关键技术研究等30余项。发表论文100余篇，获省部级奖7项，国家发明专利3项，主编和参编专著10部、标准3部。E-mail: [e-mail]

引用格式

许全喜,袁晶.2020年三峡水库泥沙淤积特点及原因分析[J].人民长江,2022,53(5):7-13.

DOI

10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.002

 / 摘 要 / 

2020年汛期，长江上游暴雨洪水频发，三峡水库入库沙量显著增大，年入库沙量达到了1.94亿t。在系统分析长江上游水沙变化特性的基础上，总结提炼了2020年三峡库区泥沙淤积出现的新特点，主要是库区泥沙淤积量较往年明显偏大，同时库尾河段和防洪库容内泥沙淤积明显。铜锣峡以上河段由以往的冲刷变为淤积353万m³,淤积量占三峡库区总淤积量的3%;防洪库容内淤积泥沙2 440万m³,为三峡水库175 m试验性蓄水以来最大值，此外坝前河段淤积强度显著增大。分析原因后认为主要是8月上游嘉陵江、岷江等支流暴雨产沙导致入库沙量偏多与水库拦洪导致坝前水位偏高所致。相关结论可为三峡水库科学调度提供更有力的技术支撑。

 基金项目 

国家自然科学基金联合基金项目(U2040218); 三峡后续工作项目“三峡水库区间支流水沙变化”(21303)

 关键词 

输沙量; 泥沙淤积; 库尾; 防洪库容; 淤积强度; 三峡水库

 编辑 | 郑 毅

0 引 言

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一，直接关系到三峡水库寿命和工程综合效益的发挥，也是三峡水库“安全、健康、高效”运行的必要条件。从三峡工程论证阶段开始，国内外众多专家学者针对三峡水库的泥沙问题开展过大量的研究，取得了十分丰硕的研究成果。韩其为等[1]对中国水库泥沙淤积研究的状况和成果进行了全面的综述，在水库泥沙淤积方面，系统总结了在水库淤积观测资料和分析、水库淤积形态、水库排沙及运行方式以及变动回水区的冲淤、水库淤积数学模型等方面的研究进展，充分肯定了水库泥沙淤积及泥沙调度方面的研究成果。针对三峡水库蓄水运用以来不同阶段的进出库水沙特性、库区泥沙冲淤情况、坝下游水沙变化与河道冲刷特性开展了大量研究，还有些研究较为系统地阐述了三峡水库蓄水运用以来水库泥沙淤积分布和坝下游河床冲刷特点，也提出了需要进一步深入研究的问题[2-7],为掌握了解三峡工程泥沙冲淤变化以及水库的科学调度起到了重要的技术支撑作用。唐小娅等[8]针对汛期库区泥沙淤积特点，分析了三峡入库水沙特性及汛期泥沙淤积特点，利用滞后响应模型探究了汛期泥沙淤积的滞后规律。针对减轻水库泥沙淤积方面，也有很多成果，胡春宏[9]提出了长江三峡水库和黄河小浪底水库等工程运行方式进一步优化的建议；潘庆燊[10]提出了基于三峡水库有效库容长期使用的三峡水库排沙调度的建议，即在水库泥沙淤积达到初步平衡之前，应控制水库有效库容的年损失率小于1 000万m³/a, 以及水库变动回水区上、中段无累积性泥沙淤积。任实等[11]根据实测资料，分析了蓄水以来三峡水库淤积特性，以及在汛期和消落期的减淤措施的实施时机及效果。董炳江等[12]在分析三峡水库洪峰、沙峰传播特性的基础上，针对三峡水库入库洪峰、沙峰传播的时间差异性，提出了“洪峰到来时拦洪削峰，沙峰临近时加大泄量排沙”的沙峰调度策略。上述研究和探索丰富了水库泥沙淤积及泥沙调度方面的研究成果，为更好地保障水利枢纽工程的安全和综合效益的发挥，促进水库泥沙理论与技术的发展提供了科技支撑。

2020年，长江流域发生了新中国成立以来仅次于1954年、1998年的流域性大洪水，特别是在汛期，三峡水库入库沙量大、坝前水位高、滞洪时间长，三峡水库泥沙淤积产生了一些新的变化特点，引起了社会各界的广泛关注。本文在系统分析2020年长江上游水沙变化特性的基础上，总结了三峡库区泥沙淤积的新特点，并从来水来沙变化、库区水位和水库的调度方面对产生这些变化的原因进行了研究。

1 2020年长江上游来水来沙特性

多年来，长江上游径流量变化不大，受水利工程拦沙、降雨时空分布变化、水土保持、河道采砂等因素的综合影响，输沙量减少趋势明显，如表1所列。特别是随着金沙江下游梯级水库的建成运行，长江上游来沙进一步减少。2013～2019年，三峡水库入库控制站(朱沱站+北碚站+武隆站)来沙较2003～2012年均值偏少了65%。在入库沙量减少的同时，相应来沙地区组成也发生了显著变化，金沙江在三峡水库入库泥沙的占比由2003～2012年的57%减小为2013年以来的1.8%。

2020年8月中旬，长江上游发生集中性强降雨，且强降水区位于长江上游主要产沙区(见图1),岷江、沱江、嘉陵江等流域出现了较大输沙过程，三峡水库入库水沙出现显著增大。2020年，三峡水库入库径流量4 733亿m³,较多年和2003～2019年均值分别偏多24%和29%。2020年三峡水库入库悬移质输沙量为1.94亿t, 较多年均值偏少47%,但较2003～2019年和2013～2019年均值分别偏多30%和171%。2020年三峡水库入库泥沙主要来自嘉陵江和岷江，分别为8 920万t和6 630万t, 较2003～2019年均值分别增多220%和167%,分别占入库总沙量的46%和34%(见表1)。此外，2020年朱沱站推移质总量为2.28万t, 较2012～2019年均值(5.69万t)减少了60%;2020年寸滩站推移质总量为4.50万t, 较2003～2019年均值(5.28万t)减少了15%。

2 2020年三峡库区干流淤积变化新特点

通过对实测资料的整理和分析，2020年三峡库区干流淤积主要呈现以下几方面特点：

(1) 三峡库区淤积量较往年明显偏大。从三峡水库175 m试验性蓄水以来库区总淤积量变化来看(见图2),在175 m试验性蓄水初期2008～2013年，库区淤积量较大，年均淤积量为1.353亿m³;2013年以后，受上游水库群蓄水拦沙的影响，三峡入库沙量大幅减少，库区泥沙淤积显著减小，2015年甚至表现为冲刷(含河道采砂影响)。

2020年，受长江上游地区暴雨洪水影响，三峡水库入库沙量剧增，其入库沙量达到1.94亿t, 较2003～2019年和2013～2019年均值分别偏多30%和171%。入库沙量增多导致三峡库区淤积显著，2020年三峡库区干流淤积泥沙1.066亿m³。淤积主要集中在铜锣峡以下至大坝河段，共淤积1.030亿m³,占干流总淤积量的96.7%。

(2) 库尾河段较往年淤积明显。2003年以来，随着三峡水库蓄水运用，回水范围逐渐向上游延伸，奉节至丰都段泥沙淤积占总淤积量的比例逐渐增加，大坝至奉节段泥沙淤积占总淤积量的比例则逐渐减小，库区泥沙淤积逐渐向上游发展，如图3所示。三峡水库175 m试验性蓄水运行以来，受入库沙量大幅减小、河道采砂和水库调度等影响，水库变动回水区总体表现为冲刷，泥沙淤积主要集中在涪陵以下的常年回水区，其中，变动回水区(江津至涪陵段)累计冲刷泥沙0.751亿m³,而常年回水区则淤积泥沙17.937亿m³。

2020年，受上游支流岷江、沱江、嘉陵江来沙增大影响，且汛期坝前调洪水位较高，导致三峡库区库尾河段发生淤积，铜锣峡以上河段河床淤积泥沙353万m³,其中江津至大渡口段、大渡口至铜锣峡段分别淤积255万m³和98万m³,分别占三峡库区总淤积量的2.4%和0.9%(见图3)。

(3) 三峡水库干流防洪库容内淤积量增多，淤积主要集中在涪陵-万县段。2003～2019年，三峡水库干流防洪库容内累计淤积泥沙11 607万m³,自2013年以来，三峡水库防洪库容内整体呈现冲刷态势，年均冲刷量1 156万m³(见图4)。2020年，三峡库区干流防洪库容内淤积泥沙2 440万m³,为三峡水库175 m试验性蓄水以来最大值，占2020年175 m以下总淤积量的23%,且淤积主要集中在涪陵-万县河段。

(4) 三峡水库坝前河段淤积强度明显增大。从三峡库区不同河段年均冲淤强度对比来看(见表2),2020年三峡库区铜锣峡以下河段泥沙淤积分布与往年基本一致，淤积主要集中在坝前段以及丰都至奉节段，分别淤积泥沙1 620万m³和7 180万m³。

从年际间淤积强度变化来看，2020年三峡库区近坝段大坝至庙河段淤积强度最大，达到107.2万m³/(km·a),较2003～2019年均值偏大53%,较2008～2019年均值偏大161%。坝前局部最大淤积强度为342万m³/(km·a),且越靠近坝前越大；其次为丰都至铜锣峡河段，2020年该河段年均淤积强度达到6.6万m³/(km·a),而此河段多年均值不足1万m³/(km·a)。

3 2020年三峡库区泥沙淤积变化原因分析

2020年，三峡库区泥沙淤积量较往年明显偏大，且呈现出库尾河段淤积、防洪库容内淤积量偏大、坝前河段淤积强度增大等新特点，这些均与三峡库区2020年特殊的水沙情势直接相关。

(1) 汛期入库沙量偏大，是库区淤积量较往年明显偏大的主要原因。2020年受长江上游地区暴雨影响，三峡水库入库沙量剧增。汛期6月10日至9月10日入库沙量1.85亿t, 为2012年以来入库沙量最大值(见表3)。2020年汛期入库沙量主要集中在8月份，其入库沙量达到1.41亿t, 占全年入库沙量的72%。且8月份汛期入库沙峰与汛期高水位遭遇，造成库区淤积较大。

(2) 库区水位偏高，高水位持续时间长，导致三峡库区泥沙淤积严重，且库尾河段和防洪库容内淤积较往年明显偏多。2020年8月，长江上游接连形成2020年第4号和第5号洪水，寸滩站洪峰流量分别达到57 600 m³/s和77 400 m³/s。受连续大洪水入库影响，三峡水库水位持续攀升，8月22日坝前水位上升至主汛期最高的167.65 m, 为三峡水库建库以来最高调洪水位。2020年7月坝前平均水位155.83 m, 8月坝前平均水位更是达到160.49 m, 均为2012年以来同期最高月均水位(见表4)。

除库区水位偏高外，高水位持续时间也较长。如表5所列，为2020年三峡库区高水位持续时间统计表。2020年汛期，三峡水库坝前水位在150 m以上天数为62 d, 坝前水位在155 m以上天数为55 d, 坝前水位在160 m以上天数也达到31 d之久，甚至有4 d水位在165 m以上，高水位持续时间远超过历史同期。汛期水位高，高水位持续时间长，导致2020年三峡库区泥沙淤积严重，且库尾河段和防洪库容内淤积较往年明显偏多。

三峡水库有效库容损失与上游来水来沙、水库调度、人类活动等密切相关。上游来水越大、来沙越多，干流防洪库容内泥沙淤积量也相对较大，汛期坝前水位的上浮一定程度也增加了防洪库容内的泥沙淤积，特别是在入库洪峰流量较大，如2012年寸滩站洪峰流量达63 200 m³/s, 坝前最高水位上浮至162.95 m, 防洪库容内泥沙淤积量达855万m³;2020年汛期寸滩站洪峰流量更是达到77 400 m³/s, 坝前最高调洪水位上浮至167.65 m, 防洪库容内泥沙淤积量达到2 443万m³(见表6)。2020年汛期防洪库容内泥沙淤积较明显的大多位于库区重点淤积河段(万县至涪陵河段),防洪库容内淤积变化较大的典型断面见图5。此外，入库沙量较少时，即使坝前最高水位上浮较多，对防洪库容泥沙淤积影响不大，如2014年入库径流量3 820亿m³,汛期最高洪水位达到163.24 m(9月6日),汛期平均水位150.06 m, 同时入库沙量较少，仅为5 544万t, 防洪库容内河床冲刷1 030万m³。

近几年，三峡水库实施了消落期库尾减淤调度，尽可能多地将库尾淤积的泥沙输移至常年回水区，对于减少防洪库容内泥沙淤积是有利的，2012,2013,2015,2019年分别实施了库尾减淤调度，汛前消落期间，重庆主城区河段分别冲刷了302万，330万，251万，139万m³,铜锣峡至涪陵河段分别冲刷了540万，867万，1 237万，141万m³。

(3) 汛期沙峰排沙调度。2020年汛期，在水情预报和泥沙预报的基础上，综合考虑上下游防洪压力，开展了汛期沙峰排沙调度：自8月18日起，三峡水库下泄流量由44 000 m³/s增大至49 000 m³/s; 8月22日坝前最高调洪水位达167.65 m, 后基本维持下泄流量在48 000 m³/s直至25日；之后为减轻长江中下游防洪压力，保障两坝间通航安全，三峡水库下泄流量逐渐减小，27日减小至34 000 m³/s左右。

从2020年汛期库区洪峰沙峰传播过程与坝前水位变化来看(见图6),其中巴东站无流量数据，在沙峰到达清溪场站时(8月20日),坝前水位在160 m左右；当沙峰传播至万县站时(8月22日),坝前水位已涨至167.65 m; 直至沙峰到达坝前(8月26日),坝前水位均在163.56 m以上。可见，在沙峰自清溪场站一直传播至坝前这段时间内，库区水位持续偏高，造成清溪场以下河段泥沙淤积较严重。

从出库含沙量过程来看，黄陵庙站8月26日才出现沙峰(峰值含沙量0.928 kg/m³),8月30日含沙量降至0.5 kg/m³以下，至9月8日排沙过程才完全结束(含沙量小于0.1 kg/m³)。对比三峡水库流量下泄过程(见图7),由于受航运及下游防洪压力的影响，8月25日三峡水库下泄流量由48 000 m³/s开始减小，26日减小至44 000 m³/s, 27日减小至38 000 m³/s, 28日减小至34 000 m³/s, 而这段时间正是沙峰到达坝前的时间，下泄流量减小导致大量含沙水流未能及时排出库外，造成坝前河段淤积严重。

可见，虽然2020年汛期通过沙峰排沙调度一定程度上增大了水库排沙，但是受限于上下游防洪压力，库区内水位仍维持在一个较高水平，尤其是沙峰在库区输移这段时间，库区水位偏高，造成泥沙落淤严重。在沙峰到达坝前时水库下泄流量已经开始减小，造成库区排沙不充分，泥沙在坝前河段落淤。

4 结 论

(1) 2020年，长江上游来水来沙偏多显著。三峡水库入库径流量4 733亿m³,较2003～2019年均值偏丰29%;入库沙量1.94亿t, 较2003～2019和2013～2019年均值分别偏多了30%和171%。泥沙主要来自嘉陵江和岷江，分别占入库总沙量的46%和34%。

(2) 2020年，三峡库区干流累计淤积泥沙10 657万m³,较2008年以来多年均值偏多9%,且库尾河段和防洪库容内淤积占比均较往年显著偏多。铜锣峡以上河段淤积353万m³,占三峡库区总淤积量的3%;防洪库容内淤积泥沙达2 440万m³,为三峡水库175 m试验性蓄水以来最大值，占175 m以下总淤积量的23%。2020年三峡水库坝前河段淤积强度达到107.2万m³/(km·a),较2008～2019年均值偏大161%,越靠近坝前淤积强度越大。

(3) 2020年8月，入库沙峰与高水位遭遇，是造成库区淤积严重的主要原因。2020年三峡水库水位偏高，坝前最高调洪水位达167.65 m, 且高水位持续时间长，坝前水位高于160 m的滞洪时间长达31 d; 同时入库沙量大，2020年汛期三峡水库入库沙量1.85亿t, 其中8月份入库沙量就达到1.41亿t。受限于下游河段防洪压力，汛期开展的沙峰排沙调度不充分，一定程度上也造成坝前河段淤积。

综上，2020年水库泥沙淤积新特点主要是8月三峡水库上游嘉陵江、岷江等支流暴雨产沙导致入库沙量偏多与水库拦洪导致坝前水位偏高所致，建议进一步加强长江上游暴雨产输沙特性以及泥沙实时监测与预报研究，进一步提高泥沙预报精度和预见期，为三峡水库科学调度提供更有力的技术支撑。

文章来源 |《人民长江》2022年第5期