三峽水庫場次洪水排沙規律及影響因素

高宇 任實 王海 呂超楠 趙汗青 張成瀟

摘要：水庫泥沙淤積導致庫容損失，影響水庫綜合效益發揮，研究水庫排沙規律及影響因素對于改善水庫淤積狀況具有重要意義。根據2003—2021年朱沱、北碚、武隆、寸灘等水文站實測數據，合理劃分三峽水庫場次洪水過程，分析其排沙規律，并重點研究壩前水位、入出庫輸沙率、洪水滯留時間等因素對排沙的影響。結果表明：三峽水庫場次洪水過程的劃分采用統一的定量標準并考慮洪峰沙峰異步傳播的影響更加合理;水庫排沙主要集中在汛期場次洪水，各年汛期場次洪水排沙總量平均占全年的67.0%;場次洪水排沙比與壩前水位成反比、與入出庫輸沙率成正比，但相關性均小于與其成反比的洪水滯留時間，且當入庫平均流量大于30 000 m3/s或壩前平均水位低于150 m時，排沙比與各因素之間的相關性均有所提升。研究成果可為優化三峽水庫運行方式、減少水庫泥沙淤積等提供重要參考。

關鍵詞：排沙比;場次洪水;洪峰沙峰異步;洪水滯留時間;三峽水庫

中圖分類號：TV147??文獻標志碼：A??文章編號：1001-6791（2024）01-0112-11

隨著人類對水資源利用需求的不斷加大，越來越多的水庫在全球范圍內建成運用，發揮著防洪、發電、灌溉、航運等功能［1］。然而，水庫蓄水導致壩前水位抬高、流速減緩，水流中挾帶的泥沙易于落淤，造成水庫面臨泥沙淤塞、庫容損失等問題［2-4］，嚴重時還會影響水庫發電、航運等效益的發揮［5-6］。因此，如何減少水庫淤積成為國內外學者廣泛關注的問題，水庫調度排沙是減少水庫淤積、延長水庫使用壽命的重要手段，研究水庫排沙規律及影響因素具有重要意義。

國外一般采用攔沙率來反映水庫攔沙效果，如Sisinggih等［7］、Jothiprakash等［8］分別探討了Sengguruh水庫、Gobindsagar水庫的攔沙率變化;而國內一般采用排沙比來反映水庫排沙效果，如朱玲玲等［9］、張倩倩等［10］分別探討了溪洛渡水庫、三峽水庫的排沙比變化。雖然攔沙率與排沙比概念不同，但均能表征水庫的淤積程度，對于同一座水庫，攔沙率與排沙比之和為1，且不同研究普遍認為攔沙率或排沙比主要與進出庫流量、水庫庫容及壩前水位等相關。三峽工程作為治理和開發長江的關鍵性骨干工程，泥沙問題一直以來都深受關注［11-12］。三峽水庫蓄水運行以來，汛期入庫沙量占全年的比例達到了90%以上［13-14］，且汛期來沙又進一步集中于短歷時的洪水過程［15-16］，故諸多學者選擇以汛期的短歷時洪水過程為研究對象來深入探究三峽水庫的排沙規律。王玉璇等［17］選取了三峽水庫2003—2018年25場次洪水過程，董占地等［18］統計了三峽水庫2004—2012年汛期月度排沙比，黃仁勇等［19］選取了三峽水庫2003—2011年34場次洪水過程，普遍認為三峽水庫排沙主要與進出庫水沙條件、壩前水位、河道形態等因素有關，且各因素之間存在交互效應，共同影響水庫排沙。然而，上述研究對于三峽水庫汛期場次洪水過程的選取多由人為主觀判斷，經驗性較強，導致不同研究選取的場次洪水過程存在較大差異［17，19］，且三峽水庫蓄水后，庫區內場次洪水過程洪峰沙峰異步傳播的特性顯著［13，20］，已有研究缺乏對這一因素的考慮，故當前對三峽水庫汛期場次洪水排沙規律的認識仍有待于深入探討，亟需采用統一的方法來劃分場次洪水過程。

本文根據實測水文泥沙數據，考慮場次洪水洪峰沙峰異步傳播的影響，采用定量標準劃分三峽水庫汛期場次洪水過程，重點分析場次洪水的水庫排沙特性，探討場次洪水排沙比與進出庫水沙條件、水庫運行條件等之間的關系。研究成果可為三峽水庫進一步增加調度靈活性、改善庫區泥沙淤積狀況、優化水庫調度運行方式等提供重要參考，對于保障三峽水庫綜合效益發揮具有重要意義。

1 研究區域及資料

三峽大壩位于長江上游與中游分界處的宜昌市，水庫跨湖北、重慶兩省市，控制流域面積約100萬km2。三峽水庫水文站點分布如圖1所示，江津至涪陵河段為變動回水區，長約173 km，涪陵至大壩河段為常年回水區，長約487 km。北碚水文站、武隆水文站則分別是庫區主要入匯支流嘉陵江、烏江的控制站。

本文收集了三峽水庫蓄水運行以來2003—2021年朱沱、北碚、武隆、寸灘水文站的實測日均流量、懸移質含沙量數據來反映三峽水庫的入庫水沙過程;采用2003—2021年茅坪水位站的實測日均水位數據反映壩前水位變化過程;采用2003—2021年黃陵廟水文站的實測日均流量、懸移質含沙量數據反映出庫水沙過程，各站點分布見圖1。

2 三峽水庫蓄水以來場次洪水劃分

三峽水庫蓄水運行以來，入庫泥沙在汛期場次洪水過程集中輸移的特征顯著，且三峽庫區洪峰沙峰異步傳播的特性更加明顯。為了準確反映出三峽水庫場次洪水排沙規律，本文采用統一的定量標準來劃分蓄水以來的場次洪水過程?；谝延邢嚓P研究方法［21-23］，采用超定量取樣法篩選洪水峰值，對峰值獨立性進行判別，并對場次洪水的起止時間進行判定，該方法能夠準確地選取場次洪水過程，并有效減少洪水特征分析中的不確定性。在此基礎上考慮洪峰沙峰異步傳播的影響，進一步確定場次洪水的入出庫水沙過程。此外，考慮到長江上游干支流水文站洪水疊加存在時間不同步的問題，僅選取長江干流代表水文站更能反映三峽水庫的入庫洪水過程［15-16，24］，且烏江武隆站的入庫徑流占比不大［25］，故本文主要選取寸灘站的流量過程來反映三峽水庫汛期場次洪水的入庫洪水過程，入庫沙量則采用朱沱、北碚、武隆3站輸沙量之和（下同）。三峽水庫場次洪水劃分的步驟如下。

2.1 場次洪水峰值的確定

場次洪水峰值的確定采用超定量取樣法，即從實測日均流量序列中提取超過某一閾值的樣本作為洪峰流量。閾值取所有樣本的某一百分位數Lk，即k%的樣本小于或等于閾值Lk，對于場次洪水洪峰流量閾值取k=90。由于洪峰閾值的確定會很大程度影響洪峰樣本的選擇，本文在此基礎上進一步采用經驗值來篩選洪峰，主要考慮寸灘站洪峰流量超過30 000 m3/s的水沙過程［16］。因此，場次洪水峰值的確定除需滿足寸灘站流量大于閾值Lk外，還需滿足寸灘站流量大于30 000 m3/s。

2.2 峰值獨立性的判別

由于樣本數據的波動，存在多個連續峰值同屬于一個獨立峰值過程的情況。因此，需要對場次洪水峰值進行獨立性判別，以篩選得到各個獨立的峰值。峰值獨立性判別的標準包括2個峰值之間的時間間隔限制與2個峰值之間的最小值限制，如圖2及式（1）—式（2）所示。

Δtw>Δt（1）

Qmin<0.75min（Qp，Q′p）（2）

式中：Δtw為2個峰值流量的間隔時間，d;Δt為標準間隔時間，d;Qmin為2個峰值流量區間的最小流量，m3/s;Qp和Q′p分別為2個連續洪峰的峰值流量，m3/s。根據寸灘站多年來的實測洪水過程，選定Δt為7 d。

2.3 場次洪水起止時間的確定

場次洪水過程的起止時間由洪峰時間向外延伸得到，延伸標準包括起止時間到洪峰時間的間隔限制與起止時間值相對洪峰值的大小限制。對于洪峰過程的選取如圖2所示，場次洪水起止時間需滿足下式。

Qb≤0.5Qp（3）

Qe≤0.5Qp（4）

TQp-TQb≤1.5Δt（5）

TQe-TQp≤1.5Δt（6）

式中：Qb、Qe和Qp分別為場次洪水起始流量、結束流量和洪峰流量，m3/s;TQb、TQe和TQp分別為對應的場次洪水起始時間、結束時間和峰值時間。

時間間隔一般要求不超過一定天數，即偏向于靠近峰值時間;而起止時間值要求不超過峰值某一比例，即偏向于遠離峰值時間。當峰值大小限制在時間間隔限制以外時，取時間間隔限制所在時間點;當峰值大小限制在時間間隔限制以內時，取峰值大小限制所在時間點;當2個獨立峰值過程的起止時間范圍部分重疊時，以2個洪峰之間的最小值作為分割點。

2.4 洪峰沙峰異步傳播的影響

三峽水庫蓄水運行后，庫區水位抬高導致洪峰傳播時間減少，而沙峰輸移時間則由于水流速度減緩而增加，導致沙峰從寸灘站輸移至壩址的時間滯后于洪峰，且不同洪峰流量及壩前水位下的滯后時間也不相同［13，20］。張地繼等［26］采用數學模型對從寸灘到壩址的洪峰沙峰傳播時間進行了模擬，本文在此基礎上計算各場次洪水的洪峰沙峰傳播時間，并對場次洪水的出庫水沙過程進行延長，其中，為保證場次洪水排沙比計算的合理性，在統計出庫沙量時對起止時間均進行相應順延。2003—2021年三峽水庫共劃分得到55場次入庫洪水，考慮洪峰沙峰異步傳播影響前后的場次洪水入、出庫沙量年內占比關系如圖3所示?？紤]洪峰沙峰異步傳播的影響后，三峽水庫場次洪水入、出庫沙量年內占比的相關性有所提高，相關系數由0.671增加至0.731，且均大于7日高洪水期［15］入、出庫沙量年內占比的相關系數0.157。對于三峽水庫場次洪水過程，雖然受到水庫調度等影響，出庫沙量往往會小于入庫沙量，但兩者之間仍存在一定的相關性，即當入庫沙量較大時，出庫沙量也會較大。由此可見，考慮三峽庫區洪峰沙峰異步傳播的影響后，劃分得到的場次洪水過程在反映三峽水庫場次洪水的排沙規律上相對略優。

3 三峽水庫場次洪水排沙規律

三峽水庫汛期場次洪水排沙情況統計如表1所示，各場次洪水排沙比變化波動較大，變化范圍為0.2%～84.0%?？紤]到三峽水庫在圍堰發電期控制庫水位為135～139 m，2006年10月進入初期運行期，2008年汛后開始175 m試驗性蓄水，金沙江下游向家壩水電站于2012年蓄水運行，導致入庫沙量大幅減少［25］，對三峽水庫場次洪水排沙均產生一定影響，故分別統計了2003—2006年、2007—2012年、2013—2021年三峽水庫汛期場次洪水的排沙比均值，依次為41.7%、17.1%、18.7%。三峽水庫圍堰發電期汛期場次洪水平均排沙比達到了40%以上，而后隨著水庫分期蓄水進程的逐步推進，汛期入庫水沙條件及水庫運行條件等發生變化，場次洪水的水庫排沙能力有所降低，排沙比均值降至了20%以下，且2012年以后并未隨著入庫沙量的大幅減小而出現明顯變化。

進一步統計了各年汛期場次洪水期間累計排沙的情況，如圖4所示，2003年、2004年、2005年汛期場次洪水的累計排沙比均達到了40%以上，2007—2021年汛期場次洪水累計排沙比均在30%以下。其中，各年汛期場次洪水的出庫沙量占全年出庫沙量的比例平均達到了67.0%，2018年最大達到了94.7%，表明三峽水庫排沙主要集中在汛期場次洪水過程。在金沙江下游梯級水庫蓄水攔沙導致三峽入庫沙量大幅減少的情況下，雖然2013年、2018年、2020年由于來水較大，出現了入庫沙量明顯增大的情況，汛期場次洪水來沙量遠高于2013—2021年的均值7 611.1萬t，但是在2013年、2018年、2020年汛期開展沙峰排沙調度的作用下，汛期場次洪水的累計排沙比分別達到了28.4%、28.1%、24.5%，遠高于2013—2021年各年汛期場次洪水累計排沙比的均值18.4%。由此表明，三峽水庫汛期沙峰排沙調度對于增大水庫排沙比具有一定效果，有效降低了水庫泥沙淤積的風險，有利于水庫的長期使用。

4 三峽水庫場次洪水排沙影響因素

4.1 壩前水位與場次洪水排沙比的關系

壩前水位變化會改變庫區的水流流態，進而改變水庫泥沙運動條件，影響水庫排沙。三峽水庫蓄水運行以來，依次經歷了圍堰發電期、初期運行期、175 m蓄水運行期等不同階段，汛期場次洪水壩前平均水位逐步抬高，排沙比也相應發生變化。圖5給出了三峽水庫汛期場次洪水排沙比與壩前平均水位的變化關系，隨著壩前平均水位的抬高，三峽水庫排沙比總體呈現出減小的趨勢。三峽水庫圍堰發電期，在場次洪水壩前平均水位相近的情況下，排沙比變化波動范圍仍較大，說明排沙比并非僅受壩前水位的影響，而是受到多因素的綜合作用。2003—2006年共有10場次洪水過程，其中，4場次洪水過程排沙比在30%以下，均值為22.6%，平均入庫流量僅為22 900 m3/s，其余6場次洪水過程排沙比在30%以上，均值為54.5%，平均入庫流量為30 300 m3/s，說明入庫流量等因素對排沙比也有較大影響。此外，三峽水庫在圍堰發電期基本不承擔防洪任務，由于區間支流入匯，出庫流量普遍大于入庫流量，有利于水庫排沙，這也是圍堰發電期水庫排沙比較大的原因。三峽水庫進入初期運行期和175 m蓄水運行期后，汛期承擔了防洪任務，2007—2021年場次洪水期間壩前水位均值達到了153.72 m，較圍堰發電期抬升了約18 m，2006年以后場次洪水排沙比均值僅為17.9%。

為了進一步研究三峽水庫壩前水位對場次洪水排沙比的影響，圖6給出了不同入庫平均流量（寸灘站，Qin）下壩前平均水位與排沙比的關系。按照30 000 m3/s劃分入庫流量級后，Qin>30 000 m3/s的場次洪水壩前平均水位與排沙比的相關性大幅提高，相關系數達到了0.780;而Qin<30 000 m3/s的場次洪水則略有下降。綜合來看，三峽水庫汛期場次洪水排沙比總體隨著壩前水位的抬升而呈下降趨勢，且當Qin>30 000 m3/s時，壩前水位與排沙比的相關性更高。

4.2 入、出庫輸沙率與場次洪水排沙比的關系

水庫排沙比是反映出庫沙量與入庫沙量比值的參數，沙量的大小取決于流量以及含沙量的大小，對單一場次洪水而言，應綜合分析流量與含沙量對排沙比的影響，故分別統計了三峽水庫汛期場次洪水入庫平均輸沙率（寸灘站）、出庫平均輸沙率與排沙比的關系，如圖7所示。三峽水庫汛期場次洪水的入、出庫平均輸沙率與排沙比之間均呈現出一定的正相關關系，且出庫平均輸沙率與排沙比的相關性顯著大于入庫平均輸沙率，說明三峽水庫汛期場次洪水入、出庫輸沙率的增加均有利于水庫排沙，且出庫輸沙率的增加對于提高水庫排沙能力的作用更強。分析認為主要是寸灘站距壩址較遠，且區間存在支流入匯等因素影響，導致入庫輸沙率對水庫排沙的影響較出庫輸沙率弱。

考慮到在不同壩前水位下入、出庫輸沙率對三峽水庫排沙比的影響會有所區別，且三峽水庫在圍堰發電期、初期運行期的汛期調洪能力有限，壩前水位不高，故本文以壩前平均水位150 m為界來劃分汛期場次洪水過程，探究不同運行水位條件下入、出庫輸沙率對水庫排沙比的影響，如圖8所示。當壩前平均水位L<150 m時，三峽水庫汛期場次洪水入、出庫平均輸沙率與排沙比的相關性均有所提高，而當L>150 m時，入、出庫輸沙率與排沙比的相關性均有所減小。圍堰發電期和初期運行期，三峽水庫汛期基本不進行攔蓄或攔蓄量很小，壩前水位偏低，此時入、出庫輸沙率對水庫排沙比的影響較強，相關性有所提高;175 m蓄水運行后，三峽水庫會對一定量級的洪水進行調蓄，壩前水位有所抬升，且入庫流量越大，壩前水位抬升越高，此時入、出庫輸沙率對水庫排沙比的影響受到削弱，相關性減小。

壩前水位與入、出庫輸沙率對三峽水庫場次洪水排沙比均有一定的趨勢性影響，且在劃分不同流量級或不同壩前水位后，二者與排沙比的相關性均出現了增大的情況，說明壩前水位與入、出庫輸沙率之間相互影響。由于水庫排沙比與壩前水位成反比，而與出庫輸沙率成正比，根據庫容關系曲線可得到水庫庫容（V），故本文引入了洪水滯留時間（V/Qout，其中Qout為出庫流量）來研究壩前水位與出庫流量對場次洪水排沙比的影響，如圖9所示。洪水滯留時間與場次洪水排沙比的相關性較單獨考慮壩前水位或入、出庫輸沙率時均有顯著提高，相關系數達到了0.810，說明二者的綜合作用對場次洪水排沙比具有重要影響。因此，今后在汛期發生洪水期間，可根據庫區排沙需求，結合三峽水庫壩前水位來調節出庫流量，以此來控制洪水滯留時間大小，為三峽水庫的排沙優化調度提供重要參考。當洪水滯留時間越小時，洪水沙峰過程越快排出水庫，場次洪水排沙比就越大;隨著洪水滯留時間增加，場次洪水排沙比逐漸降低，且降低的速率逐步趨緩。

基于前文劃分不同流量或水位的分析，本節討論不同入庫平均流量或不同壩前平均水位下洪水滯留時間與場次洪水排沙比的關系，如圖10所示。當Qin>30 000 m3/s或L<150 m時，對應的洪水滯留時間較小，相關性有所提高，表明當洪水滯留時間較小時，場次洪水排沙比受洪水滯留時間的影響更大。此外，場次洪水L在150 m上下時，洪水滯留時間存在著相同的變化范圍，主要區間為7～8 d。但是，在洪水滯留時間相同時，L>150 m的場次洪水排沙比更大，這主要是由于其出庫平均流量較大，導致在L較高的情況下，場次洪水排沙比仍高于L<150 m的情況，同時也印證了三峽水庫場次洪水排沙比受到壩前水位與入、出庫輸沙率等多因素的綜合影響。

5 結? 論

本文選取了2003—2021年三峽水庫蓄水以來的入、出庫水文泥沙數據為研究對象，綜合考慮庫區洪峰沙峰異步傳播對水庫排沙的影響，分析了水庫汛期55場次洪水的排沙規律，并重點探討了壩前水位、入出庫輸沙率、洪水滯留時間等對場次洪水排沙的影響。主要結論如下：

（1） 三峽水庫場次洪水劃分在采用統一的定量標準基礎上，進一步考慮洪峰沙峰異步傳播的影響，能夠更好地反映水庫汛期場次洪水的排沙規律。受到多重因素的綜合影響，2003—2021年場次洪水排沙比變化復雜，變化范圍為0.2%～84.0%。

（2） 三峽水庫排沙主要集中在汛期場次洪水過程，各年汛期場次洪水期間排沙總量平均占全年排沙的67.0%。三峽水庫圍堰發電期，場次洪水排沙比均值在40%以上，而進入初期運行期及175 m蓄水運行期后，排沙比均值下降至20%以下。當三峽水庫開展汛期沙峰排沙調度時，場次洪水排沙效果提升顯著。

（3） 三峽水庫場次洪水排沙比分別與壩前水位成反比、與入出庫輸沙率成正比關系，且當入庫平均流量大于30 000 m3/s時，壩前水位與排沙比的相關性得到明顯提高;當壩前平均水位小于150 m時，入出庫輸沙率與排沙比的相關性也有明顯提高。

（4） 采用洪水滯留時間反映壩前水位與出庫流量對排沙比的綜合影響，場次洪水排沙比與其成反比關系，相關性也更好，且當洪水滯留時間較小時，兩者之間的相關性進一步提升。

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Sediment delivery regularity and its influencing factors during flood events in the Three Gorges Reservoir

Abstract：Reservoir sedimentation leads to a loss of storage capacity，thereby affecting the ability of a reservoir to fulfil its designated purpose.Accordingly，it is important to investigate the regularity of sediment delivery to constrain reservoir sedimentation.On the basis of data recorded at Zhutuo，Beibei，Wulong，Cuntan，and other hydrological stations between 2003 and 2021，individual flood events in the Three Gorges Reservoir （TGR） were identified.The regularity of sediment delivery during each flood event was then analyzed.The impacts of factors such as the water level in front of the dam，the rate of sediment transport into and out of the reservoir，and flood detention time on sediment delivery during flood events were investigated.The results indicate that it is more reasonable to classify the flood events in the TGR by considering the asynchronous propagation of flood and sediment peaks on the basis of a unified quantitative standard.Sediment delivery in the TGR occurred mainly during flood events，accounting for 67.0% of the annual sediment delivery volume.The sediment delivery ratio （SDR） during the flood events was inversely proportional to the water level in front of the dam and proportional to the sediment transport rate into and out of the reservoir.However，the correlations were weaker than that between the SDR and flood detention time，whereby the SDR was inversely proportional to the flood detention time.The correlations between the SDR and other factors were strongest during flood events when the average inflow was greater than 30 000 m3/s or the average water level in front of the dam was less than 150 m.This study provides an important reference for optimizing the operation of the TGR and reducing sediment deposition.

Key words：sediment delivery ratio;flood events;asynchronies of flood and sediment peaks;flood detention time;Three Gorges Reservoir