摘要：本文利用一維不平衡輸沙及不恆定流數學模型，針對三峽水庫1～130年的各種淤積狀態， 研究 了壩前水位降低2m沖沙所引起的水庫泄水和充水的不恆定流。文中首先給出了三峽水庫1～130年淤積的 計算 結果。淤積成果與前人的研究成果基本一致。在此基礎上分別給出了不同淤積年份中,壩前水位降低2m沖沙和恢復正常水位需要的時間、排水量、下泄洪水過程、水庫沿岸水位變幅以及對三峽發電水頭的 影響 。研究表明三峽采鵲低水位沖沙的方案是可行的。由於小幅度降低水位沖沙可以縮小沖沙設施的規模及減少工程投資和技術上的困難，該方案具有明顯的優點。
關鍵詞：三峽工程 引航道 泥沙淤積 動水沖沙
1前言
三峽工程上引航道的泥沙淤積在水庫運行30年後將逐步加劇，到50年以後，最大年淤積量將超過200萬m3[1]，而且，由於泥沙淤積主要集中在汛期大洪水的時候，大水大沙年高強度淤積將是機械挖泥所難以勝任的。因此，三峽工程引航道應考慮布置有效的沖沙設施，以確保通航條件的滿足。
葛洲壩的長期運行經驗證明，採取「靜水通航，動水沖沙」的策略解決通航與泥沙淤積的矛盾是正確的。葛洲壩在大江和三江引航道都布置了相當規模的沖沙閘，大江航道的泄洪沖沙流量為15000m3/s,三江航道的沖沙流量為8000m3/s[2]。這一規模的沖沙設施不但保證了上下游引航道的暢通，而且也為葛洲壩增加了可觀的泄洪能力。「靜水通航，動水沖沙」的原則對三峽引航道也是適用的。但是，三峽和葛洲壩工程的規模和條件相差較大。葛洲壩工程汛期水頭僅20m左右，而三峽工程的水頭約80m。由於水頭大，三峽工程沖沙閘（隧洞）設計在處理高速水流 問題 方面的困難更大。而且，如果在隧洞兩側開鑿沖沙隧洞，對高邊坡穩定是否會有不利影響，還有不同看法。何況這類沖沙設施的造價高而且在前期利用率低，投資積壓嚴重。另一方面，三峽工程又具有葛洲壩所不具備的優勢。三峽下游水位處於葛洲壩水庫的控制範圍內，三峽引航道沖沙時可以臨時要求葛洲壩降低庫水位而增加其下游引航道的沖沙能力；三峽水庫的壩前水位汛期一般為145m，上引航道水深較小，可以採用比葛洲壩工程更小的流量沖沙。通過 分析 對比葛洲壩的實際沖沙情況，清華大學曾提出了三峽工程小流量沖沙的建議[3，4]，認為三峽引航道的沖沙流量可以控制在4000m3/s以內。後來，又提出了臨時小幅度降低三峽庫水位沖沙的方案[5]，可望將沖沙流量的規模進一步降低到3000 m3/s左右。三峽工程汛期存在大量的棄水，通過超泄流量降低水位沖沙在原理上是可行的。而且，降低水位沖沙的方案屬於非措施。對於三峽這樣的高水頭樞紐，節約沖沙流量，減小沖沙設施的規模，無論在 經濟 技術上，還是在安全等方面都具有重要的意義。
然而三峽水庫的回水範圍長達600多公里，降低壩前水位需要排泄大量的水體，如果水庫的反饋過程太慢，導致沖沙過程持續時間太長，則可能對通航和發電都造成較大的影響。壩前水位降低對水庫下游附加的洪水、上游重要碼頭的運行以及對發電的影響等也值得分析研究。這些問題對降低水位沖沙方案的能否成立具有重要的影響。
本文基於一維不平衡輸沙和不恆定水流數學模型計算了三峽建庫後130年內的淤積情況和不同年份水庫在小幅度降低水位運用中產生的不恆定流動。隨著水庫淤積的 發展 ，後期以很少的棄水就可以達到要求的壩前水位降低值，這時，壩前水位降低2m僅僅需要幾個小時的時間，棄水量小於2(後期)～5(前期)億m3。降低水位沖沙對航運，下游防洪、發電及庫區港口作業影響都不大。特別是當50年以後，水庫淤積接近平衡，降低水位2m時相應的棄水量僅1.2～1.5億m3，降低壩前水位非常快。因此，採用降低水位沖沙方案是可行的；而且，考慮到這一方案可以縮小沖沙設施的規模，減少工程投資和技術上的困難，所以它也是可取的。
2三峽水為的淤積
三峽水庫的泥沙淤積對水流狀態，特別是對不同運行條件下的回水曲線影響很大。為了正確計算小幅度降低壩前水位所需要的棄水量和時間，必須首先計算水庫的淤積情況。
關於三峽水庫的泥沙淤積， 中國水電 科學 研究院[6]和長江科學院[7]先後進行了長期的研究，為三峽工程做出了重要的貢獻。為了便於詳細分析，作者對三峽工程175-145-155水位方案1～130年的淤積情況又進行了計算。在計算中 應用 了新近建立的側向積分懸移質輸移數學模型[8]，根據包括嘉陵江和烏江在內大約100個水庫河道斷面資料和與 文獻[6]，[7]相同的水沙系列資料，並採用文獻[6]提供的30000m3/s流量條件下的天然糙率和水庫淤積平衡的糙率資料。有關計算的詳細情況，作者將另文報道。
圖1給出了水庫運用130年總淤積量的變化情況，泥沙淤積強度在50年附近出現轉折。前50年，水庫淤積主要體現為三角洲和主槽淤積，淤積強度比較大，平均年淤積量達2.75億m3；後期泥沙的淤積主要體現為淤灘沖槽的發展趨勢，這時，年泥沙淤積強度僅0.32億m3。圖1中同時給出了長科院［7］的計算結果，本計算第130年淤積總量是163.45億m3，長科院100年時的淤積量是166.56億m3，二者基本接近。由圖1可見，130年後水庫的邊灘淤積可能還要持續一定的時間，由於汛後和消落期壩前水位高於145m時邊灘可能發生淤積，淤積總量也還可能有所增加。作者的計算模型可以近似模擬斷面形態 （但不能給出各斷面的相對位置），故計算結果（圖2）可展現高灘深槽的形態，這在清華大學壩區實體模型試驗中是明顯反映出的 規律［9］。圖3是水庫淤積過程中的深泓高程及1%洪水位的分布情況。
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關鍵詞：三峽工程 引航道 泥沙淤積 動水沖沙
1前言
三峽工程上引航道的泥沙淤積在水庫運行30年後將逐步加劇，到50年以後，最大年淤積量將超過200萬m3[1]，而且，由於泥沙淤積主要集中在汛期大洪水的時候，大水大沙年高強度淤積將是機械挖泥所難以勝任的。因此，三峽工程引航道應考慮布置有效的沖沙設施，以確保通航條件的滿足。
葛洲壩的長期運行經驗證明，採取「靜水通航，動水沖沙」的策略解決通航與泥沙淤積的矛盾是正確的。葛洲壩在大江和三江引航道都布置了相當規模的沖沙閘，大江航道的泄洪沖沙流量為15000m3/s,三江航道的沖沙流量為8000m3/s[2]。這一規模的沖沙設施不但保證了上下游引航道的暢通，而且也為葛洲壩增加了可觀的泄洪能力。「靜水通航，動水沖沙」的原則對三峽引航道也是適用的。但是，三峽和葛洲壩工程的規模和條件相差較大。葛洲壩工程汛期水頭僅20m左右，而三峽工程的水頭約80m。由於水頭大，三峽工程沖沙閘（隧洞）設計在處理高速水流 問題 方面的困難更大。而且，如果在隧洞兩側開鑿沖沙隧洞，對高邊坡穩定是否會有不利影響，還有不同看法。何況這類沖沙設施的造價高而且在前期利用率低，投資積壓嚴重。另一方面，三峽工程又具有葛洲壩所不具備的優勢。三峽下游水位處於葛洲壩水庫的控制範圍內，三峽引航道沖沙時可以臨時要求葛洲壩降低庫水位而增加其下游引航道的沖沙能力；三峽水庫的壩前水位汛期一般為145m，上引航道水深較小，可以採用比葛洲壩工程更小的流量沖沙。通過 分析 對比葛洲壩的實際沖沙情況，清華大學曾提出了三峽工程小流量沖沙的建議[3，4]，認為三峽引航道的沖沙流量可以控制在4000m3/s以內。後來，又提出了臨時小幅度降低三峽庫水位沖沙的方案[5]，可望將沖沙流量的規模進一步降低到3000 m3/s左右。三峽工程汛期存在大量的棄水，通過超泄流量降低水位沖沙在原理上是可行的。而且，降低水位沖沙的方案屬於非措施。對於三峽這樣的高水頭樞紐，節約沖沙流量，減小沖沙設施的規模，無論在 經濟 技術上，還是在安全等方面都具有重要的意義。
然而三峽水庫的回水範圍長達600多公里，降低壩前水位需要排泄大量的水體，如果水庫的反饋過程太慢，導致沖沙過程持續時間太長，則可能對通航和發電都造成較大的影響。壩前水位降低對水庫下游附加的洪水、上游重要碼頭的運行以及對發電的影響等也值得分析研究。這些問題對降低水位沖沙方案的能否成立具有重要的影響。
本文基於一維不平衡輸沙和不恆定水流數學模型計算了三峽建庫後130年內的淤積情況和不同年份水庫在小幅度降低水位運用中產生的不恆定流動。隨著水庫淤積的 發展 ，後期以很少的棄水就可以達到要求的壩前水位降低值，這時，壩前水位降低2m僅僅需要幾個小時的時間，棄水量小於2(後期)～5(前期)億m3。降低水位沖沙對航運，下游防洪、發電及庫區港口作業影響都不大。特別是當50年以後，水庫淤積接近平衡，降低水位2m時相應的棄水量僅1.2～1.5億m3，降低壩前水位非常快。因此，採用降低水位沖沙方案是可行的；而且，考慮到這一方案可以縮小沖沙設施的規模，減少工程投資和技術上的困難，所以它也是可取的。
2三峽水為的淤積
三峽水庫的泥沙淤積對水流狀態，特別是對不同運行條件下的回水曲線影響很大。為了正確計算小幅度降低壩前水位所需要的棄水量和時間，必須首先計算水庫的淤積情況。
關於三峽水庫的泥沙淤積， 中國水電 科學 研究院[6]和長江科學院[7]先後進行了長期的研究，為三峽工程做出了重要的貢獻。為了便於詳細分析，作者對三峽工程175-145-155水位方案1～130年的淤積情況又進行了計算。在計算中 應用 了新近建立的側向積分懸移質輸移數學模型[8]，根據包括嘉陵江和烏江在內大約100個水庫河道斷面資料和與 文獻[6]，[7]相同的水沙系列資料，並採用文獻[6]提供的30000m3/s流量條件下的天然糙率和水庫淤積平衡的糙率資料。有關計算的詳細情況，作者將另文報道。
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圖1三峽水庫130年內長江幹流淤積總量及其與[7]的結果比較 | 圖2三峽水庫壩前太平溪斷面變化過程 |
Accumulated deposition in mainstream of TGP | Deposition processes near dam site |
圖1給出了水庫運用130年總淤積量的變化情況，泥沙淤積強度在50年附近出現轉折。前50年，水庫淤積主要體現為三角洲和主槽淤積，淤積強度比較大，平均年淤積量達2.75億m3；後期泥沙的淤積主要體現為淤灘沖槽的發展趨勢，這時，年泥沙淤積強度僅0.32億m3。圖1中同時給出了長科院［7］的計算結果，本計算第130年淤積總量是163.45億m3，長科院100年時的淤積量是166.56億m3，二者基本接近。由圖1可見，130年後水庫的邊灘淤積可能還要持續一定的時間，由於汛後和消落期壩前水位高於145m時邊灘可能發生淤積，淤積總量也還可能有所增加。作者的計算模型可以近似模擬斷面形態 （但不能給出各斷面的相對位置），故計算結果（圖2）可展現高灘深槽的形態，這在清華大學壩區實體模型試驗中是明顯反映出的 規律［9］。圖3是水庫淤積過程中的深泓高程及1%洪水位的分布情況。
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