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重点工程

郑守仁:三峡工程175米试验性蓄水运行期的科学调度优化运行试验

2019年04月18日  来源: 长江技术经济杂志

1  概述

三峡工程坝址位于湖北省宜昌市三斗坪,控制流域面积100万km2。枢纽建筑物由大坝及茅坪溪防护坝、电站厂房、船闸及升船机组成(图1)。大坝为混凝土重力坝,轴线全长2 309.5m,坝顶高程185.0m,最大坝高181.0m。泄流坝段位于河床中部,设置泄流深孔和表孔,与排沙孔、排漂孔和厂房机组联合运行,总泄流量达116 000m3/s。茅坪溪防护坝为沥青混凝土心墙土石坝,位于大坝右岸上游1km的茅坪溪出口处。电站厂房采用坝后式,在泄流坝段两侧坝后分设左岸及右岸厂房,分别安装14台及12台水轮发电机组,另在右岸布设地下电站安装6台机组,单机容量均为70万kW;并在左岸厂房与升船机之间的下游布置电源电站地下厂房,安装2台5万kW水轮发电机组,电站总装机容量2 250万kW,年平均发电量882亿kW·h。通航建筑物包括船闸和升船机,均布置在左岸。船闸为双线五级连续船闸,闸室有效尺寸长280m、宽34m、坎上水深5m,可通过万吨级船队,按2030年设计水平年单向通过能力为5 000万t;升船机采用齿轮齿条爬升平衡重式垂直升船机,承船厢有效尺寸长120m、宽18m、水深3.5m,总重15 500t,1次可通过l艘3 000t级客货轮或1 500t级船队。三峡工程大坝按千年一遇洪水流量98 800m3/s设计,设计洪水位175.0m,相应库容393亿m3;按万年一遇洪水流量(113 000m3/s)加大10%的流量124 300m3/s校核,相应校核洪水位180.4m,水库总库容450.4亿m3。汛期防洪限制水位145.0m,防洪库容221.5亿m3

三峡工程为超大型工程,采用“一级开发,一次建成,分期蓄水,连续移民”的建设方案。初步设计分期蓄水分为:围堰挡水发电期、初期运行期和正常运行期。2003年水库蓄水至135.0m水位,进入围堰挡水发电期;2007年蓄水至156.0m水位,进入初期运行期;2009年枢纽工程完建,具备蓄水至正常蓄水位175.0m的条件,仍按初期蓄水位试验性运行。初期156.0m水位运行的历时,要根据库区移民安置情况,库尾泥沙淤积实测观测成果以及重庆港泥沙淤积影响等情况,暂定为6年,即2013年水库蓄水至正常蓄水位175.0m,进入正常运行期。

三峡工程于1993年施工准备,1994年12月开工,1997年11月6日大江截流,导流明渠泄流;1998年开始施工河床左侧大坝和电站厂房,2002年11月6日导流明渠截流,河床右侧上游碾压混凝土围堰与河床左侧已修建的大坝共同挡水,江水从已建大坝泄流孔下泄;2003年6月,蓄水至135.0m水位,7月左岸电站首批机组发电,双线五级连续船闸通航,进入围堰挡水发电期。2004年河床右侧大坝及电站厂房开始施工,2005年左岸电站14台机组全部投产;2006年6月,河床右侧大坝混凝土施工至坝顶高程185.0m,上游碾压混凝土围堰爆破拆除,大坝全线挡水,10月蓄水至156.0m水位,提前一年进入初期运行期。2007年右岸电站7台机组投产,2008年8月,大坝及电站厂房(右岸电站12台机组全部投产)和双线五级连续船闸全部完建,具备蓄水至正常蓄水位175.0m的条件;移民工程县城和集镇迁建完成,移民安置、库区清理、地质灾害防治、水污染防治、生态环境保护、文物保护等专项,经主管部门组织验收,可满足水库蓄水至175.0m的要求。国务院三峡工程建设委员会(以下简称三峡建委)于9月26日批准三峡工程实施175.0m水位试验性蓄水,标志着三峡工程由初期蓄水位156.0m运行转入正常蓄水位175.0m试验性运行。三峡建委确定试验性蓄水遵循“安全、科学、稳妥、渐进”的原则。2008年9月28日开始试验性蓄水,11月5日最高蓄水位达172.80m。2009年9月15日开始试验性蓄水,因长江中下游地区发生旱灾,为支援抗旱,11月24日库水位蓄至171.43m停止蓄水。2010年至2018年汛末试验性蓄水,连续9年蓄水至175m水位运行。

2  试验性蓄水运行期的科学调度优化运行试验

2.1  三峡工程初步设计水库调度运行方式

三峡工程初步设计水库调度运行方式:每年汛期(6月中旬至9月下旬)按防洪限制水位145.0m运用,控制下泄流量55 000m3/s,以满足坝下游荆江河段起始枝城站(距大坝105km)流量不超过56 700m3/s的要求。当发生流量小于55 000m3/s洪水时,按水位145.0m敞泄;当发生流量大于55 000m3/s的洪水,需要对下游防洪调度运用,水库拦蓄洪水,控制下泄流量,因拦蓄洪水将使水位抬升,洪水过后需复降至145.0m,以防下次洪水。汛后10月初开始蓄水,有利于库尾重庆河段走沙,并考虑下游航运要求,蓄水期间最小下泄流量不低于电站保证出力相应的流量,库水位逐步上升至175.0m。枯水期,一般按高水位运行。汛前6月上旬末降至145.0m。上述调度称为“蓄清排浑”运行方式,可保障三峡水库长期使用。汛期的防洪调度以对荆江河段进行防洪补偿的方式,使荆江防洪标准由10年一遇提高至100年一遇,即长江上游发生100年一遇洪水流量83 700m3/s,通过三峡水库调控,可使沙市站(距大坝190km)水位低于44.5m;遭遇100年以上至1 000年一遇洪水,控制枝城站流量不大于80 000m3/s,配合蓄洪区运用,保证荆江河段行洪安全,沙市站水位不超过45.0m,避免两岸干堤溃决发生毁灭性灾害。

2.2  试验性蓄水运用期的优化防洪调度与蓄水调度试验

(1)三峡水库防洪调度兼顾对城陵矶防洪补偿调度

通过对近20年长江上游洪水资料分析,最大洪水为1998年宜昌站洪峰流量63 300m3/s,尚不到10年一遇。三峡工程如遇类似1998年洪水,按对荆江河段防洪补偿调度,水库拦蓄洪量30亿m3,尚有大部分防洪库容未运用,而下游城陵矶(距大坝450km)地区防洪紧张,显然没有充分发挥三峡水库的防洪作用。因此,在三峡工程试验性蓄水运用期间,2009年10月水利部颁发经国务院批准的《三峡水库优化调度方案》,明确三峡水库防洪调度兼顾对城陵矶防洪补偿调度。

(2)汛期中小洪水滞洪调度试验

长江中下游约有30 000km堤防,其中长江干堤约3 900km,均修建在第四纪冲积平原上,堤身土质结合不良,挡高水位时堤内易出现渗漏、堤基出现管涌等险情。汛期河道水位达到警戒水位时,需要耗费大量的人力物力上堤查险。据统计,荆江河段每10年就有3年以上河道水位超过警戒水位,三峡水库利用防洪库容拦蓄55 000m3/s以下的中小洪水,可以减轻长江中下游防洪压力。在2009年汛期,长江防汛抗旱总指挥部应湖北省防汛抗旱总指挥部请求,对8月6日三峡水库最大入库洪峰流量55 000m3/s实施拦洪调度,以减轻荆江河段防洪压力,通过对中小洪水拦洪调度的初步实践,认为根据水文预报资料,在确保防洪安全的前提下,利用三峡水库适度地对中小洪水进行拦蓄是可行的。2010年5月,国家防汛抗旱总指挥部在《关于三峡—葛洲坝水利枢纽2010年汛期调度运用方案的批复》中明确:“当长江上游发生中小洪水,根据实时雨水情和预测预报,在三峡水库尚不需要实施对荆江或城陵矶河段进行防洪补偿调度,且有充分把据保障防洪安全时,三峡水库可以相机进行调洪运用。”鉴于三峡水库洪水组成较复杂,实施中小洪水滞洪调度,超过防洪限制水位的机率增多,增加了防洪风险。因此中小洪水滞洪调度原则为:以不降低三峡工程防洪标准,基本不增加下游防洪压力为前提;以大洪水入库之前将库水位预泄至汛限水位为条件,根据防洪形势、实际来水以及预测预报情况进行相机控制。当三峡水库不需要为荆江和城陵矶进行防洪补偿调度时,可启用中小洪水滞洪调度,并设定了启用条件。2009年至2018年汛期,实施了中小洪水滞洪调度(表1),2012年7月出现最大入库洪峰流量71 200m3/s的大洪水,控制最大泄流量不超过45 000m3/s,沙市水位未超过警戒水位43.0m,减轻了荆江河段和城陵矶地区的防洪压力;同时利用部分洪水资源,增加了发电效益;避免因长时间的大流量泄洪,导致过船闸船舶限航积压造成经济损失,取得了良好的经济社会效益。鉴于中小洪水滞洪调度,每年汛期下泄流量在45 000m3/s以下,可能导致中下游洪水河道萎缩退化,为此采取间隔几年在条件具备情况下,下泄55 000m3/s左右的流量,全面检验荆江河段堤防和河道泄洪能力,防止河道萎缩。

表1  三峡工程175.0m水位试验性蓄水运行水库防洪调度资料汇总表

年份

最大洪峰

(m 3/s)

出现时间

最大下泄

(m 3/s)

最大削峰量(m 3/s)

蓄洪

次数

总蓄洪量

(亿m 3)

6月10日至蓄水前最高调洪水位(m)

备注

2009

55 000

8月6日

39 600

16 300

2

56.5

152.89

 

2010

70 000

7月20日

40 900

30 000

7

264.3

161.02

 

2011

46 500

9月21日

29 100

25 500

5

187.6

153.84

 

2012

71 200

7月24日

45 000

28 200

4

228.4

163.11

 

2013

49 000

7月21日

35 300

14 000

5

118.37

156.04

 

2014

55 000

9月20日

45 000

22 900

10

175.12

164.63

 

2015

39 000

7月1日

31 000

8 000

3

75.42

156.01

 

2016

50 000

7月1日

31 000

19 000

3

97.76

158.50

7月1日至2日,下泄流量由28 000(m3/s 减小至8 000(m3/s

2017

38 000

 

38 000

20 000

 

103.61

157.1

 

2018

60 000

7月14日

43 300

16 700

2

67.3

154.50

 

 

(3)汛末提前蓄水调度试验

宜昌近20年来,9月份月平均流量为23 100m3/s,10月份月平均流量为14 600m3/s,与初步设计相比,分别偏枯11.2%及22.3%。三峡水库为季调节水库,若仍按初步设计规定的汛后10月初开始蓄水,大部分年份水库蓄水位达不到175.0m,严重影响三峡工程发挥综合效益。为此,在2008年试验性蓄水时将蓄水时间提前至汛末9月下旬,起蓄水位145.3m,此后各年蓄水时间提前至9月10日至15日,起蓄水位承接前期防洪调度实际水位,9月底蓄水位162m左右,9月份下泄流量不小于10 000~8 000m3/s;10月份下泄流量不小于8 000~6 500m3/s,10月底或11月初蓄水至水位175.0m。蓄水期间,长江上游发生较大洪水,入库流量超过30 000m3/s,暂停蓄水,按防洪要求调度。三峡水库试验性蓄水运行各年的蓄水情况见表2。

表2  三峡工程175.0m水位试验性蓄水运行期各年蓄水资料汇总表

年份

年径流量

亿m 3

开始蓄水时间及起蓄水位

最高蓄水位及时间

备注

开始蓄水

时间

起蓄水位

9月30日

蓄水位m 

最高蓄

水位m 

时间

2008

4 290

9月28日

145.27

150.23

172.80

11月4日

 

2009

3 881

9月15日

145.87

157.50

171.43

11月24日

因坝下游抗旱供水停止蓄水

2010

4 067

9月10日

160.20

162.84

175.00

10月26日

 

2011

3 395

9月10日

152.24

166.16

175.00

10月30日

 

2012

4 481

9月10日

158.92

169.40

175.00

10月30日

 

2013

3 678

9月10日

156.69

167.02

175.00

11月11日

 

2014

4 380

9月15日

164.63

168.58

175.00

10月31日

 

2015

3 777

9月10日

156.01

166.41

175.00

10月28日

 

2016

4 086

9月10日

145.96

161.97

175.00

11月1日

 

2017

4 214

9月10日

153.50

166.80

175.00

10月21日

 

2018

 

9月10日

152.63

165.93

175.00

10月31日

 

 

(4)实施中小洪水滞洪调度和汛末提高蓄水与减少水库泥沙淤积的措施试验

三峡水库汛期实施中小洪水滞洪调度,库水位抬高致使排沙比降低,水库泥沙淤积量相对增多;水库蓄水提前至汛末9月10日开始蓄水,影响库尾变动回水区河道走(冲)沙,造成该河段泥沙淤积量有所增加。鉴于入库泥沙大量减少,根据实测资料,2003年6月至2017年12月,水库淤积泥沙16.69亿t,年均淤积泥沙1.145亿t,仅为预测成果的35%。2003年至2017年排沙比为23.9%,低于初步设计预测值33.3%。长江水利委员会水文局实测水文资料发现,发生大洪水时,洪峰从寸滩站到达大坝前约12~30h,坝前水位越高传播时间越短;沙峰传播时间则为3~7d。为减少水库泥沙淤积,2012年7月,通过实时监测和预报,在进行洪水削峰调度的同时,利用洪峰与沙峰传播时间的差异,采用“涨水控泄拦蓄削峰,退水加大泄量排沙”的沙峰排沙调度方式进行了首次沙峰排沙调度试验,使7月份的排沙比提高到28%,取得了较好的排沙效果,突破了常规的水库“排浑”运行方式。为解决库尾重庆市主城区河段走沙问题,2012年5月7日至24日和2013年5月13日至20日进行了两次库尾泥沙冲淤试验,库水位分别从161.92m消落至154.50m和从160.16m消落至155.97m,消落幅度分别为7.87m和4.19m,日均降幅分别为0.46m和0.52m,水库回水末端从重庆的大渡口附近(距大坝625km)逐步下移至长寿附近(距大坝535km)。库水位消落期间,库尾河段沿程冲刷。重庆大渡口至涪陵河段(含嘉陵江段长169km)冲刷量分别为241.0万m3和441.3万m3。库尾冲淤调度实践表明,在每年5月结合库水位消落实施库尾冲淤调度,可将库尾河段淤积的泥沙冲至水库水位145.0m以下河槽内,解决了水库提前至汛末蓄水而影响重庆主城区河段走(冲)沙问题,并在汛期实施沙峰排沙调度,为三峡水库“蓄清排浑”运行探索出一条新模式。试验性蓄水运行期间遵循“保证长江防洪安全,控制水库泥沙冲淤、减小生态环境影响”的水库调度运行理念,在确保防洪安全的前提下,利用一部分洪水资料,全面发挥了防洪、发电、航运、供水和生态环境保护等综合效益。

2.3  试验性蓄水运行期间的水资源调度与生态调度试验

(1)水资源调度试验

三峡工程试验性蓄水期间,为应对中下游干流以及洞庭湖和鄱阳湖两湖地区水位下降较快的局面,优先保障中下游地区城乡居民生活用水,统筹考虑生活、生产、生态用水需求。2009年中下游地区出现干旱灾害,为缓解旱情,水库蓄水至171.43m,停止蓄水,加大下泄流量。2011年汛前,长江中下游部分地区遭遇百年一遇的大面积干旱,三峡水库水位已接近枯水期消落水位155.0m,且在入库流量持续偏小情况下,实施了应急抗旱调度,抗旱补水54.7亿m3,日均向下游增加抗旱补水1 500m3/s,为缓解特大旱情发挥了重要作用。每年水库水位消落期,根据中下游地区供水、航运、生态环境以及发电等方面的要求调节下泄流量,按不低于6 000m3/s控制。

(2)生态调度试验

三峡工程于2011年开始针对四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)繁殖的生态调度试验。在四大家鱼繁殖期间的5月下旬至6月中旬,大坝下游河道水温达到18℃以上。结合汛前腾空库容的需要,根据上游来水情况,利用调度形成1~2次持续时间10d左右的涨水过程,将宜昌站流量11 000m3/s作为起始流量,在6d内增加8 000m3/s,最终达到19 000m3/s,水位平均日涨幅不低于0.4m。2011~2018年共开展了12次生态调度试验,监测结果表明,对四大家鱼的繁殖产生了促进作用,使得其在调度期间的产卵量显着增加,坝下游宜都、沙市、监利河段总卵苗数为47.235亿粒,产生了良好的生态效应。

三峡工程在2014年2月21日至3月3日实施对长江口“压咸潮”调度,日均出库流量由6 000m3/s增加至7 000m3/s,累计增加下泄水量10.07亿m3,在一定程度上压制了长江口咸潮上溯的严重影响,同时缓解了长江中下游地区的缺水情况。

3  结语

三峡工程2003年6月投运以来,尤其是2008年汛末实施正常蓄水位175m试验性蓄水运行,已经连续9年175m水位的运行检验,各项监测资料表明:三峡枢纽各建筑物变形、渗流、应力应变测值均在设计允许范围内,各建筑物性态正常,安全可靠。电站水轮发电机组及机电设备在各种水头工况进行了相应稳定性和相对效率等试验,全部机组及配套机电设备完成了145~175m运行水头范围内的按设计要求完成的试验项目,经受了全电站满出力(2250MW)运行考核,试验和运行表明,水轮发电机组运行安全稳定,能量、空蚀和电气等性能良好,主要性能指标达到或优于合同要求。库区滑坡、崩塌等地质灾害经过治理,并建立了监测预报预警,做到了科学防治,取得了良好的减灾防灾效果;库区各级政府重视生态环境保护,干流及一级支流水质良好,稳定在Ⅱ~Ⅲ类。

当前,三峡工程以及长江上游干支流已形成梯级水库群,并在进一步建设中,这为最大限度地利用长江水资源奠定了基础。对长江流域水资源进行科学调控,最大限度减轻长江流域洪旱灾害,改善生态环境和充分利用水资源,对保障我国水安全,支撑长江经济带可持续发展和实现中华民族伟大复兴的“中国梦”具有重要的作用,建立完善统一的调度机制,加强三峡水库与长江中上游干支流水库群调节库容联合运用、科学调度,实现三峡工程效益最大化。

三峡工程175m水位试验性蓄水运行结束转入正常运行期后,仍应进一步研究科学调度优化运行方案,全面地发挥三峡工程的综合效益,为我国经济社会发展作更大贡献。要加强各建筑物的安全监测,认真分析监测资料,以检验各建筑物设计,为保障工程安全运行提供可靠的技术支撑。对各建筑物及金属结构和机电设备应加强检查维修保护工作,防止老化失效,延长工程使用寿命,使三峡工程长期使用。三峡工程规模巨大、效益显着,“利”多“弊”少。对于三峡工程运行中出现的问题,都要认真负责地逐个研究治理,三峡工程运行对上下游带来的生态环境问题要认真负责地逐个研究,并进行及时治理以防患于未然,将三峡工程的“利”拓展到最大,而“弊”控制到最小,使工程长治久安,全面发挥综合效益,成为千秋万代造福长江流域人民的工程,促进长江经济带和流域经济社会的持续发展。确保三峡水库和长江水质优良,给子孙后代留下一条生态环境优良、清洁美丽的长江。

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