Research on the Sedimentation Characteristics in the Three Gorges Reservoir Area

Wang LI, Bo ZU, Jia-wen LI

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节水灌溉
China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (8) : 18-22.

Research on the Sedimentation Characteristics in the Three Gorges Reservoir Area

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For the sediment siltation problem after the operation of Three Gorges， the sediment siltation characteristics of Three Gorges Reservoir Area are analyzed based on the measured data， and the flocculation effect of sediment under the hydrodynamics of Three Gorges Reservoir Area is simulated based on the indoor test. The results show that since the operation of Three Gorges Reservoir， the sediment inflow and outflow are in the trend of oscillating decrease， and the total siltation amount is increasing year by year； the annual average discharge ratio of Three Gorges Reservoir is 21.0%， and the overall decrease in the discharge ratio is influenced by many factors； the sediment siltation in the subsidence zone of Three Gorges Reservoir Area is influenced by the slope and elevation， the smaller the slope， the larger the sediment siltation amount， and the higher the elevation， the smaller the siltation amount. In the indoor test， it is clear that under the corresponding hydrodynamic conditions in the Three Gorges Reservoir Area， the sediment in the reservoir area can flocculate and settle rapidly in a short time， and the change of hydrodynamic conditions has a great influence on the flocculation and settlement of sediment particles in the Three Gorges Reservoir Area.

Key words

Three Gorges Reservoir Area / sediment / siltation / hydro-fluctuation belt / flocculation

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Wang LI , Bo ZU , Jia-wen LI. Research on the Sedimentation Characteristics in the Three Gorges Reservoir Area. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(8): 18-22
我国作为一个水利大国，研究兴建了大量水利水电工程，这些大型工程在抗洪、灌溉、供水以及发电、航运等方面发挥了巨大的经济效益。三峡工程作为一个世界级的水利工程，是治理开发亚洲第一长河——长江的骨干性工程，自2003年6月开始蓄水发电至今，稳定运行了十余年，带来了巨大的综合效益。首先其巨大的防洪库容能够有效控制洪水，自运行以来每年洪水期都能拦蓄数十亿立方米的洪水，大大减轻了下游的防洪压力，确保中下游耕地和人民的生命财产安全，其水力发电也能明显缓解我国的电力紧张问题，替代部分燃煤类化石发电，使得大气中二氧化碳、二氧化硫含量下降；另外，由于水深加大、流速减低，航运条件明显改善，也为发展库区航运提供了条件［1］。
大量资料表明，无论是大型、中型还是小型水库，亦或河流含沙量高与低，只要水库开始蓄水，就会毫无疑问的发生泥沙淤积问题［2］。我国无论是已建成的或在建的水库也都遇到了不同程度的泥沙淤积问题，长期的淤积会导致有效库容减少，影响河口地区的地形地貌，甚至会堵塞航道，严重影响行船通航，如三峡库区“忠州三弯”之一的皇华城，泥沙大量淤积左侧的航道，吨位较大的船基本已无法通航［3］。
我国水电开发虽然起步较晚，但发展势头迅猛，建立了一系列诸如三峡、向家坝、溪洛渡、拉西瓦等特大型水利工程。因此，进一步研究库区泥沙的淤积特性，对于水库的合理有效调度运行，港口航道的维护，继续做好水电开发，优化能源结构，加快能源转型具有重要的意义。

1 三峡库区泥沙输移概况

根据长江泥沙公报2003-2019统计资料，基于输沙率法［5］，求得历年的淤积量及泥沙排沙比，表1展示了自2003年三峡蓄水以来历年的泥沙入库量、出库量、淤积量及排沙比，入库沙量未考虑区间入汇。
Tab.1 Sediment migration since impoundment in the Three Gorges Reservoir area

表1 三峡库区蓄水以来泥沙迁移量

年份 入库泥沙量/亿t 出库泥沙量/亿t 淤积量/亿t 排沙比/%
2003（6-12月） 2.080 0.840 1.240 40.4
2004 1.660 0.640 1.018 38.6
2005 2.540 1.030 1.510 40.6
2006 1.120 0.089 0.932 7.9
2007 2.204 0.509 1.695 23.1
2008 2.178 0.322 1.856 14.8
2009 1.830 0.360 1.470 19.7
2010 2.288 0.328 1.960 14.3
2011 1.016 0.069 0.950 6.8
2012 2.190 0.453 1.737 20.7
2013 1.268 0.328 0.940 25.9
2014 0.554 0.105 0.449 19.0
2015 0.320 0.043 0.278 13.3
2016 0.422 0.088 0.334 20.9
2017 0.344 0.032 0.312 9.4
2018 1.430 0.388 1.042 27.1
2019 0.685 0.094 0.591 13.7
均值 1.419 0.336 1.077 21.0

2 泥沙淤积特征

2.1 库区淤积量及排沙比

图1展示了2003年以来三峡库区泥沙量的逐年变化过程。从图1中可以看出，在2003年至2012年十年间，除2006年和2011年上游来沙量较小外，入库泥沙量基本稳定在1.6~2.5 亿t这个区间内，并有缓慢下降的趋势。从2012年开始，入库泥沙量呈断崖式下跌，在2015年达到最低点0.32 亿t，仅为2005年入库泥沙量的13%。这一方面是由于长江上游各省市近年来逐渐开始重视水土保持工作，流域治理率逐年提高，目前基本已实现全流域治理覆盖，水土流失得到了有效遏制，水土流失强度明显降低，土壤侵蚀量减少了60%以上［7］。另一方面，三峡上游兴建了数座大型水库，如向家坝水电站2013年7月起开始满负荷运行，溪洛渡水电站2014年6月起全部机组也都投入运行状态，这些兴建的水电站拦沙效果明显，使得三峡入库泥沙量逐年减小［9］。2018年，受上游来沙和水库调度等影响，入库泥沙量有较大增长，但仍比常年平均值少8%左右。
Fig.1 The annual variation process of sediment

图1 泥沙量逐年变化过程

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另外，三峡水库的运行使得水位抬高，水流流速变缓，改变了原河道的结构和冲淤性质，泥沙淤积量对入库泥沙量的占比呈增大的趋势［11］。虽然近几年来沙量有较大幅度的回落，但泥沙沉降淤积情况严重，这使得经三峡大坝下泄出库的江水含沙量大幅减少，导致“清水下泄”，长江下游河床经不断冲刷，河床加深，水位降低，使得枯水期出现部分河床高过江水的情况。

2.2 库区排沙比

图2展示了2003年以来三峡库区排沙比及坝前水位的变化过程。排沙比是反映水库排沙程度的量化指标，排沙比越低代表水库淤积程度越大［12］，由图2可知，三峡库区排沙比总体呈下降趋势。三峡库区蓄水以来历经了多个阶段，坝前水位由2003年的135.8 m增加到2016年的175 m，随着库区水位的抬高，水流流速减缓，水流挟沙力减弱，泥沙多沉降淤积，使得排沙比减小。如2006年坝前水位抬升至144 m后，排沙比直接降至7.9%，仅为前一年的19.6%。排沙比还与来水来沙情况，库区地形，河道特性有关［13］。黄仁勇等［14］以三峡水库运用后实测汛期场次洪水的排沙比资料为基础，采用逐步回归法确定了影响排沙比的主要因素为流量和库容。张欧阳［15］等对洞庭湖水沙变化特征进行了分析，认为排沙比受进口输沙量的影响最大。王随继［16］等提出黄河流域的气候变化和水土保持措施会对黄河下游汛期输沙效率和排沙比造成一定影响，但影响效果有限。另外，刘尚武［17］等采用水文学法对三峡水库区间入库输沙量进行了估算，发现随着上游来沙减少，区间入汇占比近年来有所增大，故三峡水库的区间来沙量不应忽视。
Fig.2 Annual variation process of sand row ratio and water level in front of dam

图2 排沙比与坝前水位逐年变化过程

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2.3 消落带坡度、高程与泥沙的淤积

消落带是河流、湖泊、水库特有的一种现象，是水陆生态系统交替控制的过渡性的带状区域，对于河流湖泊来说，它的形成主要是由于季节性的水位涨落，而对于水库来说，其形成主要是由于水库的周期性蓄水或泄洪造成水位升降而导致。消落带一般按照坡度分为崖岸（＞75°）、陡坡岸（25°~75°）、滩坡岸（15°~25°）、台岸（＜15°），三峡库区的消落带多为坡度较缓的台岸和滩坡岸。根据河流的形态和走向，于2018年7月在长寿和忠县区域选取数个有代表性的断面进行沉积物采样，记录坡度、高程。
图3展示了三峡库区消落带区域坡度与淤积量的关系，可以明显看出泥沙主要淤积在台岸和滩坡岸区域，且单位面积泥沙淤积量随坡度的增加呈下降趋势。对于三峡库区而言，其台岸和滩坡岸较多且连续性较高，水流流速稳定且流速较低，泥沙容易沉降淤积；而坡度较大的崖岸和陡坡岸一方面数量低，另一方面密度小，且呈零星分布，水流容易在此造成冲刷，使得泥沙较难淤积。
Fig.3 Relationship between slope and deposition

图3 坡度与淤积量的关系

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高程和沉积物沉积之间的相互关系之前没有被研究过，因为大多数研究是在丘陵坡地进行的，而很少有在沿岸地带进行的研究。图4可以看出，随高程的增加，淤积量呈逐渐减少的趋势。考虑是由于淹没时间的原因，对于高程较高的地区而言，年淹没时间通常较少，无法获得足够的泥沙来源，故淤积量较少。如忠县163 m高程消落带年淹没时间仅有不到3个月，单位面积淤积量只有126 kg，而141 m高程的年淹没时间有近十个月，淤积量为683 kg，为前者的五倍多。这说明三峡库区消落带泥沙淤积量与其高程有很大关系。
Fig.4 Relationship between elevation and deposition

图4 高程与淤积量的关系

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3 水动力条件与泥沙的絮凝及沉降淤积

一般来说，泥沙絮凝及淤积受多种因素影响，如水动力条件，环境介质条件及泥沙自身特性影响［18］。但对于三峡库区来说，其产生絮凝淤积的重要原因之一是库区蓄水后水动力条件改变，水体流速减缓，导致大量泥沙落淤。
目前针对三峡库区泥沙絮凝研究采用的装置都较为简单，设定的流体剪切率都较大，未能反映三峡库区较低流体剪切率下絮团的发育效果［19］。通过采用自研的各向同性均匀紊流沉降装置（图5）来产生低紊动剪切率的水流，模拟三峡库区水流紊动状态下泥沙的絮凝效果。
Fig.5 Isotropic uniform turbulent flow device

图5 各向同性均匀紊流装置

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沉降柱高度2 m，沉降柱内径0.3 m，壁厚1 cm，由有机玻璃制成，柱内有7层振动格栅，格栅相邻间距H=25 cm，每个格栅中相邻栅孔距离M=5 cm，与上方电机相连，通过垂向振动能够产生较为稳定均匀紊流场，下部设有絮体分离室，侧边设粒子观测装置，由相机和电脑组成，可以实时观测分离室中泥沙絮体的运动情况，结合激光粒度（岛津SALD-3101）分析其粒径组成变化。
试验所用泥沙采集自忠县地区河底表层10 cm泥沙，泥沙样品粒度如图6，试验中将调配好的泥沙悬浊液注入沉降柱，泥沙浓度控制在三峡库区多年平均含沙量区间内，打开振动装置，调整振动频率以改变紊动剪切率，通过观测装置及激光粒度仪观测及记录其粒径变化情况。
Fig.6 Particle size of sediment samples

图6 泥沙样品粒度

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图7展示了在室内试验中，不同紊动剪切率下三峡库区泥沙的絮体的发育效果及絮体特征粒径的变化情况。可以看出，三峡库区泥沙在低紊动剪切率下可以产生非常明显的絮凝沉降现象，在3.84 s-1到19.94 s-1紊动强度区间内，随着紊动剪切率的增大，三峡库区泥沙能够快速发育形成较大絮团，粒径较大的絮体（＞96 μm）占比逐渐增大，此时水流紊动作用对泥沙絮凝起促进作用，絮团发育被强化，当剪切率为19.94 s-1时，大粒径絮体占比最大，特征粒径也达到了最高值。随着紊动剪切率的进一步上升，水流紊动作用对絮团的破坏作用开始显现，部分絮团无法承受增大的水流紊动，泥沙絮凝效果开始降低，特征粒径减小。紊动剪切作用对黏性泥沙絮凝的影响本质上是泥沙颗粒在水流紊动作用下由于微观作用力引起的颗粒聚合，它是碰撞—聚合—破碎—碰撞的动态循环过程，当聚合与破碎达到平衡时视作絮凝过程完成［20］。当剪切率较小时，剪切对絮凝的促进作用大于破坏作用，剪切率的增大引起的促进絮团发育作用强于破坏絮团的作用，絮团发育被强化，这时存在一个临界剪切率，处于临界剪切率时，颗粒的聚合作用达到最强，破碎作用最弱，此时能够形成较多的粒径较大的絮体［21］。当流体剪切率超过临界剪切率时，剪切率对絮体的破坏作用逐渐占主导地位，剪切率值的增大引起的破坏絮团的作用强于促进絮团发育的作用，粒径较大而又结构松散的絮体在强水流的作用下发生破碎、分裂。经过一段时间，当聚合-破碎达到平衡时，视作絮凝过程达到稳定，水体中颗粒粒径分布不再随时间发生较大的变化［22］。但对于三峡库区来说，其蓄水后库区流速减缓，水流紊动强度一直处于较低的区间内，使得水流紊动对泥沙絮凝沉降的促进作用加强，导致泥沙不断落淤在库区中，加重了库区的淤积情况。
Fig.7 The development effect of silt floc and the variation of its characteristic particle size under different turbulent shear rates

图7 不同紊动剪切率下泥沙絮体的发育效果及絮体特征粒径的变化

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4 结 论

本文分析了三峡库区运行以来十余年的泥沙淤积特征，并基于室内试验模拟了低紊动剪切作用下泥沙的絮凝效果，得出以下结论。
（1）三峡水库运行以来，泥沙入库及出库量呈震荡下降的趋势，淤积总量逐年上升。至2019年，泥沙入库总量达24.129 亿t，出库总量5.718 亿t，累积淤积量18.314 亿t。
（2）三峡水库年均排沙比为21.0%，库区排沙比总体呈下降趋势，与坝前水位，来水来沙情况，库区地形，河道特性有关。
（3）三峡库区的消落带泥沙淤积受坡度影响，坡度越小的地区泥沙淤积量越大，这与陡坡易受冲刷有关。消落带高程与淤积呈负相关关系，考虑原因是由于高程越高，淹没时间越短，导致无法获得足够的泥沙来源，故淤积量较少。
（4）三峡库区泥沙在低紊动剪切下可以产生非常明显的絮凝现象；紊动剪切对于泥沙颗粒的絮凝有较强的控制作用，大粒径絮体占比随紊动剪切率的增大，呈先增大后减小的趋势，当剪切率为19.94 s-1时，大粒径絮体占比及特征粒径Df ，95最大。明确了在库区蓄水后水动力条件的改变也是造成库区泥沙淤积的重要原因之一。

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