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张云昌:三峡工程的八个大科学问题

更新时间:2022-09-17 23:52:07
作者: 张云昌 (进入专栏)  

   中央领导同志在审议《三峡工程整体竣工验收报告》时指出:三峡工程是彪炳千秋的伟大工程。要坚持长江经济带共抓大保护、不搞大开发,构建三峡工程安全运行长效机制,最大程度发挥工程综合效益。要继续做好长江流域防洪、水库群联合调度、三峡库区及中下游影响区生态修复和环境保护等重大问题研究。要落实三峡移民后期扶持政策,做好发展生产的帮扶工作,加快实施乡村振兴战略,推动库区高质量发展。

   李国英部长在听取三峡司工作汇报时要求:要着眼“大时空、大系统、大担当、大安全”,强化三峡工程自身安全以及防洪、供水、生态等功能安全管理。

   中央领导同志的指示和李国英部长的讲话要求,为我们做好三峡工作指明了方向。经过几代人的努力,建设了一流的工程,现在接力棒传到我们手中,我们要深思厉行,把管理运行工作做好,最大程度发挥工程综合效益,使三峡工程成为全球水工程管理运行的典范。

   三峡工程是世界上最大的水利水电工程,放大效应使其有利和不利的方面都被放大,因此具有巨大的科研价值,可以说三峡工程是水科学研究的富矿。

   管理运行好三峡工程需要科技赋能。三峡工程科学问题具有如下特点:一是表现明显。三峡工程经过十八年的运行,其主要影响已经表现出来;二是数据全面。按照三峡工程论证的要求,国家建设了全球最大的三峡工程监测系统,从1996年开始运行,至今已连续运行26年,积累了海量数据;三是影响广泛深远。三峡工程对长江流域有重大影响,因此三峡科学问题的解决也将产生深远影响;四是处在科技前沿。三峡工程的一些重大科学问题都是当前水利科技的前沿问题;五是原理性问题和应用性问题相交织。三峡工程科学问题的解决需要对一些原理性问题进行研究;六是示范性强。如果三峡重大科研问题取得突破,将会极大提高我国水科学研究水平,产生巨大的示范效应。

   下面我们对三峡工程面临的新的科学问题做简单分析。

  

   一、三峡工程安全运行和智慧三峡工程建设问题

  

   总结三峡工程十八年的运行管理经验,我们提出现代水工程管理的基本理念“风险管理、精细调度、永续利用”。

   风险管理:要全面分析评价水工程运行的常规风险和非常规风险。常规风险主要是水工程自身安全和水生态环境损害;非常规风险主要是极端条件、人为失误、恐怖活动、工程老化、运行方式改变及移民等因素造成的公共安全损害。要采取工程措施和非工程措施,确保工程本体安全,减小生态环境损害和公共安全损失。

   精细调度:调度是实现水工程功能的基本手段,调度同样还是保证水工程运行安全、拓展水工程功能和效益的手段。调度得当,甚至还能延长水工程的使用寿命。精细调度的含义是以水文、生态环境这两项预测预报为基础,一年四季精心组织并实施调度。精细调度要求把防洪、发电、航运、调沙、中下游补水、梯级联合、生态等多种调度结合起来,一年四季精心安排。

   永续利用:水工程寿命问题是一个值得思考的问题。四川都江堰、广西灵渠运行了2000多年,依然表现优异。关于混凝土寿命,中国工程院院士陆佑楣说,从第一锹混凝土到现在,没有听说过突然崩坏的问题。这就是说混凝土寿命仍然是一个未知数。基于这样的理由,我们认为水工程的永续利用是一个可以研究也应该研究的问题,一个好的水工程应与自然融为一体,成为自然的一部分,永续利用。

   要按照李国英部长关于三峡工作的讲话精神,推进孪生大坝和孪生水库建设,加快建设智慧三峡,进一步提高三峡工程运行管理水平。

   三峡枢纽运行安全目前存在五个方面的隐患或者说是薄弱环节:一是大型发电机组长期稳定运行;二是船闸升船机长期稳定运行;三是危险品过闸;四是三峡副坝安全;五是网络安全。要继续提升大坝安全在线监测、机电设备设施安全在线监测水平,开展机电设备设施快速检修、危险品过闸保障、网络安全保障等技术攻关,确保安全管理万无一失。

  

   二、三峡水库及上下游水工程联合调度问题

  

   三峡水库及上下游水工程联合调度问题是长江防洪这个老问题的深入,而不是简单对老问题的回归和重复。

   水库群联合调度管理是指根据不同水库特性,在实现水库群调度目标的前提下,拟定相互配合、总效益最佳的统一调度方式。

   水库群联合调度应考虑不同水库间的水力联系,结合水库特点及实际调度需求,每年编制汛期、蓄水期、消落期联合调度方案,通过科学调度,发挥各水库优势,增加水库群调节能力和调度灵活性,实现综合效益最大化。

   自2007年汛期发布三峡水库第一张调度令至今,长江流域逐步发展和实践了以三峡水库为核心,干支流控制性水库群、蓄滞洪区、河道洲滩民垸、排涝泵站等水工程的联合防洪调度。在开展大量调度专题研究并取得丰硕成果的基础上,2012年开始,长江水利委员会组织编制了年度长江流域水工程联合调度运用方案。随着研究的深入和水工程建设的推进,纳入联合调度的水工程范围逐年扩展,并结合实际洪水的调度经验,不断修订并细化工程联合调度运用方式、拓展水工程调度目标,从单一防洪为主到在确保防洪安全的前提下统筹考虑生态、发电、航运等多目标调度需求,使调度方案日趋完善。自2012年起到2018年,纳入联合调度的水库数量由最初的10座,逐步扩展到2013年17座、2014~2016年21座、2017年28座、2018年40座,2019年首次将调度对象扩展至水库、泵站、涵闸、引调水工程、蓄滞洪区,数量达到100座,范围由长江上游逐步扩展至长江上中游至全流域。

  

   图1  纳入2020年长江流域水工程联合调度运用计划的水库群

   至2020年,长江上游水库群已基本形成1个核心三峡水库、3个骨干乌东德、溪洛渡和向家坝水库、5个群组金沙江中游群、雅砻江群、岷江群、嘉陵江群、乌江群的防洪布局,防洪库容合计约387亿m3。长江中游清江、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、汉江等形成了4个中游水库群组,防洪库容209亿m3,共同组成长江上中游防洪调度水库群。

  

   三、三峡工程泥沙问题

  

   泥沙问题仍然是河流科学研究的牛鼻子问题。现在长江泥沙问题总的判断是:三峡水库的泥沙淤积好于预期,中下游泥沙冲刷大于预期。这种情况有利有弊,有利的情况是延长三峡水库使用寿命,有利于两湖冲淤走沙,有利于扩大长江及支流河道蓄水容量,这三个方面都大大有利于长江中下游防洪。但中下游泥沙冲刷也会引起一系列连锁反应,导致一些问题:河床下切,堤岸崩塌,枯水位下降;江湖关系改变,洞庭湖三口分水分沙减少,两湖湖水下泄加快,枯水期延长,两湖地区人民用水紧张等。

   三峡水库泥沙淤积明显减轻。且绝大部分泥沙淤积在水库145m以下的死库容内,水库有效库容损失目前还较小;涪陵以上的变动回水区总体冲刷,重点淤沙河段淤积强度大为减轻;坝前泥沙淤积未对发电取水造成影响。

   重庆主城区河段2008年9月-2019年12月累计冲刷2267.6万m3,并未出现论证时担忧的泥沙严重淤积的局面,也未出现砾卵石的累积性淤积。

   三峡水库2003年6月-2019年12月淤积泥沙18.325亿t,近似年均淤积泥沙1.099亿t,仅为论证阶段(数学模型采用1961-1970系列年预测成果)的33%,水库排沙比为23.8%,水库淤积主要集中在常年回水区。从淤积部位来看,库区干、支流92.8%的泥沙淤积在145m高程以下,淤积在145-175m之间的泥沙为1.291亿m3,占淤积量的7.2%,占水库静防洪库容的0.58%,且主要集中在奉节至大坝库段。

   长江中游河道冲刷强度有所增大。三峡蓄水运用以来,两坝间河床总体处于冲刷状态;长江中游河道蓄水前河床冲淤相对平衡的态势有所改变,河床冲刷强度有所增大(以枯水河槽冲刷为主),且逐渐向下游和河口发展,河床以纵向冲刷为主,河势总体上尚未发生明显变化。

   2002年10月~2019年10月,宜昌至湖口河段平滩河槽冲刷25.590亿m3,年均冲刷量1.466亿m3。其中宜昌至城陵矶段河道冲刷强度最大,其冲刷量(13.581亿m3)占总冲刷量的53%,城陵矶至汉口(5.035亿m3)、汉口至湖口(6.974亿m3)河段冲刷量分别占总冲刷量的20%、27%。三峡工程运行17年来,宜昌至汉口河段年均冲刷量与原预测值接近,武汉以下河段冲刷向下游发展的速度比预测要快一些,主要是由于三峡入、出库沙量比原预测值显著减少,加之受河道采砂的影响等,导致坝下游冲刷发展较快。

   三峡工程蓄水运用后,长江中下游河道河型没有发生变化,河势总体稳定,局部河势仍在原基础上继续调整,如沙市河段太平口心滩、三八滩和金城洲段等,下荆江调关弯道段、熊家洲弯道段主流摆动导致出现了切滩撇弯现象。

   三峡水库蓄水运用以来,宜枝河段河床冲刷强烈,且以纵向冲刷下切为主,床沙粗化明显。2002年9月~2019年10月,宜枝河段平滩河槽累计冲刷1.664亿m3,年均冲刷量为0.0979亿m3/a。深泓纵剖面平均冲刷下切4.0m,深泓最大冲深24.2m(外河坝的枝2断面)。

   2002年10月~2019年10月,荆江河段平滩河槽累计冲刷11.916亿m3,年均冲刷量为0.701亿m3/a,远大于三峡蓄水前1975-2002年年均冲刷量0.11亿m3/a。荆江纵向深泓以冲刷为主,平均冲刷深度为2.94m,最大冲刷深度为16.2m,位于调关河段的荆120断面,其次为文夹村附近的荆56断面,冲刷深度为14.4m。

   2001年10月~2019年10月,城汉河段总体表现为冲刷,其平滩河槽冲刷量为5.035亿m3,年均冲刷量为0.280亿m3/a。深泓纵剖面总体冲刷,深泓平均冲深为1.99m。

   2001年10月~2019年10月,汉口至湖口河段河床年际间有冲有淤,平滩河槽总冲刷量为6.975亿m3,年均冲刷量为0.388亿m3/a。河段深泓纵剖面有冲有淤,除田家镇河段深泓平均淤积抬高外,其它各河段均以冲刷下切为主,全河段深泓平均冲深3.15m。

   湖口至大通河段年际间河床总体表现为冲刷,2003年~2012年河道冲刷量为1.269亿m3,年均冲刷0.141亿m3;2012年~2016年,河道冲刷0.927亿m3,年均冲刷0.232亿m3。2012年~2016年河道年均冲刷大于2003年~2012年。

   大通至南京河段年际间河床有冲有淤,总体表现为由淤变冲,2003 年~2012 年河道淤积量为0.926亿m3,年均淤积0.103亿m m3;2012 年~2016 年,河道冲刷1.658 亿m3,年均冲刷0.414亿m3。

南京至三江口河段年际间河床总体表现为冲刷,2006年~2012年河道冲刷量为0.278亿m3,年均冲刷0.(点击此处阅读下一页)


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本文责编:陈冬冬
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