面向新时期新需求的三峡水库运行方案研究

本文回顾三峡水库设计洪水、特征水位、运行方案变化调整过程,综述三峡水库运行调度关键技术研究进展和分析来水来沙变化情况。分别采用最可能洪水地区组成法和非一致性洪水频率分析两种途径,推求考虑上游水库群调蓄影响的三峡水库运行期设计洪水及特征水位。结果表明:近10年三峡入库泥沙量比初设成果减少了84.4%,宜昌站水文情势IHA-RVA综合指标为74%、发生了重度改变,三峡水库运行期1000年一遇7~15 d洪量减少了约81.5亿~142.8亿m^(3),初设确定汛限水位的主要制约因素(防洪、泥沙)发生了很大的变化。原单站设计洪水及确定的三峡水库175-155-145 m运行方案,已无法满足新时期水资源高效利用和生态环境保护的新需求。建议把三峡水库运行方案调整为175-160-155 m,主汛期水位在155~160 m区间动态控制运行,长江中下游梅雨结束后应考虑提前蓄水,8月底蓄至163 m左右,9月底蓄至165 m,10月底蓄满。该方案在保证大坝和下游防洪安全的前提下,汛期减少弃水并增加枯水期补水量,预计可增发10%左右的发电量;抬高运行水位也有利于库区航运和减少消落带;9月份尽量不蓄水或少蓄水,可减少蓄水期对下游河道及两湖生态环境的不利影响,具有巨大的经济、社会和生态环境等综合利用效益。当预测预报长江流域可能发生流域性大洪水时,尽快将库水位消落至汛限水位145 m,确保大坝和下游防洪安全。

三峡水库小江回水区水华暴发期浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于20142021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分析、百分比相似性分析以及基于距离的线性模型等方法,对小江水华暴发期间浮游植物和环境因子在不同年份不同水层间的差异以及二者的关系进行研究。结果表明:小江水华暴发期内,浮游植物的种类数在43~70种之间,其中2015年蓝藻种类数明显减少,2018年以后硅藻种类数明显减少;采样期间浮游植物平均细胞密度在0.66×10^(6)~61.28×10^(6)cells/L之间,同期表层细胞密度明显高于中层和底层;各层水体间水华微囊藻、铜绿微囊藻、不定微囊藻等10种藻的密度存在明显差异,是主要差异种;显著影响表层、中层和底层浮游植物群落结构变动的环境因子是水位的日平均变幅;水位的日平均变幅与藻类优势种拟合关系显示,当日水位下降幅度在0.5 m以上时,浮游植物平均密度会呈指数级减少。研究结果可为三峡库区支流水华的防控提供数据支持。

周期性水位波动对三峡水库消落带土壤有机碳含量和密度的影响

为探究水位波动对三峡水库消落带土壤有机碳的影响,在三峡水库消落带采集和测定了受不同水淹强度影响的石灰土、紫色土、黄壤及其植物样品,并运用Kruskal-Wallis非参数检验和基于冗余分析的典范分析等方法进行了研究。结果表明:周期性水淹增加了石灰土和紫色土的有机碳含量和密度,但降低了黄壤的有机碳含量和密度。此外,石灰土的有机碳分布还受地上生物量、土壤pH和土层深度的影响,紫色土的有机碳分布还受土层深度和地上生物量的影响,而黄壤的有机碳含量和密度则与地上生物量、土层深度和地下生物量有关。总之,周期性水位波动对消落带土壤有机碳影响深刻,但土壤类型分异了有机碳对水位波动的响应。

三峡水库清淤及淤积泥沙综合利用可行性研究

库容保持是水库发挥防洪、发电、航运、水资源利用等功能及综合效益的重要保障。三峡水库库容是极其宝贵的战略资源,根据实测资料分析,阐明了三峡水库运行以来库区泥沙淤积特征,基于三峡库区不同库段泥沙淤积特点和淤积泥沙适宜的利用途径分析,提出了三峡库区分段分类淤积泥沙利用总体方案。建议尽快编制三峡水库清淤及淤积泥沙综合利用总体实施方案,推进库区清淤及排沙试点工作并逐步推广实施,深入研究淤积泥沙低成本材料利用技术,为保障三峡水库库容安全以及综合效益的可持续发挥提供支撑。

加快三峡水库管理保护立法 为长江经济带高质量发展提供良好法治保障

三峡工程是“国之重器”,是保护和治理长江的关键性骨干工程。三峡水库功能效益显著,地理位置重要,管理保护涉及事项复杂。在长江流域生态环境保护和高质量发展由量变到质变的关键时期,加快推进立法工作,依法依规加强三峡水库管理保护,对工程安全运行和综合效益发挥,以及库区和流域高质量发展十分必要和迫切。建议从国家层面制定出台专门行政法规,协调和规范三峡水库的开发、利用、管理、保护行为,统筹库区和上下游生态环境保护和经济社会发展事项,为长江经济带高质量发展提供良好法治保障。

三峡水库库容智慧化管理的水文实践与思考

推动水库库容管理智慧化是提升水库运行管理精准化、信息化、现代化水平的重要环节。分析了水库库容智慧化管理中的关键问题,即运行数据感知、运行管理信息化、多目标调度、库容维持,提出了三峡水库库容智慧化管理关键感知技术,并从防洪预报调度、泥沙减淤调度、库容计算与管理等方面总结了长江水文技术实践在三峡水库库容智慧化管理中取得的应用成果与效益,如“长江流域控制性水利工程综合调度系统”“长江水文库容计算管理系统”等,覆盖洪水预报调度、泥沙减淤调度、库容计算等方面,并对下一步工作重点进行了展望。

三峡水库支流甲烷排放研究进展

甲烷(CH_(4))对全球温室效应有着较大的贡献。三峡水库自2003年蓄水以来,其CH_(4)排放问题已受到广泛关注。但三峡水库反季节的运行方式,使支流库湾CH_(4)的产生和传输过程受到多方面的影响,进而导致其CH_(4)排放效应尚不十分明确。本文综述了三峡水库支流CH_(4)排放的研究进展,典型支流的CH_(4)排放通量普遍高于干流,位于三峡水库库尾的部分支流CH_(4)排放通量高于三峡水库库首及库中支流。大多数典型支流的CH_(4)通量在夏季均达到全年峰值,而在冬季高水位运行期均处于相对较低的水平。同时本文主要从水环境条件、水动力条件、人类活动及气象条件4个方面阐述了三峡水库支流CH_(4)排放的影响因素。1)水环境条件:支流水华后藻类衰亡分解过程会驱动CH_(4)释放,且藻类的演替过程会加剧CH_(4)的产生;温度可以直接影响CH_(4)的生成速率和消耗速率,也能通过促进藻的生长间接影响CH_(4)排放;支流相对较低的甲烷氧化菌丰度是其CH_(4)通量较高的原因之一。2)水动力条件:蓄水期CH_(4)主要以扩散的方式进行释放,支流较低的流速促进了悬浮物的沉积,上游沉积物中的CH_(4)含量高于下游;泄水期CH_(4)主要以冒泡的方式进行释放,下游沉积物中TOC急剧增加,但干流的入侵会削弱支流的温度分层,破坏藻类生长环境,间接影响CH_(4)通量。3)人类活动:农业耕作使支流水体中的营养物浓度增加,甲烷氧化菌的丰富度降低,细菌群落的营养相关代谢增强;建设用地扩大、支流筑坝增加抑制了有机物的传输,增加了水体中的产CH_(4)底物,促进了CH_(4)的产生。4)气象条件:降雨会携带更多营养物质进入支流,同时会增加水体浊度、破坏水体的温度分层,从而对CH_(4)的产生和传输过程造成影响。最后对未来的研究热点进行了展望,以期为三峡水库CH_(4)排放的控制和管理提供参考。

面向产漂流性卵鱼类的三峡水库生态调度效果评价

构建生态调度效果评估指标体系,评估三峡水库历年生态调度的效果并提出生态调度方案的优化建议,为三峡水库生态调度提供参考。从生态环境效益和社会经济效益2个维度出发,构建的面向产漂流性卵鱼类繁殖的水库生态调度效果评价体系包含目标层、准则层和6个一级指标、10个二级指标,提出了各指标的计算方法和赋分标准,并采用层次分析法根据指标相对重要度,计算了各指标的权重系数。2012-2022年三峡水库生态调度效果各年度存在明显差异,涨水持续时间、初始流量、流量日上涨率和洪峰流量、水温等水文水环境指标满足鱼类最适繁殖需求的生态调度,鱼类繁殖响应良好;开展2次生态调度年份的效果好于开展1次调度的年份。三峡水库生态调度尽可能控制在水温20℃以上起调,水库出流过程尽可能接近鱼类适宜的水文需求阈值区间,同时在水库运行条件合适的前提下,年内尽可能开展2次生态调度实践,泄放较大脉冲的洪峰过程,促进鱼类繁殖。

三峡水库运行后汉口—九江河段水位变化特征及成因

大型水库的修建引起坝下游的水位调整,进而对河势、航运、防洪及生态等产生显著影响。为探究汉口—九江河段水位变化特征及成因,采用M-K分析法分析1988—2022年汉口、黄石港和九江站的水位变化趋势,并使用基于距平残差的水位变幅分析方法和一维水动力模型,分析河道冲淤、下游水位和阻力变化对不同特征流量下水位变化的影响。研究结果表明:①三峡成库前,除九江站枯水位呈显著性下降趋势,各级流量下的水位均没有显著性变化趋势。②三峡成库后,九江站的水位变化趋势与建库前相同;汉口站、黄石港站在12000 m^(3)/s和20000 m^(3)/s下的水位呈显著性下降趋势,12000 m^(3)/s时降幅分别为0.072、0.045 m/a,20000 m^(3)/s时降幅分别为0.048、0.027 m/a;水位变化的临界转换流量约为30000 m^(3)/s,在该流量附近水位未出现明显变化;当流量大于30000 m^(3)/s时,水位呈非显著性上升趋势,45000 m^(3)/s下的升幅分别为0.037、0.049 m/a。③临界转换流量以下水位下降的主导作用为河道冲刷,临界流量附近的水位未出现明显变化源于阻力增大作用接近抵消了河道冲刷的影响,临界转换流量以上的水位上升源于阻力增大作用更加明显,个别年份的洪水位上升显著源于下游水位顶托作用明显。

2023年三峡水库生态调度对四大家鱼生境面积的影响

为量化生态调度对四大家鱼生境面积的影响,2023年在三峡水库开展了针对葛洲坝下游四大家鱼自然繁殖的生态调度试验,以葛洲坝至枝江江段为研究区域,选择水位变幅、水深、流速、水温4个主要生境因子,建立了耦合平面二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线的四大家鱼产卵生境质量评估模型,实现了产卵综合适宜度指数时空分布的精细化模拟。结果显示,2023年三峡水库生态调度期间,约60%研究区域四大家鱼产卵综合适宜度指数呈现增加趋势,其产卵加权可利用面积占研究区域总面积比例由30.45%增加至约55%;适宜四大家鱼产卵区域(综合适宜度指数0.6~1.0)明显增加,占研究区域总面积比例由4.67%增加至约60%。研究表明,三峡水库生态调度显著改善了葛洲坝至枝江江段四大家鱼产卵的生境质量。

三峡水库消落带土壤反硝化及DOM的影响

在重庆主城与涪陵选取了3个典型点位采集土壤样品,并对土壤的理化性质、原位反硝化速率、溶解性有机质(DOM)驱动的反硝化以及库区土壤的微生物进行了考察与分析.结果显示在海拔145~155m区间,淹水期镇安镇、涪陵区和鱼嘴镇最高氨氮(NH_(4)^(+)-N)平均浓度分别为31.32,28.63和19.23mg/kg,均高于落干期.在淹水期,与高海拔区域土壤中硝酸盐氮(NO_(3)^(-)-N)平均浓度相比,低海拔土壤中NO_(3)^(-)-N平均浓度分别增大了46.91%(镇安镇)、37.89%(涪陵区)和29.69%(鱼嘴镇).在淹水期,土壤有机质(SOM)平均浓度随着海拔高程的降低而降低,镇安镇、涪陵区和鱼嘴镇分别从109.16,80.93和82.61mg/kg降至65.63,64.53,53.41mg/kg.土壤中NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N的含量与现场反硝化速率呈显著正相关(P<0.05),在提供充足的碳(C)和氮(N)营养元素后,土壤潜在反硝化速率表现出较大的时间和空间差异性.在由DOM驱动的反硝化实验中,DOM降解符合一级动力学模型(R^(2)>0.93),N2O累积量符合Logistic模型(R^(2)>0.97).在三峡水库消落带土壤中,反硝化功能微生物主要是Bacillus和Comamonadaceae,其丰度变化与土壤潜在反硝化速率呈现显著的正相关性(P<0.05).

三峡水库水质时空变化特征及影响机制研究

三峡工程建设运行后水库生态环境问题一直备受关注,水质状况复杂且不断变化,但在水库调度下水库水质时空特征及影响机制仍需探究。基于三峡水库2021年11个长江干流断面和2个支流断面的监测数据,利用水质指数(WQI)评价水库水质状况,并结合主成分分析(PCA)、Pearson相关性分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)及随机森林(Random forest,RF)方法探究三峡水库在调度影响下水质的时空变化特征及影响机制。结果表明:①从空间尺度上看,各水质参数的变化具有明显的空间异质性,总体上水质状况从上游至坝前(朱沱到巫峡口断面)有所好转,朱杨溪断面的水质情况最差;②从月尺度上看,不同水质参数和WQI随年度水库调度规划期发生变化,TP和COD_(Mn)的浓度总体上呈现汛期(6~9月)>消落期(1~6月)和蓄水期(9~10月)>高水位期(10~12月)的特征,而DO、pH及WQI与前者相反,在消落期下降,汛期相对稳定,在蓄水期逐渐上升;③生态调度有益于提升三峡水库水质,推测由于2021年5月29日至6月3日和6月16~22日开展2次以“促进产漂流性卵鱼类繁殖”为目标的生态调度使得6月份水库水质明显提升;④多种统计分析手段结合RF方法表明,不同水质参数之间存在明显关联,TN、TP、NH 3-N及COD_(Mn)之间呈显著正相关(r>0.3,p<0.01),pH和DO呈显著正相关(r=0.428,p<0.01),各参数均显著影响三峡水库WQI(p<0.01),其中浊度是影响三峡水库水质的最重要参数。研究结果可为三峡水库水环境可持续发展和水资源合理配置提供理论依据。

三峡水库应急补水对2022年洪季长江口盐水入侵的影响

2022年汛期长江流域发生了历史罕见的流域性干旱,大通站9—10月份流量在11000 m 3/s上下浮动。9月份开始,叠加台风的影响,长江口遭遇了严重的盐水入侵事件,威胁上海市供水安全。结合实测流量、风速和盐度数据分析,认为此次盐水入侵由低流量和台风导致;基于此,采用三维河口海岸数值模型定量分析三峡水库应急补水的压咸效果。结果表明,应急补水削弱了长江口的盐水入侵,减小了咸潮上溯距离,南支—北港纵断面0.45 psu等盐度线下移了17 km,降低了水库取水口盐度,为青草沙水库争取了约6 h的取水窗口。10月份2次寒潮在一定程度上削弱了此次补水效果,为确保补水效果需加强河口地区水文、潮汐及气象综合监测能力,以保障上海市淡水利用安全。

考虑历史洪水资料的三峡水库运行期非一致性设计洪水估算

水利水电工程规划设计采用单站的天然年最大洪水系列资料和P-Ⅲ型适线法推求设计洪水,确定水库特征水位。然而上游水库的建成运行,破坏了下游洪水资料系列的一致性假定。本文通过构建非一致性洪水频率分析时变矩模型,计算了长江上游重点水库群的水库系数;并根据连续型随机变量分布函数单调递增的特性,提出了基于Q-Q图的时变P-Ⅲ型适线法;推求出考虑历史洪水资料的三峡水库运行期非一致性设计洪水,并与极大似然法的估算成果进行比较。结果表明:①水库系数作为时变P-Ⅲ型分布的协变量,可以反映洪水系列的非一致性变化规律;②时变P-Ⅲ型适线法侧重考虑历史洪水点据的拟合,拟合效果优于极大似然法;③相较原设计成果,三峡水库运行期1000年一遇设计洪峰Q m、洪量W 3d和W 7d削减18%左右,洪量W 15d和W 30d削减14%左右,长江上游水库群的调蓄作用直接影响三峡水库运行期的防洪库容和特征水位。

三峡水库消落带狗牙根根系对紫色土抗剪性能的影响

植物根系对提高土壤抗侵蚀能力起着最主要的作用。为探究根系对三峡水库消落带土壤抗剪性能的影响,以典型草本植物狗牙根及其根土复合体为研究对象,利用原状土和重塑土、采用直剪试验和三轴试验2种方法,揭示根系形态特征、含根量以及布根方式对土壤抗剪性能的影响。结果表明:1)内摩擦角、黏聚力与根系形态特征呈对数正相关;各形态指标对土壤抗剪性能的影响程度依次为:根表面积密度>根体积密度>根长密度>根质量密度>根径。2)根系含量与土壤抗剪性能呈正相关。含根量分别为0.9、0.6和0.3 mg/cm^(3)的根土复合体抗剪强度依次比素土提高14.54%~49.56%、9.09%~35.82%和3.80%~17.58%;内摩擦角依次提高13.95%、13.07%和1.98%;黏聚力依次提高29.37%、24.48%和15.34%。3)交叉布根下土壤抗剪性能最强,与垂直布根、水平布根相比,交叉布根的抗剪强度依次提高4.22%~16.95%和11.45%~32.61%;黏聚力依次提高15.61%和16.09%;最大应力值依次提高3.78%~34.18%和36.86%~41.44%。研究结果可为三峡水库消落带固土护岸的物种筛选、水土保持生态建设以及水库岸线管理等提供参考。

清江梯级配合三峡水库对城陵矶防洪调度方式探究

为充分挖掘清江梯级水库10亿m^(3)防洪库容的防洪效益,构建了长江上游水库群与清江梯级水库联合防洪调度模型,定量分析了清江梯级水库配合三峡水库对荆江河段实施联合防洪调度的防洪作用和库容使用情况,探讨了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶联合防洪调度的必要性;在此基础上,开展了不同水库群联合防洪调度方案防洪效果的比较分析,提出了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶防洪调度的分级拦蓄方式。研究表明:提出的分级拦蓄方式为当来水小于4000 m^(3)/s,清江梯级水库各拦蓄流量为2500 m^(3)/s;当来水不小于4000 m^(3)/s,清江梯级水库各拦蓄流量为3000 m^(3)/s;拦蓄时机与三峡水库同步,在拦蓄过程中兼顾了发电因素。该方案可有效发挥清江梯级水库的防洪作用,减少长江上游水库群动用防洪库容。研究成果量化了清江梯级水库的防洪作用,可有力支撑长江水库群联合防洪调度方案编制。

三峡水库场次洪水排沙规律及影响因素

水库泥沙淤积导致库容损失,影响水库综合效益发挥,研究水库排沙规律及影响因素对于改善水库淤积状况具有重要意义。根据2003—2021年朱沱、北碚、武隆、寸滩等水文站实测数据,合理划分三峡水库场次洪水过程,分析其排沙规律,并重点研究坝前水位、入出库输沙率、洪水滞留时间等因素对排沙的影响。结果表明:三峡水库场次洪水过程的划分采用统一的定量标准并考虑洪峰沙峰异步传播的影响更加合理;水库排沙主要集中在汛期场次洪水,各年汛期场次洪水排沙总量平均占全年的67.0%;场次洪水排沙比与坝前水位成反比、与入出库输沙率成正比,但相关性均小于与其成反比的洪水滞留时间,且当入库平均流量大于30000 m^(3)/s或坝前平均水位低于150 m时,排沙比与各因素之间的相关性均有所提升。研究成果可为优化三峡水库运行方式、减少水库泥沙淤积等提供重要参考。

三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位研究Ⅰ——需求分析与优化条件

城陵矶地区是长江中下游洪灾最频发的区域之一,是长江水库群防洪的重点保护对象。金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座梯级水库与三峡水库组成的巨型水库群防洪能力巨大,显著改变了流域防洪调度格局。在概括分析城陵矶地区防洪需求,回顾三峡水库对城陵矶地区防洪补偿控制水位不同阶段成果的基础上,剖析了优化防洪补偿控制水位的研究要点,研究了金沙江下游梯级防洪库容投入情况,进而明确了提高防洪补偿控制水位的有利条件。研究结果表明:在三峡水库水位达到城陵矶防洪补偿控制水位158.00 m后,金沙江下游梯级水库在预留40.93亿m^(3)防洪库容的基础上,尚有30亿~60亿m^(3)富余防洪库容可配合运用,为进一步提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位创造了良好条件。

高洪水期运行水位对三峡水库泥沙淤积的影响

三峡水库泥沙问题直接关系到水库库容的长效保持。选取典型高洪水期,基于数值模型探究入库水沙量级、水沙异步及运行水位对三峡库区沙峰输移和淤积排沙的影响。结果表明:入库洪峰的增大抑制了涪陵沙峰比的衰减,并导致更多泥沙输运至坝前,使得坝前沙峰降幅受运行水位的抬升更为显著;变动回水区较常年回水区更易受到入库水沙异步影响,且随着来沙系数的增大,由低水位抬升时淤积占比更高;水库排沙比受入库水沙异步影响有限,且随着入库洪峰、沙峰的增大,排沙比增加的同时对运行水位抬升导致的衰减更为敏感。研究成果初步揭示了入库水沙异步及运行水位对库区沙峰运动与淤积的影响,可为三峡水库汛期优化沙峰排沙调度提供参考。

基于3种新型群体智能算法优化正则化极限学习机的三峡水库入库日径流预测

准确预测的入库日径流在水库优化调度中发挥着重要作用。为提高预测精度,提出一种基于小波包变换(WPT)和蜣螂优化(DBO)算法、珍鲹优化(GTO)算法、泥环算法(MRA)优化正则化极限学习机(RELM)的预测模型,并将其应用于三峡水库入库日径流预测研究。首先,利用WPT将三峡水库入库日径流时间序列分解为1个周期项分量和1个波动项分量;其次,利用DBO、GTO、MRA分别优化RELM输入层权值和隐含层偏差,建立WPT-DBO-RELM、WPT-GTO-RELM、WPT-MRA-RELM模型;最后,利用所建立的3种模型分别对入库日径流周期项分量和波动项分量进行预测和重构,并构建基于极限学习机(ELM)的WPT-DBO-ELM、WPT-GTO-ELM、WPT-MRA-ELM模型、基于BP神经网络的WPT-DBO-BP、WPT-GTO-BP、WPT-MRA-BP模型、未经优化的WPT-RELM、WPT-ELM、WPT-BP模型和未经分解的DBO-RELM、GTO-RELM、MRA-RELM模型作对比分析模型。结果表明:①WPT-DBO-RELM、WPT-GTO-RELM、WPT-MRA-RELM模型对三峡水库入库日径流预测的平均绝对百分比误差MAPE分别为0.512%、0.519%、0.762%,平均绝对误差MAE分别为54.05、55.97、86.76 m^(3)/s,均方根误差RMSE分别为84.99、84.81、128.18 m^(3)/s,决定系数DC≥0.9994,希尔不等系数TIC≤0.00517,预测效果优于其他12种模型,具有更高的预测精度和更好的泛化能力。②DBO、GTO、MRA能有效优化RELM网络参数,显著提高RELM预测性能。③引入正则化项的RELM可有效防止预测模型过拟合,提高模型的泛化能力,预测性能优于ELM、BP网络。④所构建的3种模型预测精度高、计算规模小,是一种有效的入库日径流时间序列预测模型。