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。

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。

三峡集团流域管理模式及优化建议

2016年,三峡集团批准了流域枢纽管理中心三定方案,正式迈出了大型水电站流域管理的步伐。2017年,三峡集团又批准了流域管理中心向溪分中心三定方案,流域管理从三峡水电站延伸至向家坝、溪洛渡水电站。时隔3年,三峡集团流域管理发展如何,流域管理的方向又在何方?本文重点对三峡集团流域管理中心的组织机构、组织部门化进行调研,选取三峡流域管理模式、向溪流域管理模式进行分析对比,引出目前流域管理模式存在的问题,并从组织设计上提出优化建议。

长江上游近61年来水文干旱演变特征及归因

水文干旱受气候变化和人类活动的共同影响,揭示变化环境下水文干旱演变特征及驱动机制,有助于提高防旱抗旱能力。基于长江上游1960—2020年长系列气象水文数据,采用多模型集合模拟重建天然径流并计算标准化径流指数,采用广义可加模型构建时变标准化径流指数,通过指数对比定量区分气候变化和人类活动对水文干旱的影响。结果表明:长江上游水文干旱自然演变总体呈加剧态势,人类活动进一步加剧了旱情;长江上游水文干旱演变驱动因子表现出明显的时空差异,气候变化是金沙江、沱江和乌江流域年尺度水文干旱演变的主导因子,人类活动是岷江、嘉陵江和整个上游流域年尺度水文干旱演变的主导因子,季节尺度主导因子与年尺度并不完全一致。

正常运行期条件下三峡电站发电能力分析

为复核正常运行期条件下三峡电站的发电能力、探究不同调度方式及上游水库调蓄对三峡电站发电能力的影响,以初设方案、优化调度方案、2015版调度规程方案、2019版调度规程方案为调度计算模型,选取初步设计测算所用1946~1975年宜昌站天然径流系列,在考虑上游主要控制性水库的基础上进行还现计算以反映正常运行期三峡入库径流特征,并对比分析了天然、还现径流分别按照四种调度模型运行情景下的三峡电站发电能力。结果表明,正常运行期条件下三峡电站发电能力为1008×10^(8)kW·h,较设计值提高了14.3%;通过优化调度方式可显著提升水库10月蓄满率,相比初设方式,三峡电站发电能力提升约55×10^(8)~90×10^(8)kW·h;在上游水库调蓄作用下三峡年内入库径流系列明显坦化,水资源利用率有效提升,三峡电站发电能力提升约8×10^(8)~28×10^(8)kW·h。

三峡地区流动重力网地震监测能力研究

重力观测是三峡水库地区地震监测的重要组成部分。本文系统分析了三峡重力网的空间覆盖范围、空间分辨力以及重力变化观测精度,结合现有重力变化异常空间范围和量级与地震震级之间经验指标,对三峡重力网的地震监测能力进行了评估。结果表明,三峡重力网在空间分辨力和观测精度方面均达到了4级以上地震的监测要求,空间覆盖范围介于5级地震重力变化异常场范围经验指标的上、下限之间,因此重力网对于4~5级地震具有较好的监测能力,但对于监测5级以上地震存在无法获取重力变化异常完整形态的可能。此外,三峡水库水位变化引起的重力效应对重力观测具有明显的影响,在计算水位变化重力效应时,应采用与重力观测数据相同时刻的水位数据。

三峡工程蓄水运用20年综合效益发挥与展望

三峡工程自2003年蓄水发电至今已运行20 a,初步设计主要功能全部实现,并适应运行条件变化和发展需求持续优化运行方式,防洪、发电、航运、水资源利用等综合效益全面发挥。截至2023年底,三峡工程累计拦洪运用66次,拦蓄洪水超2 088亿m^(3),确保了荆江河段防洪安全,极大减轻了长江中下游防洪压力;累计发出清洁电能超16 600亿kW·h,相当于节约标准煤5.1亿t,减少二氧化碳排放13.3亿t;极大改善了库区与长江中游航道条件,累计通过货运量超20亿t,有力促进了长江航运快速发展;枯水期累计向下游补水约3 400亿m^(3),有效保障了长江中下游供水安全;生态调度成效显著,四大家鱼资源量明显恢复。为了应对频发的极端水文事件带来的风险和挑战,确保三峡工程长期安全运行和持续发挥巨大综合效益,从推进气象水文预报技术研究与应用、三峡水库调度运行方案优化、创新成果转化运用、智慧化管理等方面提出了下一步工作展望。

三峡工程安全监测多业务系统集成研究与设计

作为“国之重器”的三峡水利枢纽工程,应利用成熟的数据中心技术和资源,为现存多业务系统提供安全监测数据的存储、计算、分析和服务,实现数据的集中管理和高效利用。梳理并总结了三峡工程现有的安全监测体系建设与运行现状,以问题与需求为导向,提出了三峡工程安全监测相关多业务系统的集成方案,研究了如何优化升级原有大坝安全监测自动化系统,探讨了相关最新技术的应用,提出了三峡枢纽工程安全监测智能化的合理近期目标及达成目标需要完成的工作任务。以此为例,提出了基于数据服务中心思想的业务系统集成的需求、目标、方法、效果、优势和建议等,旨在探索数据服务思想在安全监测管理实际应用中的价值和意义,成果可以为三峡工程安全监测管理下一步工作提供指导,也可以为同类同阶段的超大型水利水电工程安全监测智慧化提供参考。

汉江兴隆水利枢纽下游近坝河段枯水位下降及成因分析

汉江兴隆水利枢纽运行后,坝下游近坝段枯水位较建坝前下降明显,500~800 m^(3)/s流量下,2021年较运行前坝下水位累计下降2.47~2.55 m,对工程安全及效益发挥带来不利影响。基于水文、断面、水下地形等观测资料,对枯水位下降的原因进行深入剖析。结果表明,兴隆水利枢纽的拦沙作用有限,皇庄以上沙量减少是兴隆以下河床冲刷加剧的重要原因,高水调平导致的年内枯水上滩几率下降和航道整治护滩工程是强冲刷过程中“滩淤槽冲”的核心因素。坝下游河段枯水河槽冲刷及汉口最低水位下降是造成兴隆近坝段枯水位下降的直接原因。随机森林算法分析显示,对兴隆坝下水位变化影响最大的因素为兴隆站输沙率的锐减。此外,航道整治工程、河床边界条件对枯水位下降也有十分重要的驱动作用。兴隆坝址及下游河段的河床组成偏细,2012-2022年虽然河床剧烈冲刷,但床沙组成没有出现粗化的现象,预计河床仍将继续冲刷下切,枯水位尚未达到稳定状态。

金沙江下游-三峡梯级水库2023年联合调度实践

金沙江下游-三峡梯级水库是治理和保护长江的关键性工程。为了进一步提高梯级水库应对持续枯水的能力,保障水资源综合利用效益全面发挥,结合2023年长江上游水雨情特点,全面分析了梯级水库应对持续枯水所实施的联合补水、汛期水位动态控制、联合蓄水等优化调度措施,总结提炼了梯级水库联合调度的成效和经验。实践结果表明:枯水期梯级水库累计向下游补水约243亿m^(3),有效保障了长江中下游供水安全以及航运、生态等综合效益;通过汛期抬水位、蓄水期精细化预报调度,有效提升了水资源利用效率,保障了梯级水库实现蓄满目标。提出的调度措施和经验可为今后流域控制性水库群联合调度方式优化提供重要参考。

三峡大坝巴东地震动力响应分析与强震监测比对研究

在混凝土坝抗震研究中,大坝强震监测与数值模拟的成果相互比对验证分析对于认识大坝抗震特性有着特别重要的意义。本研究采用地震波动反应分析方法,将三峡大坝在2013年巴东5.1级地震的实测自由场强震记录作为输入,开展了不同阻尼比下的大坝地震反应分析,将不同阻尼比下的成果与泄2#坝段坝体不同高程的实际强震监测记录进行比对和分析,一方面证明了考虑辐射阻尼作用的地震波动分析方法能够合理反映大坝的地震响应,另一方面结果也表明对于远小于设计地震水平的较小地震动输入,混凝土坝结构体系的阻尼比应取为5%以下的较小数值。

三峡大坝深孔工作闸门流激振动特性研究

为深入探究三峡大坝深孔弧形工作闸门运行时的流激振动特性,对其进行了原型观测研究。结果表明:在闸门启闭动态运行时,其动位移极值和加速度极值都相对较小,振动较小;在启门、停门瞬间,闸门的动位移极值和加速度极值都明显增大,振动较大;当闸门开度在0.6~0.7时,闸门发生了强迫振动;1号、12号深孔弧形闸门在运行时都不同程度受到了流激振动的影响,但都属于微小或中等振动,处于安全范围内。相关成果可供大坝安全运行管理及闸门设计制造参考。

不同温度条件下三峡茅坪溪沥青混凝土三轴试验研究

沥青混凝土具有温度敏感性,不同温度下力学性能差异较大。针对三峡茅坪溪沥青混凝土进行了基本力学性质试验及不同温度条件下的三轴剪切试验,探究温度对沥青混凝土力学性质的影响规律。结果表明:茅坪溪沥青混凝土的劈裂抗拉强度偏低,拉伸强度较小,拉伸应变较大,最大弯拉应变、挠跨比较大,单轴抗压强度较小;随着试验温度的升高,沥青混凝土的黏聚力增大,内摩擦角减小,试样破坏偏应力降低,且偏应力随着围压的增加而增大,试验结束时应力-应变关系曲线均为硬化型;变形模量数K、n及初始切线泊松比G均随试验温度的升高而降低。试验成果可为大坝沥青混凝土心墙运行状态评价提供参考。

面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度实践——以金沙江下游-三峡梯级水库为例

2011-2023年,金沙江下游-三峡梯级水库共开展了20次面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验,在取得良好试验成效的同时积累了大量的经验。为系统梳理多年来的生态调度试验成效及经验,详细介绍了金沙江下游-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验的原理、要点、监测评价方法,回顾了历年调度试验开展情况,总结了调度经验并对未来优化方向进行了展望。结果表明,金下-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验有效促进了长江干流产漂流性卵鱼类产卵繁殖,其中三峡水库促进坝下代表性产漂流性卵鱼类——四大家鱼自然产卵繁殖效果最为显著。截至2023年,长江中游四大家鱼累计总产卵规模达382.5亿粒。在多年生态调度和十年禁渔计划等工作的共同推动下,四大家鱼资源量基本接近20世纪80年代水平。然而,受气候变化、鱼类产卵及发育特性变化、产卵场变化等因素的影响,人造洪峰生态调度试验需要在调度过程优化、调度效果评价、调度效果提升等方面开展针对性地优化调整。相关结果可为变化环境下相似流域开展面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验提供参考。

水电站工业遗产调查与保护初探——以长江三峡水电站为例

长江三峡水电站是我国最为重要的水利基础设施之一,是在中国共产党的领导下无数党员与群众共同努力建设的大国重器,对于我国社会发展具有重要的作用。作为我国最早建设的一批水利工程设施,需要做好工业遗产的调查与保护工作,使其重要的历史意义依然能够发挥,为此需要全面强化调查与保护工作质量。因此,本文以长江三峡水电站为例,对水电站工业遗产调查与保护方面进行深入地研究与分析,并结合实践经验总结一些措施,以期能够对相关人员有所帮助。

三峡水利枢纽工程运行安全管理实践

三峡工程是世界上规模最大的水利枢纽工程和综合效益最广泛的水电工程,是治理、保护和开发利用长江的关键性骨干工程。2020年三峡工程完成整体竣工验收转入正常运行期。通过强化责任落实、健全制度体系、加强风险管控、落实政府监管等,三峡大坝安全管理取得显著成效,2012年以来连续3次获得甲级注册等级,2021年顺利完成大坝安全首次定期检查;对三峡工程的安全监测不仅为指导大坝施工、验证设计和进行运行安全评价等提供了数据支撑,更极大推动了我国安全监测管理水平。聚焦深化大坝安全新技术融合应用,推进监测感知、分析预警、三峡枢纽安全监测在线监控系统、三峡升船机数字孪生工程等新技术研究与应用,大力提升大坝安全性态管控水平,确保三峡水利枢纽工程长期安全运行和持续发挥巨大综合效益。结合新阶段水利高质量发展要求,从持续强化大坝安全管理能力建设、加快构建“天空地水工”一体化监测体系、推动三峡枢纽工程关键部位安全监测数字孪生建设等方面,对进一步提高三峡工程安全能力和水平进行了展望。

长江上游近120年来气象干旱和水文干旱时空变化关系及其传递特征

气象干旱是水文干旱的前兆,探明气象干旱向水文干旱的传递特征及规律,对水文干旱早期预警和防灾减灾具有重要意义。基于长江上游1901—2020年长系列气象水文数据,采用标准化降雨蒸散发指数(SPEI)和标准化径流指数(SRI)分别表征气象干旱和水文干旱情势,采用Spearman相关分析法和滑动窗口法计算不同月份气象干旱向水文干旱的传递时间并分析其时空变化特征,引入湿润指数(HI)和水库指数(RI),探究气候变化和人类活动对干旱传递的影响。结果表明:120年来气象干旱和水文干旱均有加重趋势,且随时间尺度增大,干旱历时增长;气象干旱向水文干旱传递时间整体呈现明显时空异质性,即冬季长、其他季节短,西北部长、东南部短;干旱传递在春、夏季整体呈加快趋势,在秋、冬季整体呈减慢趋势,干旱传递时间变化与长江上游整体干湿状况和密集水电开发有关。

金沙江下游梯级与三峡水库防洪库容互补等效关系研究

长江上游干支流梯级水库和三峡水库均承担着长江中下游的防洪任务,其防洪库容具有一定的互补等效性。本文采用典型年法和最可能地区组成法推求了三峡水库的洪水地区组成,基于不降低原设计防洪标准的原则,探讨了五个典型年和三种设计频率情况下,金沙江下游梯级和三峡水库防洪库容的互补等效关系。结果表明:①五个典型年能够反映三峡水库发生大洪水的地区组成规律,金沙江下游梯级和三峡水库防洪库容互补等效关系近似为线性关系。②同种典型年和设计频率下金沙江下游四座水库的互补等效系数值近似等同,主要受三峡水库典型年的洪水地区组成影响;当预测洪水主要来源于金沙江(或嘉陵江及未控区间)流域时,等效系数取0.8(或0.5)。③通过洪水预报和等效关系动态运用三峡水库防洪库容,在不增加防洪风险的前提下,三峡水库年均汛期可增发电量41.4亿kW·h(+9.86%)。

基于机器学习的三峡水库小时尺度坝前水位预测

针对三峡水库坝前水位影响因素繁多、变化机理复杂、传统水量平衡方法难以精确预测的问题,以水库历史运行数据为基础,分析了坝前水位变化规律,并采用3种机器学习方法(人工神经网络、支持向量机、随机森林)分别构建了小时尺度坝前水位预测模型,对模型预测效果进行了评价。测试结果表明:3个预测模型均具有较高预测精度,其中随机森林模型在精度评价中表现最优,k折交叉验证均方误差为5.2,R^(2)平均值为0.82,在3个不同调峰量的典型测试案例中较传统水量平衡方法均具有明显优势。研究成果可为水库短期发电精准化调度提供技术支持。

三峡船闸输水廊道反弧门涂层失效及腐蚀原因分析

为保障三峡船闸输水廊道反弧门的运行安全,在2021和2022年三峡船闸计划性停航检修期间,对南北两线船闸反弧门的腐蚀状况进行检测和评估,分析其防腐蚀涂层起泡破坏及门体腐蚀的原因。结果表明,反弧门涂层存在大面积起泡、剥落,门体及构件的局部腐蚀问题凸显,涂层损伤及锈蚀面积约占反弧门检测面积的20%。反弧门原有涂装材料和热喷锌层仍能发挥防腐蚀作用,尚不需要进行大面积维修,但对于局部腐蚀和涂层破坏明显的区域,应及时修复,并加强检测、维护,避免发生腐蚀失效威胁门体安全。同时,针对反弧门遭受的高速水流冲蚀、空蚀以及电偶腐蚀耦合破坏问题,提出进行反弧门表面高弹、抗冲耐磨防护材料修复以及施加牺牲阳极阴极保护防护试验研究的建议。