三峡工程曾经经历长时间的论证工作，在论证工作中，泥沙问题始终是三峡工程的最重要的问题之一。在可行性论证阶段，主要研究的泥沙问题有5个方面。1993年以来三峡工程的泥沙研究包括8个方面。

1 可行性论证阶段主要研究的泥沙问题

(1) 如何长期保持三峡工程的有效库容

根据黄河上修建三门峡水库的经验和教训，三峡水库采用了“蓄清排浑”的运用方式，水库在汛期维持低水位，使泥沙可以顺利排出库外；在非汛期水流含沙量减少时，水库蓄水兴利。按照数学模型计算的结果，在水库运用100年后，在汛期限制水位145m和正常蓄水位175m之间的防洪库容可以保持86%；175m和枯水期限制水位之间的库容可以保持92%。因此，三峡工程的大部分有效库容是可以长期保存的。

(2) 三峡水库泥沙淤积后可能产生的淹没问题

依靠数学模型，计算了水库淤积100年后，遭遇百年一遇洪水时的库区回水曲线，求得重庆朝天门地区的洪水位为199m，但考虑到水库蓄水和淤积后糙率的不确定性，专家组要求增加1～3m的安全裕量，以决定重庆市区的淹没范围。对于农业地区，土地按5年一遇回水线征用，居民则按20年一遇回水线迁移。

(3) 变动回水区的航道，港区泥沙淤积问题

三峡水库蓄水后，常年回水区的滩险均被淹没，除青岩子，金川碛主航道由右槽倒向左槽，需要在新航槽中清除礁石外，其他滩险均可得到明显改善。变动回水区汛期产生淤积，汛后因水库蓄水，减少冲刷在翌年消落期有短期航深不足现象，需要进行航道疏浚和整治工作。重庆主城区港口码头前沿，在丰沙年泥沙淤积增加，可能影响正常作业，专家组认为：“可以通过优化水库调度，结合港口改造，认真研究整治和疏浚措施，加以解决。”

(4) 坝区的泥沙淤积问题

三峡水利枢纽工程包括挡水大坝、泄洪坝、电厂、船闸、升船机等，因此设置了规模巨大的坝区实体模型，研究不同阶段坝区泥沙淤积对河流形态和各项建筑物的影响，从而为枢纽总体布置提供了科学依据。

(5) 三峡水库运用对下游河床演变的影响

三峡工程建成蓄水后，下游水流含沙量减少，将引起下游河道长时间、长距离的冲刷下切。依靠数学模型，预报了三峡工程运行后下淤河道冲刷发展过程，同流量水位变化以及对防洪、航运、供水的影响。提出了需要控制宜昌水位，整治芦家河卵石浅滩以及对荆江和城陵矶以下河道河势控制和堤防安全建设的课题。

在三峡工程可行性论证期间，数字模型计算和实体模型试验对工程方案的选择和决策发挥了重要的作用。因此，我们十分重视利用长江干支流上已经建成的水库和在河道上获得的实测资料对上述数学模型和实体模型进行验证和对比。通过这些工作，改善了模拟技术，提高了模型的可信程度。当然，在这里并不是说现有的数学模型和实体模型已经很完善了。随着三峡工程开始蓄水运用，我们将积极利用三峡工程本身的原型观测资料对上述模拟技术作进一步的验证和改进。

2 1993年以来三峡工程的泥沙研究

1992年“人大”会上，通过了建设三峡工程的议案，1993年开始了三峡工程的施工准备工作，结合各项工程建筑物的设计和建设，我们又组织了一系列泥沙问题的研究工作。现将上述问题的研究情况依次作一简要的汇报。

(1) 三峡工程入库泥沙量的变化

近年来，进入三峡水库的泥沙不断减少，其中嘉陵江来沙量的减少特别显著(参见表1)。成因分析表明：造成近年来嘉陵江来沙减少的主要原因有下列方面：

①近年来嘉陵江上修建的大量水库和航电梯级，拦截了大量泥沙。

②1994～1997年流域内降雨量减少，使北碚站90年代的年径流量比多年平均减少约23%。

③1989年以来在流域中实施的水土保持工程发挥了作用。

④由于当地基本建设对建筑骨料的需要，在河床中开挖了大量泥沙。

除了降雨造成的来沙减少具有随机的性质以外，其余三个因素导致的泥沙减少的趋势将是稳定的，因此考虑水利建设的进程，我们建议对于2013年以前可能进入三峡水库的泥沙量采用新的水沙系列（1991年至2000年），作为研究泥沙问题的基础。

2013年后，向家坝、溪落渡工程将相继投入运用，三峡水库上游来沙将更为减少，而且将持续几十年。利用数学模型计算研究了修建两个大型水库对三峡水库库区淤积的影响，计算针对以下三种情况：（1）金沙江上不建工程；（2）只建向家坝工程；（3）只建溪落渡工程，计算的结果如表2所示。

由表可见，当金沙江上修建大型水库后，三峡库区的最大累计淤积量减少30亿m3至40亿m3。对三峡水库淤积过程将有巨大的改善。

(2) 重庆河段的泥沙淤积问题

在三峡工程修建前，重庆主城区河段的泥沙冲淤是年内平衡的。在汛期淤积的泥沙一般可以在非汛期冲掉，因此重庆地区的港口和航道在年内不受泥沙淤积的影响。这种现象是由重庆河段的两个地貌特征造成的，其一是重庆河段的出口处狭窄的铜锣峡严重约束了出口的水流，大流量时水位壅高，泥沙落淤，小流量时，水位下降，流速增大，可以把汛期淤落的泥沙冲走。其二是重庆河段宽河段和窄河段相间，大流量时水流趋直，泥沙在缓流区和凸岸下侧大量淤积，小流量时水流趋弯，可以将岸边淤积冲走。

当三峡工程建成运用后，水库一般在10月1日开始蓄水，十月底蓄满175m。因此，冲刷河道的时间将缩短，汛期发生的泥沙淤积物就不能在汛后完全被冲完，当第二年水库消落时，岸边的淤积物将出露成为边滩，影响船舶靠岸，妨碍码头的正常装卸作业。因此在可行性论证阶段，三峡工程确定了“分期蓄水”的建设方针，规定：“2007年水库的汛期正常蓄水值为156m，运行若干年后，水库在抬高至最终高水位175m运行。初期蓄水位156m运用的历时，可根据水库移民情况，库尾泥沙淤积实际观测成果以及重庆港泥沙淤积影响处理方案等，届时相机确定。初步设计暂定安排6年”（参见三峡水利枢纽初步设计，第一篇综合说明书，1-1-10）

2001年4月，国务院三峡工程建设委员会召开会议讨论了三峡工程分期蓄水的实施方案，会议同意泥沙专家组部分成员提出的建议，指出：“有关专家提出了在2007年后，根据泥沙观测的成果，以分期、渐进地抬高的方式比较合理。”“对156m水位运行后，水位如何提高到175m，也没有作出明确规定，这些都需要通过研究和观测提出建议，经过必要的程序审查后确定。”

“十·五”期间，泥沙专家组接受三峡工程开发总公司的委托，进一步组织了解决重庆河段泥沙淤积问题的研究工作。研究成果发现，考虑90年代以来三峡工程入库泥沙减少的影响后，重庆河段的泥沙淤积问题显著减轻，采用港口整治、机械疏浚和优化调度等措施后，可以较有把握地解决重庆主城区港口、航道的泥沙淤积问题，在水库正常蓄水位达到156m后，可以在第二年进一步提升水库正常蓄水位至165m或172m，更好的发挥三项工程的防洪、发电、航运的综合效益。

(3) 引航道隔流堤的布置和坝区泥沙淤积问题

三峡工程的双线船闸和升船机都布置在左岸。根据实体模型的实验成果，为了确保通航船舶的安全和航道的畅通，在上、下引航道的外侧，布置了防淤隔流堤(参见图1)。三峡工程运行后，引航道内将产生由异重流和船闸充水引起的往复流带来的泥沙淤积，试验成果表明，引航道内的淤积量将随时间增加而增加(参见表3)，特别在1954年型的大沙年，引航道内淤积量可以达到200万吨左右，超过了机械清淤能够清除的数量。因此，研究了在引航道内布置一个冲沙闸和两条冲沙隧洞的水力清淤设施。用临时船闸改建的冲沙闸(2500m3/s)已经建成。

(注：全包方案无地下厂房，本实验有地下厂房)

三峡工程建成蓄水后，水流进入坝区时，由于弹子石挑流，主流将逐渐移向左岸，右岸产生巨大回流，回流中泥沙沉积，在坝前将形成一个巨大的边滩。在实体模型实验中当发生1954年型大水丰沙的洪水时，坝前水位将达到159m，边滩淤积面高程将超过145m，对地下电厂和右岸电厂的进水十分不利，当三峡工程防洪采用城陵矶补偿调度方式时，将加速右岸边滩形成和淤高，需要综合考虑。

(4) 库区淤积和数学模型的改进

三峡工程可行性论证阶段，利用数学模型对水库泥沙淤积过程进行了多方面预估，例如淤积的数量、淤积的形态，长期保留的库容和库区洪水位以及淹没范围等问题。三峡水库蓄水运行以来，水文部门开始取得了三峡水库本身的实测资料，对已有的数学模型提供了进一步验证的基础。从原型观测资料的分析中可以发现有以下两方面的问题：

①要协调输沙量和断面法的测量成果

水库中泥沙淤积体是不断压实的，因此用输沙量法求得的泥沙淤积重量和用断面法求得的淤积体积是无法相互换算的，需要水文部门提供淤积体的单位容重资料和研究淤积体单位容重变化的规律，才能更好地做好数学模型的验证和改进的工作。

②要研究库区泥沙异重流运动的问题

实测资料表现，三峡水库蓄水以来库区的淤积越往坝前淤积强度越大。例如近坝段(大坝至庙河)长度仅15.1km，三年来就淤积泥沙6500万m3，深泓内的最大淤积厚度达到53.4m，淤积面的纵剖面平缓（参见图2），可能存在异动流运动。而原来数学模型计算中，由于缺少资料，未考虑异重流运动，坝前淤积偏少，需要在今后计算中加以改进。

图2 200年3月至2004年10月三峡工程坝前河段深泓变化

近年来，林秉南院士等提出了新的水库调度方式。建议提出：当寸滩站预报洪水流量超过40000m3/s时，将坝前水位从145m降到135m，同时控制枝江流量不超过56700m3/s，在大洪水到达大坝之前，水库内泥沙将被冲刷，然后，水库水位将升高到拦洪需要的高度。数学模型计算表明，如果三峡水库投入后的第三年就按照这一调度方式运用，在运用100年后，三峡水库内的泥沙淤积总量将有所减少，如果将135m和145m之间的库容考虑进去的话，可能增加的有效防洪库容将达到50亿m3，重庆河段的泥沙淤积将减少40%。这一调度方式的缺点是每年有5至7天船闸将停止使用。由于万吨船队在流量超过20000 m3/s时在部分河段不能通航，在流量超过40000m3/s后这一调度方式将仅仅对单独航行的船舶通航带来不便。

(5) 葛洲坝枢纽下游的水位变化

葛洲坝枢纽工程处于三峡工程下游约40km，当三峡水库蓄水并下泄低含沙水流时，葛洲坝枢纽下游的河床将受到冲刷，导致水位下降，从而使葛洲坝船闸坎上和下游引航道中的水深不再能满足航运的要求。数学模型曾被用来预报下游河床冲刷的数量和宜昌水位的变化。计算结果表明，在三峡水库的各个运用阶段，预报的宜昌站水位都低于航运部门所要求的水位(参照表4)。

为了满足135m蓄水位时期通航的需要，曾采用了以下措施。

①利用围堰135～139m之间的超高蓄水，用以增加枯水期的下泄水量。

②在有控制作用的河段中铺设护底防冲工程，以避免河床进一步下切。

③改建大江船闸，提高船闸的通航效率。

目前，三峡工程将进入156m的运行时期，4000m3/s流量的宜昌水位已经低于38.5m(参见图3)。宜昌下游的河床护底抗冲工程虽已实验两期，但受到河道挖沙活动的严重干扰。根据长江委水文局的调查，三年来(2003至2005年)，宜昌至沙市河段的挖沙量可能达到2070～3830万m3，采沙活动如果不能得到制止，将对未来的船舶通航造成难以弥补的影响。

图3 宜是站枯水期水位流量关系曲线

(6) 芦家河浅滩河段的治理问题

芦家河河道是长江中游卵石夹沙河床向沙质河床变化的过渡河段。在三峡工程“清水”下泄发生冲刷的情况下，下段河道的冲刷量大于上段，河道内将很快发生坡陡流急的现象。目前，在毛家花屋至姚港一带，枯水期的航运条件已逐渐恶化。据调查，2004年2月10日，一个一拖四驳的船队（拖轮2040马力，四个1000吨甲板驳）上行发生困难，增加一个500马力的拖轮后，上行航速仍仅有1.55km/h。2005年3月7日，当日流量为4940m3/s，一艘1942kW的拖轮顶推5条1500吨和1条1000吨的驳船，实际载重仅4200吨，上行最小航速仅2.3km/h。由于近年来长江航道货运量迅速增长，这一河段的整理必须及早进行。芦家河浅滩整治需要调整河道的比降，整治后芦家河上口的水位将有所降低，从而将会影响到宜昌水位的控制，因此需要通过实践，探索如何消除或减少这一影响的途径和方法。

(7) 下游河道的冲刷情况

三峡建坝后，枢纽下泄水位的含沙量明显减少，长江中下游河道将经历很长时期的河床演变过程。为预测三峡工程建成后长江河道的冲淤情况，利用数学模型，进行了三峡建坝后宜昌至大通河道的冲淤计算。计算表明：宜昌至大通的最大冲刷量可能达到40～43亿t，最大冲刷量发生三峡水库运用50～60年的时期内，宜昌至城陵矶、城陵矶至武汉、武汉至九江、九江至大通各河道累计冲刷的变化过程列于表5内。

由表可见，在三峡水库运用初期，邻近水库较近的河段冲刷量很快增加，随着库区淤积发展，下泄泥沙增多，河道开始回淤，而离水库较远的河段开始时河道有所淤积，到水库运用一段时间后转为冲刷，因此，三峡水库下游河道的冲淤过程是一个比较复杂的动态过程。

从河床刷深，水位下降来说，对防洪是有利的，但河道冲刷会引起河势的变化，造成滩地后退，护岸坍塌，堤防出险，又不利于防洪。因此在三峡工程的蓄水过程中，需要加强原型观测的工作，跟踪监测水库下游河道的冲淤演变，做好人力、物力的准备，建立应急抢险机制，加强河道的整治工作。

2003年三峡工程蓄水运用以来，由于入库沙量减少，实测的出库沙量也远少于论证阶段的预测值，因此，三年来下游河道的冲刷强度和冲刷范围都大于预报值（参见表6和表7）。

(8) 洞庭湖的调蓄作用需要恢复和提高

洞庭湖是长江中下游防汛体系中重要的组成部分。在汛期，通过三口分流（参见图7），洞庭湖可以削减枝城洪峰6200～27800m3/s，平均17500m3/s，对减轻荆江的洪水压力有重要作用。但从上世纪60年代以来，由于荆江裁弯和葛洲坝枢纽的修建，使荆江同流量水位降低，同时加上洞庭湖三口分洪道的淤积，使三口分流能力日益减少。目前三口的分流比已经降低到上世纪五、六十年代的一半以下（参见表8）。因此，洞庭湖调蓄长江洪水的能力已经有了巨大的降低。

根据文献提供的资料，比较1954年和1998年两场数量级相近的洪水发生时洞庭湖调蓄能力的差别（参见表9、10）。由表可见，1954年洪水发生时，洞庭湖分洪969亿m3，调蓄洪水561亿m3，而当1998年洪水发生时，洞庭湖三口分洪728亿m3，调蓄洪水250亿m3。两次洪水相比，三口分洪量减少241亿m3，调蓄洪水能力减少了311亿m3，由此可见，如果在现状下发生1954年型的洪水，即使增加了三峡水库的防洪库容，长江中下游需要安排的分洪量将超过《长江流域综合规划》中估计的数量。鉴于在长江两岸安排滞蓄洪区的困难很多，在三峡工程转入运用后，采用工程措施，增加洞庭湖的三口分洪能力，恢复洞庭湖对长江洪水的调蓄作用，是十分必要的。

图4 荆江和洞庭湖平面形势图

作者简介：张仁，清华大学教授，三峡工程泥沙专家组专家。