第二章 三峡工程泥沙问题研究方法
第一节 原型观测调查
一、概述
原型观测调查是三峡工程泥沙问题研究的首要方法。通过全面系统的原型观测调查资料分析，掌握建坝前后库区、坝区和坝下游河道的水沙变化和河道演变规律，为三峡工程规划、设计、施工和运行管理提供依据；同时，为泥沙数学模型计算和实体模型试验成果的可靠性验证提供依据。
三峡工程水文泥沙原型观测工作大体可以划分为两个阶段：1950—1992年阶段和1993年以后阶段［1-3］。
（一）1950—1992年阶段
长江水利委员会自1950年开始，为适应治理长江的需要，恢复、调整原有长江流域水文站网，并增设部分测站。1990年底长江水利委员会和流域内各省共设水文站823个、水位站456个、雨量站5106个，系统地收集长江流域的水文和降雨资料（图2-1）。1956年以来，根据长江流域规划和三峡工程规划设计工作需要，布设了专用测站并开展了专项测验。该阶段三峡工程水文泥沙观测未有全面的工作规划，长江水利委员会水文局结合三峡工程规划和其他水利枢纽工程建设，开展了卵石和沙砾推移质测验技术研究，1961年开始在寸滩站进行卵石推移质测验，1966年正式开始测验；1960—1963年先后在重庆猪儿碛、金沙碛和奉节臭盐碛河段进行河道演变观测；1968年丹江口水库蓄水运用后，系统地开展库区泥沙淤积和坝下游冲刷观测研究；1971年以来在葛洲坝水库库区开展了大量水流泥沙原型观测研究。
（二）1993年以后阶段
1993年以后，三峡工程水文泥沙原型观测进入全面系统开展阶段，长江水利委员会水文局按照1995年编制的《三峡工程施工阶段工程水文泥沙观测规划》和三峡工程泥沙专家组2001年编制的《长江三峡工程2002—2019年泥沙原型观测计划》，制定实施方案，经有关部门批准后组织实施。该阶段原型观测范围包括库区、坝区和坝下游宜昌至湖口河段三部分，主要内容包括三峡工程上下游及进出库水沙测验、库区及坝下游河道地形观测、河床组成勘测调查、重点河段河道演变、坝区河道演变、通航建筑物及电站水流泥沙观测等。
图2-1 长江流域主要水文测站分布略图
二、观测范围及内容
1993年以后三峡工程水文泥沙观测研究包括库区、坝区和坝下游水文泥沙观测三部分。库区范围为干流大坝至朱沱河段长753km，以及支流15条，其总长约651km；主要观测项目有库区水下地形测量、库区固定断面观测（包括床沙观测）、变动回水区河道演变观测、库区水位观测、进出库水沙测验、河床组成勘测与调查等。坝区范围为庙河至莲沱河段长31km（大坝上游庙河至坝址17km，大坝下游坝址至莲沱14km），以及莲沱至葛洲坝水利枢纽两坝间河段长26km；观测项目有坝区河道演变观测、通航建筑物水流泥沙观测、专用水文测验、围堰与明渠等水文泥沙观测、电厂水流泥沙观测、两坝间河段冲淤观测等。坝下游范围为葛洲坝水利枢纽至湖口的长江中游河段，长约1010km，以及洞庭湖区面积2700km2和荆江三口分流道长1030km；观测项目主要有长江中游干流、洞庭湖区和荆江三口分流道水道地形测量、固定断面测量（包括床沙观测），以及浅滩及护岸险工观测、重点河段河道演变观测、荆江三口分流分沙观测、沿程水面线变化观测、河床组成勘测与调查、推移质泥沙测验等。另外，还根据工程蓄水运用需要，开展了专题观测研究。
（一）水库淤积测验
水库淤积测验采用地形测量及固定断面观测相结合的方式进行。地形测量是为长河段的冲淤分布起总体控制作用，比例尺干流为1：5000，支流为1：2000；断面测量是地形测量的补充，为经常性的方法，以收集、计算与分析库区冲淤数量与分布，比例尺为1：2000，断面观测时，相隔一个断面取水下床沙沙样。
（二）库区水文测验
库区水文测验的范围为大坝至朱沱区间范围内的进出库站与库区站，利用现有的水文站，增加泥沙测验项目，干流站以增加推移质测验为主，支流站以增加悬移质测验为主。观测站为长江干流的朱沱、寸滩、清溪场、万县站，支流的嘉陵江北碚与东津沱站、乌江武隆站，出库站为坝下游黄陵庙站。
（三）水库水位观测
水库水位观测范围为大坝至朱沱干流河段及重要支流河段，利用现有基本水尺，并按库区常年回水区平均40km、变动回水区平均10km一组的原则布置专用水尺，以满足准确推算沿程水面线的需要，并根据三峡工程建设与运用的不同阶段相应调整。
（四）变动回水区河道演变观测
变动回水区河道演变观测，目的是研究三峡水库变动回水区的冲淤规律，为改进水库调度运用方案、河道治理以及泥沙数学模型与实体模型验证提供依据。河道演变观测的河段在135m围堰蓄水运用后，选定为土脑子河段、涪陵河段、青岩子河段、洛碛至长寿河段及重庆主城区河段，重点为重庆主城区河段（图2-2）。观测河段随三峡水库不同运用阶段有所调整。各河段的观测内容有1：5000比例尺水道地形、水面流速流向、断面床沙取样等，每年汛前、汛期、枯水期共测3次。
图2-2 变动回水区重点河段河道演变观测范围
重庆主城区河段位于三峡水库175m蓄水运用期变动回水区上段，河段内的航道与港口泥沙冲淤问题是三峡水库泥沙问题研究的重点。通过河道演变观测，全面掌握河道冲淤规律，为水库调度运用、航道与港区治理提供依据。观测范围干流大渡口至铜锣峡下口长40km，嘉陵江井口至朝天门长20km，共60km，全河段布置固定断面65个，观测内容为1：5000水道地形（或局部港区1：2000水道地形）、1：2000固定断面、水面流速流向（或汇流段流场）、汇流段（嘉陵江与长江干流汇流河段）比降、汇流段不平衡输沙。朱沱、寸滩、北碚水文站同期进行观测（表2-1、图2-3）。
表2-1 重庆主城区河段河道演变观测情况
（五）坝区河道演变观测
为掌握坝区的泥沙淤积和冲刷，以及枢纽建筑物附近的泥沙冲淤和水流流态，根据三峡工程施工的不同阶段，分别进行了坝区河道演变、通航建筑物水流泥沙、电厂泥沙、专用水文测验、围堰及水流泥沙、两坝间泥沙冲淤等项目观测。
1.坝区河道演变观测
坝区河道演变观测内容包括1：2000水道地形、水面流速流向、水沙断面（图2-4）。
2.通航建筑物水流泥沙观测
观测工作按工程建设进展，分为临时船闸引航道水流泥沙观测，永久船闸、升船机引航道水流泥沙观测。观测内容为水道地形、水面流速流向、水沙断面。观测范围为自流荒背起经上口门区、上引航道、下引航道、下口门区至坝河口水尺，全长11.5km。
图2-3 重庆主城区河段河道形势
图2-4 坝区庙河—葛洲坝枢纽河段河道形势
3.电厂水流泥沙观测
观测范围为左、右电厂前1km水域和地下电站引水渠，观测内容包括1：2000水道地形、水面流速流向等。
4.专用水文测验
观测项目有坝区专用水位观测、进坝水流泥沙观测、出坝水流泥沙观测、近坝下游水位观测、电站过机泥沙观测等。
5.围堰及明渠水流泥沙观测
三峡工程施工期围堰及明渠水流泥沙观测包括施工围堰冲淤变化观测，导流明渠地形变化及水流流态观测，坝下游河岸护坡、水厂码头局部地形冲淤变化等。
6.两坝间河道冲淤观测
两坝间河道冲淤观测是为研究三峡水利枢纽至葛洲坝水利枢纽之间河段的冲淤和水流条件变化，为两枢纽联合调度提供基本依据。观测范围上起莲沱，下至葛洲坝水利枢纽，全长约30km。观测内容包括全河段1：2000水道地形、水面流速流向、固定断面、断面床沙取样等。
（六）坝下游河道冲淤观测
坝下游河道冲淤观测是为掌握坝下游河道冲刷发展过程和河势调整过程，为分析坝下游河道冲刷的影响及对策研究提供依据。坝下游河道冲淤观测范围包括坝下游长江干流宜昌至湖口河段，洞庭湖区和荆江三口分流道。观测内容包括河道地形观测和固定断面观测。河道地形观测要求宜昌至湖口河段为1：10000水道地形图，洞庭湖区比例尺为1：10000，三口分流道比例尺为1：5000；测次按大江截流前、大江截流阶段及围堰蓄水前、蓄水初期和试验性蓄水阶段安排。固定断面在不进行地形测量的年份进行，长江干流平均2km布设一个断面；荆江三口分流道平均3km布设一个，每个支汊断面不少于2个；洞庭湖按河道的卡口、转折点布设。每间隔一个断面布设床沙取样断面。
（七）坝下游重点河段河道演变观测
为研究三峡建坝后长江中游河道演变趋势及其对防洪、航运、取水等方面的影响提供依据，开展了宜昌至枝城河段、芦家河河段、太平口至郝穴河段、周公堤至碾子湾河段、调关河段、监利河段、长江与洞庭湖汇流段、簰洲湾河段、长江与鄱阳湖汇流段河道演变观测，以及荆江重点护岸险工段监测和荆江三口分流分沙观测（图2-5）。河道演变观测内容为水道地形、一级水文断面（观测项目为水位、水温、流量、悬移质、床沙）、水面流速流向、床沙、水面比降、沿程水位等。荆江重点护岸险工段观测内容为1：2000半江水道地形。荆江三口分流分沙观测利用荆江三口的水文站进行，内容为流量、含沙量、输沙率、悬移质颗粒级配等，并计算三口入湖占长江干流枝城站的分流分沙比。
（八）坝下游水流泥沙观测
坝下游水流泥沙观测主要目的是收集坝下游沿程同步水位及悬移质与推移质泥沙资料，为河道演变分析提供沿程水面线变化和推移质等水沙资料。观测在现有的基本水文（水位）站常规测验的基础上，适当增加专用水位站，进行沿程同步水位观测，以及沙质与卵石推移质观测。
（九）专题观测
1.库区淤积物干容重观测
库区淤积物干容重观测目的是分析三峡水库初期干容重的时空分布规律，为分析水库整体淤积形态和水库的有效库容提供依据。针对三峡水库的特点，通过采样仪器的研制与测试，基本形成犁式床沙采样器、挖斗式床沙采样器和转轴式淤泥采样器等干容重取样仪器系列，获得较为可靠的干容重观测资料。观测布置以长河段与典型河段相结合，长河段观测的断面在泥沙淤积观测固定断面中选取；典型河段则分别选取水库坝前段、常年回水段和变动回水段。
2.坝前挟沙浑水运动状态观测
为了解三峡水库坝前挟沙浑水运动状态，异重流的形成、发展和消失过程，在2004年、2005年进行了专题研究。观测范围：2004年为大坝至庙河专用水文断面，全长约13km，布设5个观测断面，年测4次；2005年为大坝至秭归县归洲镇，全长约39.3km，布设6个观测断面，年测3次。
3.坝下游芦家河浅滩枯水期水流条件观测
观测目的是为三峡建坝后坝下游芦家河浅滩枯水期水流条件的变化对通航的影响及治理措施研究提供依据，156m蓄水期进行了枯水期比降及水流流场观测，观测内容包括水面纵比降、横比降和水流流场。
4.河床组成勘测调查
完整的建坝前后河道河床组成资料，对研究建坝后库区和坝下游河道演变趋势及其对防洪、航运的影响有着重要作用。根据三峡工程建设不同阶段分别开展了三峡库尾上游河道、库区、坝区和坝下游河道的河床组成勘测调查，河床组成勘测调查的范围水库自金沙江屏山至重庆主城区河段长约440km；嘉陵江合川至重庆主城区河段长95km；坝区自奉节到三峡坝址长约165km；坝下游河道自宜昌至湖口河段长约950km。河床组成勘测调查的内容包括地质钻探、洲滩坑测、水下床沙取样、河床组成调查等。
图2-5 长江中游重点河段观测布置
5.水库蓄水与消落过程水文泥沙观测
该项观测的目的主要是了解三峡水库不同运用阶段的蓄水与消落过程中库区特别是变动回水区重点河段的水沙和河道变化情况，为合理确定水库调度运用方案提供依据。
2003—2005年水库135m围堰蓄水运用阶段进行了水库蓄水至135m水位过程，以及139m消落至135m过程中，水库和坝下游沿程水面线及涪陵、土脑子河段水流泥沙观测。2006—2007年水库156m蓄水位运用阶段进行了蓄水至156m过程中变动回水区库区沿程水面线、库区和坝下游水沙测验以及变动回水区青岩子、洛碛和重庆主城区河段河道演变观测；2008—2012年175m试验性蓄水阶段进行了库区沿程水面线、库区水沙测验和变动回水区青岩子、洛碛、重庆主城区河段河道演变观测。详见表2-2、表2-3。
表2-2 135m、156m蓄水过程水文泥沙观测研究情况
续表
表2-3 172m、175m蓄水过程水文泥沙观测研究情况
续表
6.临底悬移质泥沙观测
关于长江悬移质泥沙测验的测量范围，按照GB 50159—92《河流悬移质泥沙测验规程》，是在距河底0.2倍水深以上，而距河底0.2倍水深以下至河床无需布点，不影响测沙的精度。但三峡水库平均水深接近50m，故采用常规测验方法将有近10m深的临底悬移质未能实测，坝下游河道冲刷过程中，河道输沙特性也与建坝前有所不同，上述两种情况均可能影响到断面输沙量测验精度。因此，在156m初期蓄水阶段，选择三峡水库与坝下游的5个水文站（清溪场、万县、宜昌、沙市、监利）开展了临底悬移质观测研究，分析常规测验和临底悬移质泥沙测验成果的差异。
为收集临底的悬移质，采用多线多点法观测，其中垂线取样布置为7点，即以河床为相对零点，取样相对位置为1.0、0.8、0.4、0.2、0.1、距床面0.5m、距床面0.1m。悬移质测验垂线布置与流速流量测验相同，在垂线相对位置1.0、0.8、0.4、0.2处采用横式采样器取样，垂线相对位置0.1、距床面0.5m和距床面0.1m处则用临底悬移质采样器取样，床沙测验与每次临底悬移质测验同时进行。
7.水库175m—174.5m—175m蓄水水面线动态变化观测
为了解三峡水库坝前175m—174.5m—175m蓄水水位变化时库区沿程水面线动态变化，以及回水范围线与末端位置，为水库综合利用和水库调度运用方案研究提供依据，2010年11月2—10日开展了水库175m—174.5m—175m蓄水水面线动态变化观测，观测内容包括175m—174.5m—175m水位变化时沿程水面线观测；定水位水面线观测。水位观测采取两岸同时观测方法，干支流除已有的48组水尺外，新设对岸临时水尺44组。