实时水情信息显示,6月11日13时,三峡水库的水位已下降到150.35m,汛期水位还将进一步下调至145m的汛限水位。汛前腾库是三峡应对长江洪水的重要措施,必要时会启用泄洪坝加大下泄速度,相当于是通过舍弃部分发电效益来换取防洪效益。

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三峡大坝在防洪、发电、航运、供水等方面均具有显著效益,其中,优先级最高的还是防洪效益。据央视新闻消息,目前长江已进入主汛期,三峡水利枢纽将如何发挥防洪功能呢?防洪与发电的效益又该如何协调?我们先从防洪说起。

三峡大坝的防洪能力

长江是一条洪水多发的河流,相关资料表明,从公元前206年的西汉时期至1911年的清末时期,长江流域在2117年间共发生214次水灾,平均每10年发生一次,建国后的1954年、1981年和1998年都发生了特大洪水。

为确保长江安澜,拦江建坝的呼声日益高涨,三峡大坝应运而生,工程在2006年5月全线建成。三峡大坝以防洪为首要目标,坝址选在湖北宜昌三斗坪镇,扼守长江上游的梯级水库群,控制流域面积达100万平方公里,在长江防洪体系中起到了“总开关”的作用。

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三峡大坝具备与自身防洪能力相匹配的防洪设施:坝顶高程185m,轴线长2309m,总工程混凝土用量达2794万m³,拦河坝仅靠自身重力就可抵挡上游洪水的冲击。大坝中部设有483m的泄洪专用坝段(泄洪坝),由23个小坝段组成,内置泄洪深孔和表孔,可与排漂孔、排沙孔、电站机组联合运行,泄洪峰值流量可达11.6万m³/s,泄流能力强大。

三峡水库还拥有国内首屈一指的库容配置,在175m的正常蓄水位下,水库容量达393亿m³,内含防洪库容221亿m³。其中,预留39.21m³库容用于应对特大洪水,预留182.3亿m³库容用于荆江防洪,既可预防上游来水,又能兼顾下游的防汛需求。

得益于杰出的防洪设计,三峡大坝直接提高了下游的防洪标准,荆江河段可应对100年一遇的洪流,对应的流量超过83700m³/s,此时通过三峡工程的调蓄,下游枝城站的最大流量可稳定在56700m³/s以内,在不启动分洪工程的情况下,荆江河段仍可安全行洪度汛。

在防洪实战中,三峡大坝也不负众望,防洪成绩达成预期。从2003年到2021年,三峡工程累计拦洪66次,拦洪总量达2088亿m³,相当于自身库容的5.3倍。其中在2010年、2012年和2020年,洪水峰值流量都超过了1998年,三峡大坝均顺利完成核心调度,减轻了荆江河段的行洪压力。

以2020年为例,当年最大入库流量超过70000m³/s,长江上中游水库群累计拦蓄约300亿m³的洪水,三峡水库就独自拦蓄了146亿m³,占比高达48.7%。由此可见,三峡大坝在长江防洪中起到了中流砥柱的作用。

泄洪坝段的水为何不能用来发电?

为保证防洪无忧,三峡水库需要提前留出足额的防洪库容,汛期主动下降水位,但通过泄洪方式排出的库水却无法用来发电,这又是为什么呢?

我们要明白三峡大坝是如何发电以及如何泄洪的。三峡大坝有配套的发电厂房,电厂采用对称式、坝后式设计,左右厂房位于泄洪坝段的两侧,分别安装14台和12台水轮发电机组,单台装机容量为70万kW,左岸山体中的电源电站配有2台单机容量5万kW的水轮发电机组,右岸坝肩山体的地下电站厂房中还有6台单机容量为70万kW的水轮机组。整个枢纽工程装机容量为2250万kW,年发电量可达1000多亿度。

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电站的引水发电原理见下图,发电用水来自厂房坝段和坝后布置的26条电站引水压力管道,管道的进水口位于大坝上游一侧,直径12.4m,底部高程为108m。引水管道是一套独立的过流系统,单独引流至电站厂房内,进而推动水轮机发电。考虑到发电效率,电站的出水口设置在大坝最底部,与进水口保持有大约60m的水位高差。

三峡大坝水轮机的引水发电剖面图

三峡大坝的泄洪系统则属于另一套排水系统。坝体共设有77个坝孔,中部的泄洪坝上就有67个排水口,从高到低依次为溢流表孔、泄洪深孔以及导流底孔,左右坝段另有7个排沙孔和3个排漂孔。这些坝孔以排水、排沙、排漂为主要功能,出水口的高程高于水轮发电机的出水口。因此,通过泄洪坝段排出的水不经过水轮发电机组,自然也不能用来发电。

不过,为实现对长江水电资源的最大化利用,三峡大坝在汛期排水时,一般优先采用机组发电过流。只有当发电机组的满负荷下泄流量仍无法满足防汛需求时,此时才会开启泄洪坝的排水孔,加大下泄流量。

即便库区的水不能全部用来发电,三峡水电站还是取得了喜人的成就:2020年三峡电站一年发电1118亿kWh,创下世界单座水电站的最高纪录。截至2022年8月,三峡电站累计发电量达15634亿kWh,而上海市2022年的用电总量为1568.6亿kWh,三峡水电站的发电量足够上海市使用10年。

兼顾防洪与发电:三峡大坝为何不加高?

三峡水库的防洪、发电效益似乎不可兼得,但有网友认为:通过加高大坝就能解决这一问题。理由是加高大坝能进一步增加防洪库容和兴利库容,防洪汛限水位也将更高,对应的发电效益也就越显著。

网友的建议并非没有依据。同样都是重力坝,丹江口大坝就是通过坝体加高工程产生了显著的效益。丹江口大坝位于湖北丹江口市汉江干流与支流丹江的汇合处附近,该坝在2005年开始加高,2013年竣工并完成蓄水验收。加高后的丹江口大坝从162m(高程)提高到176.6m,加高了14.6m,正常蓄水水位从157m提高到了170m,总库容增至319.5亿m³。

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加高的效益体现在多个方面,首先是蓄洪能力变强,将汉江中下游的防洪标准提高到100年一遇。其次,供水效益也得到了保证,丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,大坝加高使库区的蓄水量更足,短期内能为北方调水95亿m³,远期调水量可达120~130亿m³。此外,加高后的丹江口水库还可为汉江中下游额外提供生态流量补给,兼顾下游的航运能力,综合效益相当可观。

三峡大坝若像丹江口大坝一样加高,产生的效益也不可估量,就拿防洪来说:三峡库区的多年平均径流量为4510亿m³,集中在6~10月汛期的流量在3000亿m³左右,相当于三峡自身库容的7~8倍。受库容规模制约,三峡的防洪调度只能采用削峰的策略,防洪压力较大,如果加高大坝,防洪能力将更加游刃有余。

其实在上世纪80年代,我国水利专家就考虑到了这一问题,主要讨论的大坝高程有三种:一是坝高160m的中低坝,二是坝高185m的中坝,三是坝高200m的高坝,对应的蓄水水位依次增高。

为解决坝高问题,我国组织了500多位专家参加研讨会,分生态环境、防洪、库区淹没与移民、泥沙淤积、航运、电力规划等8个专题进行论证。专家一致认为,三峡水库蓄水150m的方案不宜采用,无法体现三峡在防洪、发电、航运方面的效益,最稳妥的正常蓄水水位确定为175m,对应坝高就是185m。

如果进一步加高大坝,比如:将正常蓄水水位定为180m,坝高定为200米,综合效益的确更加显著,但不利的一面是将增加1倍的水域淹没面积、增加2倍的移民数量。综合利弊考虑,高坝方案“有喜有忧”,三峡大坝最终还是采用了185m的中坝方案,这也是最符合当前运行需求的科学决策。

总结

三峡大坝是中国水利工程的典范,我国在论证时期就全面考虑了各种情况,确保枢纽在防洪、发电、航运方面实现效益的最大化。

防洪功能是三峡大坝的核心功能,大坝按设计标准提高10%可抵御万年一遇的洪水,确保长江下游居民免受洪水威胁,这才是三峡大坝贡献的最大福祉。在防洪安全面前,为腾库而损失的小部分发电量自然就不值一提了。