Durchfluss- und Sedimentmessung für das Drei-Schluchten-Projekt

Abstrakt
Strömungs- und Sedimentprobleme sind einer der Hauptfaktoren, die den Dispatch-Betrieb und die Lebensdauer des Drei-Schluchten-Projekts (TGP) beeinflussen. Während der Demonstration, Planung, Konstruktion, des Baus und des Betriebs des TGP wurden viele Ansätze zur Erforschung der Strömungs- und Sedimentprobleme verfolgt und viele wichtige Ergebnisse erzielt. Um den Fortschritt der Strömungs- und Sedimentmessung in Chinas repräsentativen Projekten und die Erfahrungen mit der Sedimentbeobachtung in sehr großen Stauseen zu verstehen, wird in dieser Arbeit hauptsächlich die Strömungs- und Sedimentmessung des TGP vorgestellt. Sie umfasst die allgemeine Situation des TGP, die Verteilung des hydrologischen Stationsnetzes, die Messfaktoren, die neue Messtechnologie und die Sedimentveränderungen im Stausee und stromabwärts nach der Aufstauung des TGP. Die Ergebnisse der Sedimentmessung zeigen, dass die Grundsituation der Sedimentprobleme gut ist. Diese Sedimentprobleme können sich jedoch im Laufe der Zeit ansammeln, entwickeln und verändern, sodass ihnen kontinuierliche Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.

1 EINLEITUNG
Das Drei-Schluchten-Projekt (TGP) ist das größte Wasserschutz- und Wasserkraftprojekt der Welt. Der Damm steht in Sandouping, Stadt Yichang, Provinz Hubei, und bildet die Trennlinie zwischen dem Mittellauf und dem Oberlauf des Hauptstroms des Jangtse. Er kontrolliert ein Entwässerungsgebiet von 1 Million km2 und das durchschnittliche jährliche Abflussvolumen erreicht 451.000 Millionen m3. Mit einem Hochwasserrückhaltevermögen von 22,15 Milliarden Kubikmetern spielt das Projekt eine wichtige Rolle beim Hochwasserschutz im Einzugsgebiet des Jangtse. Bei einem normalen Staupegel von 175 m beträgt das gesamte Rückhaltevermögen des Reservoirs 39.300, wovon 22.150 Millionen m3 dem Hochwasserschutz dienen. Die Entwicklung des TGP konzentriert sich auf Hochwasservorsorge, Stromerzeugung und Vorteile für den Wassertransport. Auch die ökologische Umwelt wird dadurch verbessert. In diesem Zeitraum wurden umfassende Verbesserungen hinsichtlich Hochwasserschutz, Schifffahrt, Stromerzeugung und Wasserressourcennutzung erzielt.

Als zentraler Bestandteil des Hochwasserschutzsystems im Mittel- und Unterlauf des Jangtsekiang kontrolliert der TGP 96 % des Zuflusses zum Jingjiang, dem bei Hochwasser gefährlichsten Flussabschnitt, und über zwei Drittel des Zuflusses nach Wuhan. Der TGP spielt eine unverzichtbare Rolle bei der Eindämmung der Überschwemmungen und der Reduzierung der massiven Überschwemmungen im Oberlauf des Jangtsekiang. Bis Ende August hatte der Damm während der Hochwassersaison 180 Milliarden Kubikmeter Wasser zurückgehalten. In den Jahren 2010 und 2012 verzeichnete er Zuflüsse von über 70.000 Kubikmetern pro Sekunde und reduzierte die Hochwasserspitzen um etwa 40 %, wodurch der Druck auf den Hochwasserschutz in den flussabwärts gelegenen Gebieten erheblich gemindert wurde. In Trockenzeiten wurde der Abfluss auf über 5.500 Kubikmeter pro Sekunde erhöht, wodurch der Mittel- und Unterlauf des Jangtsekiang jährlich mit mehr als 20 Milliarden Kubikmetern Wasser versorgt wird.

Die Prototypbeobachtung dient der Sedimentforschung, dem Bau und dem Betrieb des TGP in verschiedenen Zeiträumen. Mithilfe von Prototypmessungen wurden die Schwankungen des Abflusses und der Sedimentfracht im Hauptkanal des Jangtse sowie die Veränderungen und die Entwicklung des Flussbetts analysiert. Die Verteilung der Standorte ist in Abbildung 1 dargestellt. Die aktuellen Beobachtungsergebnisse entsprechen im Wesentlichen denen aus der Machbarkeitsstudie (Lu & Huang, 2013). Aufgrund der Verringerung der Sedimente flussaufwärts und des Baus von Kaskadenreservoirs am Jinsha-Fluss nach den 1990er Jahren ist die Sedimentation des Drei-Schluchten-Stausees (TGR) jedoch deutlich geringer als zuvor, was zu einer stärkeren und weitreichenderen Erosion des Flussbetts flussabwärts des TGP führt.

2 HYDROLOGISCHES NETZWERKDESIGN UND MESSSYSTEM
Um grundlegende Daten zu sammeln und Dienstleistungen für die Beckenplanung anzubieten, hat die Changjiang Water Resources Commission seit den 1950er Jahren schrittweise zahlreiche hydrologische Stationen entlang des Hauptstroms und der Nebenflüsse des Jangtse errichtet. Bis in die 1990er Jahre war im Wesentlichen ein komplettes Netzwerk hydrologischer Stationen und Sedimentüberwachungsnetzes aufgebaut. Es umfasst 118 hydrologische Stationen und mehr als 350 Messstationen. Darüber hinaus wurden umfangreiche Flussuntersuchungen und Sedimentanalysen durchgeführt. Die hydrologischen und Sedimentbeobachtungsdaten der letzten Jahrzehnte über mehrere Generationen hinweg bildeten die wissenschaftliche Grundlage für die Demonstration, Planung, den Bau und den Betrieb des TGP.

Die Prototypbeobachtung wird durchgeführt, um der Sedimentforschung, dem Bau und dem Betrieb des TGR in verschiedenen Zeiträumen zu dienen. Nachdem der Stausee 2003 mit der Speicherung begonnen hatte, traten Sedimentprobleme sowohl im Ober- als auch im Unterlauf auf, und die Prototypbeobachtung und die entsprechende Sedimentforschung wurden durchgeführt, um dem Betrieb des TGP direkt zu dienen. Das Beobachtungsziel umfasst die folgenden Aspekte: Erfassen der Hintergrunddaten zum natürlichen Kanalzustand vor der vollständigen Aufstauung; Erstellen von Referenzdaten für die Entscheidung über den Aufstauplan; Echtzeitüberwachung der Erosions- und Ablagerungsschwankungen sowohl im Ober- als auch im Unterlauf nach der Aufstauung und Erkennen der Probleme, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können; Validierung der verwendeten Simulationstechnologie und Verbesserung der Zuverlässigkeit der TGP-Sedimentvorhersage.

Der Beobachtungsbereich des hydrologischen Sedimentprototyps umfasst das Reservoirgebiet, den Dammstandort und den Unterlauf. Seit 1949 wurden auf der Grundlage langjähriger Sedimentmessungen, Kanalbeobachtungen sowie Erkundungen und Untersuchungen zahlreiche Prototypbeobachtungsdaten und Analyseforschungsergebnisse gesammelt, um den Anforderungen der Planungs-, Entwurfs- und wissenschaftlichen Forschung in der Definitionsphase gerecht zu werden. Die Bauphase ist eine Zwischenphase nach der Prophase. Die Gesamtbauzeit beträgt 17 Jahre. Daher ist eine kontinuierliche Beobachtung der Schwankungen von Abfluss, Sediment und Randbedingungen erforderlich. Dies dient nicht nur der Planung, wissenschaftlichen Forschung, dem Bau und dem Betrieb, sondern auch der Validierung und Optimierung von Entwurf und Regelung.

Zu den Überwachungsfaktoren zählen vor allem Hydrologie, Sediment und Kanalgelände. Die Kanalgeländeuntersuchung dient hauptsächlich dazu, die Regelmäßigkeit der Kanalentwicklung im Rohzustand, die Sedimentablagerung am Reservoir, die Erosion flussabwärts und die Entwicklung der wichtigsten Abschnitte nach der Aufstauung des TGP zu ermitteln.

2 HYDROLOGISCHES NETZWERKDESIGN UND MESSSYSTEM
Um grundlegende Daten zu sammeln und Dienstleistungen für die Beckenplanung anzubieten, hat die Changjiang Water Resources Commission seit den 1950er Jahren schrittweise zahlreiche hydrologische Stationen entlang des Hauptstroms und der Nebenflüsse des Jangtse errichtet. Bis in die 1990er Jahre war im Wesentlichen ein komplettes Netzwerk hydrologischer Stationen und Sedimentüberwachungsnetzes aufgebaut. Es umfasst 118 hydrologische Stationen und mehr als 350 Messstationen. Darüber hinaus wurden umfangreiche Flussuntersuchungen und Sedimentanalysen durchgeführt. Die hydrologischen und Sedimentbeobachtungsdaten der letzten Jahrzehnte über mehrere Generationen hinweg bildeten die wissenschaftliche Grundlage für die Demonstration, Planung, den Bau und den Betrieb des TGP.

Die Prototypbeobachtung wird durchgeführt, um der Sedimentforschung, dem Bau und dem Betrieb des TGR in verschiedenen Zeiträumen zu dienen. Nachdem der Stausee 2003 mit der Speicherung begonnen hatte, traten Sedimentprobleme sowohl im Ober- als auch im Unterlauf auf, und die Prototypbeobachtung und die entsprechende Sedimentforschung wurden durchgeführt, um dem Betrieb des TGP direkt zu dienen. Das Beobachtungsziel umfasst die folgenden Aspekte: Erfassen der Hintergrunddaten zum natürlichen Kanalzustand vor der vollständigen Aufstauung; Erstellen von Referenzdaten für die Entscheidung über den Aufstauplan; Echtzeitüberwachung der Erosions- und Ablagerungsschwankungen sowohl im Ober- als auch im Unterlauf nach der Aufstauung und Erkennen der Probleme, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können; Validierung der verwendeten Simulationstechnologie und Verbesserung der Zuverlässigkeit der TGP-Sedimentvorhersage.

Der Beobachtungsbereich des hydrologischen Sedimentprototyps umfasst das Reservoirgebiet, den Dammstandort und den Unterlauf. Seit 1949 wurden auf der Grundlage langjähriger Sedimentmessungen, Kanalbeobachtungen sowie Erkundungen und Untersuchungen zahlreiche Prototypbeobachtungsdaten und Analyseforschungsergebnisse gesammelt, um den Anforderungen der Planungs-, Entwurfs- und wissenschaftlichen Forschung in der Definitionsphase gerecht zu werden. Die Bauphase ist eine Zwischenphase nach der Prophase. Die Gesamtbauzeit beträgt 17 Jahre. Daher ist eine kontinuierliche Beobachtung der Schwankungen von Abfluss, Sediment und Randbedingungen erforderlich. Dies dient nicht nur der Planung, wissenschaftlichen Forschung, dem Bau und dem Betrieb, sondern auch der Validierung und Optimierung von Entwurf und Regelung.

Zu den Überwachungsfaktoren zählen vor allem Hydrologie, Sediment und Kanalgelände. Die Kanalgeländeuntersuchung dient hauptsächlich dazu, die Regelmäßigkeit der Kanalentwicklung im Rohzustand, die Sedimentablagerung am Reservoir, die Erosion flussabwärts und die Entwicklung der wichtigsten Abschnitte nach der Aufstauung des TGP zu ermitteln.

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