三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)支流水庫(kù)影響分析

胡 鵬，楊勝發(fā)，付旭輝

（1.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430011；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

三峽工程歷經(jīng)7 a三期蓄水，現(xiàn)已正式進(jìn)入（175-155-145 m）調(diào)度方式運(yùn)行階段。水庫(kù)在175 m蓄水時(shí)，回水末端直至重慶江津花紅堡附近［1］。三峽庫(kù)區(qū)支流眾多，由于長(zhǎng)江干流蓄水原因，支流水庫(kù)的壩前水位及其調(diào)度方案將受到一定影響。本文以重慶龍盛水庫(kù)為例，探討龍盛水庫(kù)的水位運(yùn)行調(diào)度與三峽水庫(kù)運(yùn)行間關(guān)系。圖1為三峽水庫(kù)壩前典型調(diào)度水位示意圖。

龍盛水庫(kù)位于重慶市兩江新區(qū)龍盛片區(qū)御臨河下游河段，壩址下游距離御臨河與長(zhǎng)江的匯合口約2.7 km，是一座以城市供水和灌溉為主兼有農(nóng)村人畜飲水等綜合利用效益的中型水利工程。壩址控制集雨面積為3 853 km2，多年平均來水量20.21億m3，水庫(kù)正常蓄水位為172.20 m，正常庫(kù)容1 794.2萬m3，校核洪水位為177.02 m，總庫(kù)容為4 271.2萬m3。工程采用重力壩與泄洪沖沙閘（由導(dǎo)流明渠改建）布置方案。

圖1 三峽水庫(kù)壩前典型調(diào)度水位示意圖Fig.1 Upstream water level of the Three Gorges Reservoir

1 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

1.1 基本方程

三峽水庫(kù)典型調(diào)度方式下，對(duì)應(yīng)御臨河口長(zhǎng)江水位以一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

由于所研究的問題為長(zhǎng)河段、長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)發(fā)生的，在實(shí)際計(jì)算中對(duì)一維水流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。將整個(gè)計(jì)算時(shí)段劃分為小的計(jì)算時(shí)段，將長(zhǎng)河段劃分為若干個(gè)短河段，可按恒定非均勻流考慮［2-3］，水流運(yùn)動(dòng)變?yōu)?/p>

式中：Z2、Z1為計(jì)算段上、下游斷面水位；V2、V1為計(jì)算段上、下游斷面平均流速；α2、α1為計(jì)算段上、下游斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，一般取1.05；hf為沿程水頭損失；hj為局部水頭損失。

在流量、尾段水位和水頭損失確定后，即可由式（1）和式（2）算出河道斷面的各水力要素。

1.2 水頭損失計(jì)算

1.2.1 沿程水頭損失

沿程阻力損失主要決定于均勻流的坡降，可表示為

式中：χ1、χ2分別為計(jì)算段上、下游斷面濕周；Α1、Α2分別為計(jì)算段上、下游斷面過水面積；n為斷面綜合糙率。

斷面綜合糙率采用Einstein的阻力疊加法確定［4-8］（圖 2）。

式中：χw、χb分別為計(jì)算斷面的河岸濕周和河床濕周；

nw、nb分別為計(jì)算斷面的河岸糙率和河床糙率。

1.2.2 局部阻力損失

局部阻力損失主要包括斷面突然擴(kuò)縮引起的局部水頭損失和彎道平面形態(tài)引起的水頭損失［2］。

（1）斷面突然擴(kuò)縮引起的局部水頭損失。

斷面突然擴(kuò)縮局部阻力系數(shù)與河槽形態(tài)、收縮或放寬的比例以及水流情況有關(guān)，局部水頭hj損失可按下式計(jì)算

圖2 Einstein的阻力疊加法參數(shù)示意圖Fig.2 Parameters of Einstein′s resistance superposition method

收縮時(shí)（A1＜A2，V1＞V2）

擴(kuò)寬時(shí)（A1＞A2，V1＜V2）

式中：ξj1為斷面突然擴(kuò)縮局部阻力損失系數(shù)；β值在缺乏實(shí)測(cè)資料情況下可取β=0.1～0.5。

（2）彎道平面形態(tài)引起的水頭損失。

彎道附加的局部阻力損失可參考下式計(jì)算

式中：R為水力半徑；r為河段彎曲半徑；l為河彎長(zhǎng)度；C為謝才系數(shù)。

1.3 模型驗(yàn)證

三峽庫(kù)區(qū)近幾年的原型觀測(cè)，為本次試驗(yàn)提供了可靠的驗(yàn)證資料。根據(jù)2007年、2008年、2009年庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水位（共25個(gè)水位站），以及朱沱、寸灘、清溪場(chǎng)、萬州水文站的每日平均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選取了具有代表性的8組流量過程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

由驗(yàn)證各站的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，兩者偏差均在正負(fù)10 cm之內(nèi)。表1給出了沿程驗(yàn)證水位的差值及沿程糙率值，符合《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。亦認(rèn)為數(shù)學(xué)模型計(jì)算符合實(shí)際情況。

表1 沿程水位驗(yàn)證差值及糙率表Tab.1 Longitudinal water level verification and roughness m

2 干、支流水庫(kù)關(guān)系分析

2.1 計(jì)算時(shí)段劃分

此次計(jì)算時(shí)段劃分與長(zhǎng)江科學(xué)院采用的典型水沙系列年（1961～1970年）的劃分時(shí)段相同。分為10個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段劃分80組數(shù)據(jù)。根據(jù)御臨河實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，劃分后對(duì)應(yīng)時(shí)段流量如圖3所示。

圖3 對(duì)應(yīng)時(shí)段劃分后流量過程線Fig.3 Discharge hydrograph of period division

2.2 關(guān)系影響分析

以長(zhǎng)江1981年7月的洪水過程為代表，寸灘站洪水起漲流量為35 000 m3/s。按此流量相應(yīng)三峽水庫(kù)壩前調(diào)度143.3 m，計(jì)算得到御臨河河口水位為167.96 m。由此，本次試驗(yàn)以168.0 m作為龍盛水庫(kù)洪水期運(yùn)行水位。

當(dāng)長(zhǎng)江來流量小于洪水起漲流量時(shí)，龍盛水庫(kù)可按正常蓄水位172.2 m運(yùn)行。若三峽水庫(kù)在此回水水位高于172.2 m時(shí)，則龍盛水庫(kù)壩前水位應(yīng)為三峽庫(kù)區(qū)回水水位；若三峽回水水位低于172.2 m（此水位即為龍盛水庫(kù)壩后水位），壩前水位應(yīng)以各時(shí)段御臨河來流量和同時(shí)段計(jì)算所得壩后水位（根據(jù)泄流形式）計(jì)算得到。

當(dāng)長(zhǎng)江來流量大于洪水起漲流量時(shí)，龍盛水庫(kù)壩前調(diào)度采用168.0 m運(yùn)行。壩前水位確定與172.2 m調(diào)度確定水位方法相同。

最后計(jì)算出劃分10個(gè)時(shí)段的三峽壩前水位調(diào)度曲線，同時(shí)段御臨河河口水位曲線以及同時(shí)段龍盛水庫(kù)調(diào)度壩前水位曲線如圖4所示。

圖4 同時(shí)段三峽水庫(kù)調(diào)度與龍盛水庫(kù)調(diào)度曲線示意圖Fig.4 Dispatch curves of the Three Gorges Reservoir and Longsheng reservoir in same duration of time

3 小結(jié)

為分析處于三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)的支流水庫(kù)與三峽水庫(kù)調(diào)度之間存在的關(guān)系，首先采用一維數(shù)學(xué)模型，以庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，按照三峽水庫(kù)（175-155-145 m）典型調(diào)度方式，計(jì)算得到了劃分時(shí)段后相應(yīng)流量的龍盛水庫(kù)壩后水位。

其次，根據(jù)時(shí)段劃分后御臨河的來流量，與計(jì)算得到的壩后水位關(guān)系，推求出了同時(shí)段運(yùn)行條件下龍盛水庫(kù)壩前水位。為龍盛水庫(kù)的調(diào)度提供了理論依據(jù)。

最后，計(jì)算得到同時(shí)段下三峽壩前水位調(diào)度曲線，以及對(duì)應(yīng)的御臨河河口水位曲線和龍盛水庫(kù)壩前水位曲線圖。

［1］楊勝發(fā)，胡江，胡鵬.一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算報(bào)告［R］.重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

［2］楊勝發(fā)，許光祥，李昌志.嘉陵江合川樞紐調(diào)蓄及泥沙淤積計(jì)算［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21（4）：101-105.YANG S F，XU G X，LI C Z.Calculation of store floodwater&sediment deposition on the Hechuan Reservoir in the Jiangling River［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2002，21（4）：101-105.

［3］吳持恭.水力學(xué)上冊(cè)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］王興奎，邵學(xué)軍，王光謙.河流動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［5］王開，魏加華，王光謙.大型渠道糙率系數(shù)設(shè)計(jì)取值的不確定性及影響分析［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，16（6）：870-878.WANG K，WEI J H，WANG G Q.Uncertainty in Design Value of Roughness Coefficient for Large Scale Channel and Effects Analysis［J］.Journal of basic science and engineering，2008，16（6）：870-878.

［6］JTJ/T232—98，內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］黃悅.三峽水庫(kù)運(yùn)用后變動(dòng)回水區(qū)最低通航水位計(jì)算分析［R］.武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2004.

［8］黃煜齡，黃悅.三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)最低通航水位計(jì)算分析［R］.武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，1995.