成庫初期三峽庫區河段水位變化研究

摘 要：為分析三峽成庫后對航道水深的影響，收集了大量水文資料，建立了一維數學模型，對三峽成庫后正常蓄水期（139m、156m、175m）上游出現99%保證率流量以及防洪限制水位（135m、145m）上游出現平均流量以及出現常遇洪水（P=50%）兩種情形的計算得到：139m、156m、175m分別影響至涪陵李渡、銅鑼峽及江津，防洪限制水位時當上游出現平均流量與常遇洪水（P=50%）時， 135m、145m蓄水期分別影響至豐都和扇沱長江大橋。

關鍵詞：三峽水庫 水位變化 平均流量 航道條件

2003年6月三峽工程蓄水后，改變原來天然航道的水位變化情況，枯水期上游來水偏少，壩前水位抬高，航道水深增加，壩前水位影響范圍上延，汛期上游來流量增加，壩前水位降低，壩前水位影響范圍隨上游來流量的增加而后退。不管汛期還是非汛期，水庫回水末端皆受壩前水位和上游來水影響而變化，水庫回水范圍充分體現出三峽工程河道性水庫的特點。

三峽水庫調度過程

三峽工程2003年6月實現首次蓄水，壩前水位按135m運行，汛后壩前水位按139m運行；2004年至2006年9月，庫水位按135～139m方式運行（枯季壩前水位139m，汛期壩前水位135m）；2006年9月開始，三峽水庫按156～144m方式蓄水；2008年汛后三峽進入175m試驗性蓄水階段，具體蓄水過程見圖1。

圖1 蓄水以來壩前水位過程圖

水文資料的收集

天然情況下：2003年6月三峽為成庫之前，河道仍處于天然狀態，為了獲得三峽成庫前庫區河段沿程水位、流量、比降等情況，收集了2001年清溪場到寸灘6個水位站水位資料，用于天然情況下通航水流條件計算分析，見表1。

135-139m蓄水期：2003年6月至2006年9月三峽水庫按照135-139m蓄水運行，回水末端在涪陵李渡附近，本次收集了2003年三峽大壩至寸灘共9個站水位資料，見表1。

144-156m蓄水期：2006年9月至2008年9月，三峽水庫按照144-156m方案運行，回水末端在銅鑼峽附近，本次收集了144-156m蓄水期（2007年）三峽大壩至魚嘴沿程共15個水位（文）站水位資料，見表1。

175m實驗性蓄水期：2008年9月以來，三峽按照175m實驗性蓄水運行，最高水位達到了172.8m，回水末端在小南海以上，本次收集了175m試驗性蓄水以來（2008年）三峽大壩至江津沿程各水位（文）站的水位資料，見表1。

表1 三峽大壩-江津水位收集情況

數學模型的建立及驗證

為了全面了解蓄水前后庫區河段通航水流條件的變化情況，利用一維數學模型進行全河段數模計算，將近700公里庫區劃分為424個斷面進行計算（天然情況自萬州到江津劃分了275個斷面），模型驗證采用各蓄水期沿程水位資料。

1、流量選取和水頭損失計算

1.1 流量選取

三峽大壩-江津河段較長，中間主要有嘉陵江、烏江兩大支流匯入，在本計算當中按照分段恒定流來考慮。朱沱站控制江津-朝天門河段，寸灘站控制朝天門-涪陵河段，萬州站控制涪陵-三峽大壩河段（表2）。

表2 流量分段控制情況

1.2 沿程水頭損失

三峽庫區設計最低通航水位重點是在豐都-江津河段，因此本次計算在這些河段更加細致的考慮了阻力損失，主要在以下幾點與以往研究不同：

對采用相同糙率的河段劃分更細，如在寸灘-長壽河段，相同流量時，根據河段特性采用幾個不同的糙率，而不是同一糙率。

在豐都以上的觀音灘、剪刀峽、明月峽、黃草峽等眾多峽谷河段，天然情況汛期平均流量水位至計算水位時考慮邊壁糙率的影響。

2、數學模型的驗證

2.1 驗證工況

計算驗證主要針對以下幾種情況，天然情況、壩前135-139m、壩前144-156m、175試驗性蓄水階段，其中每個階段都考慮了對航運影響較大的幾種典型工況，主要考慮了蓄水期上游來水偏枯時的流量、各站遇到平均流量、各站常遇洪水流量（P=50%），其中天然情況自萬州開始計算至江津。具體驗證工況見表3。

表3 驗證選取工況

2.2 驗證結果

針對表3所選取的10種驗證工況一一進行了水位的驗證，其中天然情況收集到7個驗證水位（文）站，135-139蓄水期有8個驗證水位（文）站，144-156蓄水期及175m蓄水期有25個驗證水位（文）站。對所有具有實測水位的站點進行了實測水位和計算水位的對比，兩者差值較小，偏差在正負5cm以內，可見數學模型計算水位與實際情況吻合較好。

三峽庫區水位變化分析

1、計算工況

為分析三個階段的水位變化情況，對天然、135-139m、144-156m、145-175m蓄水期進行了蓄水期99%保證率流量、全年平均流量及常遇洪水流量的水位，共計28組，其中156m蓄水階段只計算蓄水期（表4）。

2、計算成果及分析

2.1蓄水期（99%保證率流量下）計算成果分析

通過計算結果對比分析可以看出，在枯水期三峽按照正常蓄水位運行，在139m蓄水期當上游出現99%保證率枯水流量時，涪陵李渡區以下成為庫區，水位自李渡至萬州段較天然情況有較大抬升，至萬州抬升幅度超過38m，自涪陵李渡至萬州水位抬升幅度依次增大；在156m蓄水期當上游出現99%保證率枯水流量時，銅鑼峽峽口至萬州段較139m蓄水期進一步增大，增大幅度最大約為17m，在156m蓄水期，這段航道條件相比139m蓄水期改善較大；在175m蓄水期當上游出現99%保證率枯水流量時，水位較天然、139m、156m蓄水期又進一步增大，較156m蓄水增大幅度最大約為19m，從水面線成果可以看出，銅鑼峽以下水面幾乎平齊，可見175m蓄水期該段航道條件改善明顯。具體變化情況見圖2。

圖2 99%保證率枯水期各蓄水階段水面線變化（與天然比較）

2.2 防洪限制水位（平均流量）計算成果分析

從水面線計算成果來看，135m蓄水期水面線自豐都開始有明顯改善，在萬州附近水面線升高28m；在145m蓄水期自扇沱長江大橋以下水面線有明顯改善，至萬州水位抬升幅度約為38m。具體變化情況見圖3。

圖3 防洪限制水位各蓄水階段水面線變化（與天然比較）

2.3 防洪限制水位（常遇洪水）計算成果分析

通過對壩前水位為防洪限制水位時上游遇到常遇洪水時水面線分析可以看出，在壩前135m蓄水期水面線自北拱開始有所抬升，但在豐都大橋（觀音灘）附近水位抬升幅度不大，自豐都大橋以下水位依次升高；在壩前145m蓄水期自洛磧河段（扇沱長江大橋上游7km）水位開始有所抬升，抬升幅度較135m明顯，在豐都大橋附近也有4m左右的抬升。具體變化見圖4。

圖4 防洪限制水位各蓄水階段水面線變化（與天然比較）

結論

為了研究三峽成庫后各蓄水期水位變化情況，分別收集了三峽成庫前、135-139m蓄水期、144-156m蓄水期、175m試驗性蓄水期庫區沿程水位（文）站水位資料。

為了解三峽運行初期庫區的水位情況，主要計算了正常蓄水期（139m、156m、175m）以及防洪限制水位（135m、145m）兩類工況，上游來水主要考慮對航運影響較大的三種情況：正常蓄水期（11、12月）對應于上游出現99%保證率流量，防洪限制水位對應于上游出現平均流量以及出現常遇洪水（P=50%）兩種情形。

通過對比分析正常蓄水期水位，139m、156m、175m蓄水分別影響至涪陵李渡、銅鑼峽及江津。防洪限制水位時當上游出現平均流量與常遇洪水（P=50%）時， 135m、145m蓄水期分別自豐都、扇沱長江大橋水位開始有所提升。

（作者單位：長江重慶航運工程勘察設計院）

注：本文為國家科技支撐計劃項目（2011BAB09B01）