三峽庫區回水變動區水位流量關系分析

郭義浩

摘 要：本文以寸灘水文站實測流量、水位和三峽壩前水位統計資料，分析了壩前水位對寸灘水文站影響的臨界水位，采用分段流量法進行多項式擬合，獲得三峽成庫后寸灘水文站水位流量關系方程，與實測值檢驗表明，該方法精度較高，可推廣應用于類似水文站。

關鍵詞：水位流量關系 繩套曲線 三峽水庫 回水變動區

水位流量關系曲線是用來描述測站處基本斷面的水位與通過該斷面的流量兩者之間關系的曲線，水位流量關系是水電、防洪、航運等工程設計的基礎數據。水庫蓄水后，將改變河流原有的水文水力特性，進而改變整個系統的物質場和能量場，原來天然河流單一的水位流量關系曲線變成復雜的繩套型曲線，正確確定兩者關系是一個難點，眾多學者從水位流量關系變化的原因、水位關系曲線擬合、資料整編等方面進行了廣泛的研究，取了一定的成果。

2003年6月，三峽工程開始蓄水以來，經過了135m-139m、144m-156m調度運行階段，于2008年9月底進入了175-145-155m實驗性蓄水階段，并與2010年10月26日首次蓄水至175m。受壩前水位變化影響，非汛期175m水位回水末端到達江津附近的紅花磧，汛期145m水位回水末端位于長壽附近。長壽至江津段航道成為回水變動區，同時具有水庫和天然航道的雙重特性，水位流量關系復雜，給航道的日常維護管理以及航道整治帶來了新的問題，急需確定三峽成庫后新的水位流量關系。本文擬從寸灘水文站實測水位、流量及壩前水位資料出發，分析確定三峽庫區回水變動區水位流量關系，用于指導工程實踐。此方法可推廣應于類似水文站。

三峽壩前調度曲線

三峽工程初步設計擬定的三峽水庫正常調度方式為（圖1）：汛期6～9月一般按防洪限制水位運行；10月初開始蓄水，至10月底蓄至正常水位；一般情況下，1～4月為水庫消落期，庫水位不低于枯水期消落低水位，5月底庫水位消落至枯水期消落低水位，6月上旬末庫水位降至防洪限制水位。與2011-2012年的實際壩前水位過程相比，原初步設計與實際調度方式差異較大。

根據《三峽水庫優化調度方案》和國家防總的批復以及考慮到2011年和2012年的實際調度曲線，確定選用防總2012批復方案。主要時間、水位節點見表1。

寸灘水文站水位流量關系

1、三峽成庫前寸灘水位流量關系

三峽工程2008年蓄水后才對寸灘水位流量關系產生影響，所以選用1985～2007年的實測水位、流量資料以及1955～2007年的大流量資料，繪制了成庫前寸灘水位～流量關系曲線（圖2）。為了方便計算和使用，采用6次多項式分段擬合如下：

QT<10000m3/s：

■（1）

QT=10000～60000m3/s：

■ （2）

Q>60000m3/s：

■ （3）

2、三峽壩前對寸灘水位流量關系產生影響的臨界水位

首先定義：寸灘水位庫后壅高■（ZT3為三峽成庫后某流量的寸灘站水位，ZT0為三峽成庫前同流量的寸灘站水位，由上式計算而得）。圖3是根據2008.1.1至2012.5.31實測的寸灘站日均水位、三峽壩前水位以及計算的■繪制而得。

從圖3明顯可以看出，當壩前水位ZT3<156m時，■集中在0m附近。這說明壩前水位ZT3<156m時，壩前蓄水對寸灘站水位～流量關系基本無影響。因此可認為壩前水位Z3=156m為三峽蓄水對寸灘水位～流量有無影響的臨界水位（寸灘歷年最低水位為158.21m，2008年后最小流量2270m3/s對應的天然水位約158.72m），當ZT3<156m時，寸灘水位～流量關系仍保持為成庫前的天然狀態。根據2008.6.1～ 2012.5.31三年資料統計，壩前水位低于155m、156m、157m、158m的分別占34.8%、38.01%、40.43%、42.23%；壩前水位低于同流量下寸灘天然水位的占51.07%。

3、三峽成庫后寸灘水位流量關系

前面已分析，當壩前水位ZT3<156m時，寸灘水位流量關系仍可采用天然情況的關系，一般5月1日～9月15日屬于此范疇。但當ZT3>156m后，關系成繩套形式（圖3），難以直接表達。通過分析，可采用圖4的分流量段進行擬合查取。

為了方便計算使用，再設■=壩前水位ZT3-同流量的寸灘天然水位ZT0，■=成庫后寸灘水位ZT3-壩前水位Z3，建立如下多項式：

QT≤5000m3/s、■≥-4m：

■ （4）

QT=10000～15000m3/s、■=-10～12m：

■（5）

QT=15000～20000m3/s、■=-10～9m：

■

QT>20000m3/s、■<0m：

■（7）

QT=5000～10000m3/s：按式（4）和（5）計算后根據流量直線內插。

4、擬合成果檢驗

根據式（1）～（7）計算的水位與寸灘實測水位比較（圖5），可以看出二者符合較好。

結語

水位流量關系是水電、防洪、航運等工程設計的基礎數據。三峽正常蓄水后，長壽至江津段航道成為回水變動區，水位流量成繩套形，本文以寸灘水文站實測流量、水位和三峽壩前水位統計資料，分析了壩前水位對寸灘水文站影響的臨界水位，采用分流量段法進行多項式擬合，獲得寸灘水文站水位流量關系方程，與實測值檢驗表明，該方法精度較高，可推廣應用于類似水文站。

參考文獻：

[1]盧金友， 羅恒凱. 長江與洞庭湖關系變化初步分析[J]. 人民長江， 1999， （ 4）： 24- 26.

[2] 郭小虎， 渠庚， 朱勇輝.三峽工程蓄水運用以來荊江水位流量關系變化分析[J]. 長江科學院院報，2011，（7）：82-85.

[3] 高兵役，李正最.洪水期水位流量關系繩套曲線的直接擬合[J]. 水文，1998，（5）：26-29.

[4] 李帆， 夏自強，王躍奎.葛洲壩水利樞紐工程對宜昌河段水文水力特性的影響[J]. 河海大學學報（ 自然科學版），2010，（1）：37-40.

[5] 程偉，陳立，許文盛，周銀軍.三峽水庫蓄水后下游近壩段水位流量關系[J]. 武漢大學學報（工學版），2011，（4）：434-438.

[6] 趙蜀漢，香天元，賴厚桂.三峽水庫蓄水后上下游站水文資料整編優化分析[J]. 人民長江，2012，（23）：18-21，32.

[7]長江水利委員會水文局. 2009年度三峽水庫泥沙淤積及壩下游河道沖刷專題匯報材料之――三峽水庫進出庫水沙特性、水庫淤積及壩下游河道沖刷簡要分析[R]. 武漢： 長江水利委員會水文局， 2010.

本文受長江重慶航道局自主科技項目——三峽庫區回水變動區長壽-洛磧河段水沙特性數值模擬（合同號：201330302）研究資助。endprint