三峽水庫入庫洪水與壩址洪水關系研究

舒衛民,李秋平,鮑正風,張雅琦

(1.中國長江三峽集團公司,湖北宜昌443133；2.長江三峽水文水資源勘測局,湖北宜昌443002)

0 引 言

三峽工程位于長江上游與中游交界處,控制流域面積約100萬km2,約占全流域面積的56%。

其壩址代表站為宜昌站,干流寸灘站、支流烏江武隆站是三峽水庫入庫代表站。干流寸灘站、支流烏江武隆站以下至宜昌稱為三峽區間[1-2],長約658 km,區間集水面積為5.59 km2,約占宜昌以上流域面積的5.6%。

三峽水庫于2010年蓄水至正常蓄水位175 m后,庫區的水文水力學特性發生了較大的改變,天然狀態下的產匯流規律也發生了變化。特別是,洪水傳播時間,從寸灘到壩址傳播時間由天然狀態下的約36 h,變為蓄水后的約6 h。水文情勢的變化主要表現在[3]：①庫區水位抬高、水面擴大,蒸發量增大,降雨期水面直接徑流增大,庫區匯流加快；②水位抬高后,水深大幅增大,庫區內洪水傳播由原先的動力波轉為以慣性波為主,洪水傳播時間縮短；③三峽水庫蓄水后,回水長度超過600 km,但平均庫寬僅1 km多,為典型的河道型水庫,庫區內水面比降較大,動庫容影響明顯(如2010年7月洪水期間,庫區清溪場至壩前水面最大比降達14 m多,動庫容量為53億m3左右)；④三峽水庫庫區范圍大,由于來水組成的不同可能造成每場洪水特性不同,洪水演進變化很大,其對水庫壩前水位的影響時間和程度都有較大差異。

三峽壩址洪水、入庫洪水過程是三峽水庫及長江中下游防洪調度的基礎技術數據。因此,分析三峽水庫入庫洪水與壩址洪水關系,既能夠為三峽水庫防洪興利調度提供科學依據；又在理論方法和實際應用上對提高三峽水庫科學調度和管理水平、充分發揮三峽水庫的綜合利用效益具有重要的意義。

1 入庫洪水與壩址洪水

入庫洪水是指建庫后通過水庫周邊及庫面降雨同時進入水庫的流量過程。主要由三部分組成：水庫形成后由水庫回水末端附近干支流水文站或某計算斷面以上流域產生的洪水；干支流各水文站以下到水庫周邊區間流域面積上產生的洪水；以及降水直接形成的庫面洪水。實際上,入庫洪水是以分散的形式進入水庫的。但根據資料條件和調洪要求,入庫洪水有集中和分區兩種形式。傳統的水文學調洪演算時,將水庫作為一個整體,要求輸入一個總的入庫洪水過程,即所謂的集中入庫洪水。

近年來,隨著計算技術和調洪方法的發展,可采用非恒定流數值計算方法進行調洪演算,要求給出各分區入庫洪水過程,即為分區入庫洪水。集中入庫洪水和分區入庫洪水兩者相輔相成。推求出各分區洪水過程與干支流入庫點洪水,即組成了水庫的分區入庫洪水；經同時流量疊加,即為集中入庫洪水。壩址洪水是指通過水庫壩址斷面的流量過程。

由于水庫建成以后,原庫區天然河道的河道匯流轉變為水庫入流,入庫洪水與壩址洪水存在差別[4](見圖1),主要差異有：

(1)入庫洪水是在水庫周邊匯入,壩址洪水是在壩址斷面的出流,兩者的流域調節程度不同。建庫后,回水末端到壩址處的河道被回水淹沒成為庫區,原河槽調蓄能力喪失,再加上干支流和區間陸面洪水常易于遭遇,使得入庫洪水的洪峰增高,峰形更尖瘦。

圖1 入庫洪水、壩址洪水比較

(2)庫區產流條件改變,使得入庫洪水的洪量增大。水庫建成后,上游干支流和區間陸面流域面積的產流條件相同；而水庫回水淹沒區(庫面)由原來的陸面變為水面,產流條件相應發生了改變。在洪水期間庫面由陸地產流變為水庫水面直接承納降水,由原來的陸面蒸發損失變為水面蒸發損失；但一般情況下,洪水期間庫面的蒸發損失不大,可以忽略不計。因此,庫區水面產流比陸面產流大,同樣的降水量建庫后入庫洪量比建庫前洪量大。

(3)流域匯流時間縮短,入庫洪峰流量出現時間提前,漲水段的洪量增大。建庫前,流域匯流時間為坡面和河道(至壩址斷面處)的匯流時間。建庫后,洪水由干支流的回水末端和周邊入庫,因而流域總的匯流時間縮短,入庫洪峰流量出現的時間相應提前。庫面降雨的洪量一般集中于漲水段。因此,入庫洪水漲水段的洪量占一次洪水總量的比重,一般較建庫前的壩址洪水增大。此外,由于流域匯流時間縮短,也造成了前述的干支流與區間陸面洪水常易于遭遇。

2 入庫洪水與壩址洪水的關系

2.1 峰現時間關系

為探討入庫洪水和壩址洪水峰現時間的關系,本文用Δt表示入庫洪水較壩址洪水的峰現時間提前量。即

Δt=t壩-t入

(1)

式中,t壩、t入分別為壩址洪水、入庫洪水的峰現時間。三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水峰現時間統計結果見圖2和表 1。

圖2 三峽入庫洪水與壩址洪水峰現時間提前天數

由圖2可以看出,三峽水庫入庫洪水洪峰出現時間均不晚于壩址洪水峰現時間,峰現時間最早提前4 d,最遲與壩址洪水峰現時間在同一天。

統計分析1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水峰現時間提前量Δt,分析結果見表1。

表1 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水峰現時間提前天數統計

由表1可以看出,55年中有32年峰現時間均提前2 d,占總年數的58%；其次有17年峰現時間提前1 d,占總年數的31%。總體來說,三峽水庫入庫洪水峰現時間較壩址洪水峰現時間多年平均提前1.8 d左右。

2.2 洪峰流量關系

一般經驗表明,入庫洪水與壩址洪水洪峰流量之間的關系可用簡單的線性關系加以描述[5]。即

Q入=αQ壩

(2)

式中,Q壩、Q入分別為壩址洪水、入庫洪水的洪峰流量。

根據三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大日流量統計結果(見圖3和表2)可以看出,入庫洪水與壩址洪水年最大日洪峰的倍比均大于1,其中最大值為1.32,最小值為1.01。分別統計建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪峰倍比的均值,均為1.14,說明入庫與壩址洪水的洪峰倍比關系不存在突變,建庫前后系列一致性較好。

表4 三峽水庫入庫與壩址洪水年最大3 d、7 d 、15 d洪量比較 億m3

圖3 三峽水庫入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量過程

統計1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大日平均流量倍比值α,分析結果(見表3)顯示,55年中有11年α>1.2,有12年1.15≤α<1.2,有16年1.1≤α<1.15,剩下17年α<1.1,倍比分布較為均勻。

表2 三峽水庫入庫與壩址洪水年最大洪峰流量比較 m3/s

表3 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大洪峰流量倍比統計

2.3 時段洪量關系

一般經驗表明,入庫洪水與壩址洪水洪量之間的關系可用簡單的線性關系加以描述[6]。即

W入=αW壩

(3)

式中,W壩、W入分別為壩址洪水、入庫洪水的相應時段洪量。

本次采用數理統計方法,根據三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大時段洪量,分別分析入庫洪水與壩址洪水的3、7 d和15 d的洪量關系。

(1)年最大3 d洪量關系。根據三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量統計結果(見表4),可以看出入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量的倍比均大于1,但較洪峰倍比小,最大值為1.22,最小值為1.00。分別統計建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值約為1.10。統計1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大 3 d洪量倍比值α,分析結果(表5)顯示,倍比主要集中在1.05～1.15之間,55年中共有21年1.05≤α<1.10,有14年1.10≤α<1.15,剩下分別有10年α>1.15,10年α<1.05。

表5 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大3 d洪量倍比統計

(2)年最大7 d洪量關系。從三峽水庫1954年、1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大7 d洪量統計結果(見表4)可以看出,入庫洪水與壩址洪水年最大7 d洪量的倍比值在1.00～1.08之間,建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均為1.03,較年最大3 d洪量倍比有所減小,說明隨著統計時段的延長,入庫洪量與壩址洪量逐漸接近。

(3)年最大15 d洪量關系。根據三峽水庫1954年、1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大15 d 洪量統計結果(見表4),可以看出入庫洪水與壩址洪水年最大15 d洪量的倍比值在1.00～1.03之間,建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均僅為1.01,入庫洪量逐步接近于壩址洪量。

表6 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址年最大洪水特征值

2.4 分析結果

本節分析了三峽水庫1960年～2014年長系列入庫洪水和壩址洪水統計特征值的關系,主要結論如下：①入庫洪水較壩址洪水的年最大洪水峰現時間多年平均約提前2 d(最長4 d,最短為0)。②入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量倍比α為1.01～1.32,多年均值為1.14。③入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量、7 d洪量、15 d洪量倍比α分別約為1.10、1.03和1.01。

因入庫洪水與壩址洪水的年最大15 d洪量基本一致,符合水量平衡原理；因此,本次入庫洪水年最大15 d洪量直接采用壩址洪水年最大15 d洪量成果,不再對其插補。

根據以上統計關系將入庫洪水與壩址洪水比較,入庫洪水具有以下特點：

(1)洪峰增高。入庫洪峰流量比壩址洪峰流量增高,1981年、1982年洪水,洪峰明顯增高,流量增大20%以上。

(2)洪峰出現時間提前。入庫最大流量比壩址洪峰流量提前出現,一般約為2 d左右,但各年水情不同,提前時間稍有差別。1981年洪峰提前 48 h,因為這年洪水主要來自寸灘以上。

(3)洪量集中。根據水文資料計算,長江干流寸灘至宜昌區間河槽槽蓄量較大。如,1981年洪水最大槽蓄量達102.1億m3；1982年為58.5億m3。當三峽水庫建成后,在庫區回水范圍內,天然河道被淹沒,原有的河槽調蓄作用消失。因此,入庫洪水比壩址洪水底寬縮短,洪水量更加集中。

3 入庫洪水與壩址洪水相關分析

為進一步挖掘三峽入庫洪水與壩址洪水的深層次關系,本文采用線性回歸方法從洪峰、3d洪量以及7 d洪量3個方面展開研究。

根據三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水洪峰、洪量統計值比較統計結果(表2和表4),采用線性回歸法分析入庫洪水與壩址洪水關系,繪制1960年～2014年入庫洪水和壩址洪水年最大洪峰和各最大時段洪量的相關關系散點圖(見圖4～圖6)。從圖4～圖6中可以看出,各統計值均呈現一定的線性關系,年最大洪峰流量的相關系數及各時段洪量相關系數均達到0.9以上,說明入庫洪水與壩址洪水各時段統計值整體具有一定的相關關系,且如表6所示,隨著統計時段的增長,相關系數基本呈現增加趨勢。但值得注意的是,隨著洪水量級的增大,洪峰點據更加分散,相關關系的單一性減弱,入庫與壩址洪峰相關關系的變化范圍加大。從線性回歸法分析的三峽水庫入庫洪水與壩址洪水的相關關系看以看出,最大洪峰、3 d洪量、7 d洪量的相關系數超過0.94,具有較好的相關關系。

圖4 入庫和壩址洪水年最大洪峰關系

圖5 入庫和壩址洪水年最大3 d洪量關系

圖6 入庫洪水和壩址洪水年最大7 d洪量相關關系

統計值Q日W3dW7d相關系數0.9470.9660.993

3 結 論

本文結合洪峰、洪量及峰現時間等3個方面分析了1960年～2014年三峽入庫洪水與壩址洪水之間的關系,從分析結果可以看出,入庫洪水較壩址洪水的年最大洪水峰現時間多年平均約提前2 d(最長4 d,最短為0)；入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量倍比α為1.01～1.32,多年均值為1.14。

采用線性回歸法分析了三峽水庫入庫洪水與壩址洪水的相關關系,從圖4～圖6可以看出,各統計值均呈現一定的線性關系,年最大洪峰流量的相關系數及各時段洪量相關系數均達到0.94以上,說明入庫洪水與壩址洪水各時段統計值具有較好的相關關系；且隨著統計時段的增長,相關系數基本呈現增加趨勢；而隨著洪水量級的增大,洪峰點據更加分散,相關關系的單一性減弱,入庫與壩址洪峰相關關系的變化范圍加大。

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