三峽庫區(qū)萬州段水文特性及泥沙分析

鄒 敏，劉偉豪，徐 楊，陳胡蘭

(1.長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400021；2.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404100)

長江三峽庫區(qū)是指它泛指175m水位方案淹沒范圍涉及的20個縣(市、區(qū))[1]。長江三峽水利樞紐工程建成之后，三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境將是影響其發(fā)揮效益的重要因素，其水位，泥沙，徑流是重要的水文參數(shù)，庫區(qū)內(nèi)水特性對庫區(qū)和大壩的穩(wěn)定運(yùn)行有重要的支撐意義，萬州(縣)水文站地處庫區(qū)上游下段，距三峽大壩約288km，其所得數(shù)據(jù)有較好的參考價值。

庫區(qū)內(nèi)水文特性和泥沙參數(shù)受人為調(diào)控變化因素的較大影響，表現(xiàn)出非線性、多時間尺度性等特性[2]。因此，分析水文泥沙參數(shù)之間的變化趨勢和相互間的影響程度，這對掌握庫區(qū)內(nèi)水循環(huán)機(jī)理、庫區(qū)水文預(yù)測等方面均有重要的理論意義與實(shí)際價值。

1 研究區(qū)概況

萬縣水文站設(shè)立于1951年，位于重慶市萬州區(qū)牌樓水廠處，東經(jīng)108°24′，北緯30°47′，集水面積974881km2，是三峽工程庫區(qū)重要控制站，屬于國家基本站。其中流量和泥沙為一類精度站，是庫區(qū)水文、泥沙、水質(zhì)監(jiān)測的重要控制站和代表站。觀測項(xiàng)目有最高(低)水位、最大(小)流量、日平均最大(小)輸沙率、最大(小)含沙量。下文將對各水文值逐一分析。

2 水文特性分析

2.1 水位分析

三峽水庫2003年6月開始蓄水至135m，2007年蓄水至156m，2013年蓄水至175m[3]，詳見表1。

表1 三峽庫區(qū)蓄水水位

三峽水庫建成后，按照防洪要求及蓄水發(fā)電計(jì)劃，全年水位調(diào)節(jié)變化見表2。從此汛期三峽電站維持145～156m之間水位運(yùn)行，枯季水位維持在156～175m左右。

表2 三峽水庫蓄水后水位調(diào)節(jié)的年內(nèi)變化

為明確水位變化，萬縣站采用壓力式水位計(jì)觀測水庫水位，各年份水位變化如圖2和圖3所示。

圖2 最高水位變化曲線

圖3 最低水位變化曲線

從圖2中可以看出：2000—2009年最高水位逐年上升，2009—2018年最高水位比較穩(wěn)定，基本保持在175m。從圖3可以看出：2000—2003年最低水位保持在100m，2004—2006年最低水位在135m，2007—2018年最低水位基本保持在145m。最高水位和最低水位相關(guān)性較好，均受大壩調(diào)控影響較大，均在2003—2013年均有較大爬升。在2013年蓄水完畢后，最高、最低水位在一較穩(wěn)定值內(nèi)波動。

2.2 流量分析

萬縣站流量采用走航式ADCP常規(guī)測驗(yàn)方法[5]，流速儀法為備用方法去測定流量變化過程[6]。從圖4可以看出:單測回平均流量和雙測回平均流量基本重合。

由圖5可知，最大流量在2000—2004年和2006—2014年呈現(xiàn)上升趨勢，在2005年和2015年最大流量相較于去年有明顯的下降分別從60000m3/s減小到45000m3/s，48000m3/s減小到30000m3/s，直到2017年最大流量下降到26000m3/s。

由圖6可知，最小流量在2000—2003年最小流量呈現(xiàn)下降趨勢，從2000年的4000m3/s下降到2003年的2750m3/s，2003—2018年最小流量呈現(xiàn)上升趨勢，從2003年的2750m3/s上升到2017年的3900m3/s。

圖4 單、雙測回平均流量

圖5 最大流量

圖6 最小流量

3 泥沙參數(shù)分析

3.1 日平均輸沙率分析

日平均最大輸沙率變化過程。從圖7可以看出:2000—2003年日平均最大輸沙率呈現(xiàn)下降趨勢，從2000年94t/s下降到2003年70t/s。2003—2013年日平均最大輸沙率保持均勻波動，基本保持在75t/s。2014—2017年下降明顯，從2013年118t/s下降至2017年10t/s。

圖7 日平均最大輸沙率

三峽水庫蓄水后，庫區(qū)水深增加，水流流速較小[7]，水流的紊動擴(kuò)散作用減弱，重力作用相對增強(qiáng)。水流入庫后攜帶的中粗顆粒泥沙沿程沉積，細(xì)顆粒泥沙的含量沿程增加。

但懸移質(zhì)輸沙量減小趨勢明顯[8]。隨著壩前水位逐漸抬升，庫區(qū)水流挾沙能力減小，含沙量處于超飽和狀態(tài)，有少量入庫泥沙淤積在清溪場以上河段，近1/3泥沙淤積在清溪場至萬縣之間，多于1/3的泥沙淤積在萬縣至大壩之間。

挾沙時間[9]分布規(guī)律:三峽蓄水前挾沙力較大，蓄水初期挾沙力明顯降低，之后隨著不同運(yùn)行階段壩前水位的抬升逐漸降低。寬谷河段的過水面積隨著水位的抬升增加明顯，其挾沙力大幅度降低，而峽谷河段過水面積增加有限，其挾沙力降低幅度較小。

3.2 水沙關(guān)系分析

為了明確蓄水以來水文和泥沙受大壩影響的程度，將2000—2017年泥沙和最大流量關(guān)系繪制成曲線，如圖8所示。

圖8 2000—2017年水沙關(guān)系

從圖8中可看出：2002—2011年最大日平均輸沙率和最大流量波動性基本相同，從2003年最大日平均輸沙率70t/s最大流量46000m3/s,2004年分別增長至115t/s，60000m3/s,從2004至2006年分別下降至38t/s，31000m3/s。

4 結(jié)語

2000—2017年降雨量總體呈現(xiàn)上升趨勢，年均降雨量1175.49mm，其中2000，2017年降雨量最大,分別總降雨量的6.80%，7.93%，2000—2009年最高水位逐年上升，2009—2018年最高水位比較穩(wěn)定，基本保持在175m，2007—2018年最低水位基本保持在145m，2005—2014年最大流量呈現(xiàn)上升趨勢，最大流量達(dá)到60000m3/s，2003—2017年最小流量也呈現(xiàn)上升趨勢，最小流量為2750m3/s，在2003—2011年最大日平均輸沙率和最大流量波動性基本相同，最大日平均輸沙率達(dá)到118t/s，最大流量達(dá)到60000m3/s。

水文特性及含沙量分析是一個很復(fù)雜的過程,必須善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn),了解測驗(yàn)流域的水文特性及含沙量。主要采用走航式ADCP測驗(yàn)方法，流速儀法作為備用對流量進(jìn)行檢測，按照流域的實(shí)際情況,測出的數(shù)據(jù)更加精細(xì)直觀。該方法投入應(yīng)用以來取得了較好的效果,精度大大提高。隨著三峽水庫水位的再次升高,萬縣水文站系統(tǒng)的參數(shù)也將隨之改變。如何在新環(huán)境中取得好的觀測精度,還有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證。