三峽水庫-葛洲壩水庫調度影響下宜昌站流量測驗時機分析研究

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

宜昌站位于三峽水利樞紐下游44 km，葛洲壩下游約6 km的彎道下首。水位流量關系受長河槽控制，即受河道地形條件和水文因素變化的綜合影響。中、高水受洪水漲落、斷面沖淤影響，其水位流量關系呈逆時針繩套曲線變化，受下游清江來水頂托以及三峽和葛洲壩水庫調度影響，關系曲線局部變形或扭曲。低水水位流量關系呈單一線[1]。

2009年以來，隨著三峽水庫進入試驗性蓄水期，宜昌站中、高水時期水位流量關系帶寬縮窄，呈單一線發展趨勢；將宜昌站和枝城、高壩洲水文站的流量整編成果與葛洲壩出庫流量比對，結果表明存在系統性偏大，但仍滿足《流量整編規范》要求。受三峽、葛洲壩水利樞紐工程(以下簡稱“兩壩”)聯合調度影響，宜昌站水位流量關系曲線局部變形或扭曲更加頻繁，在測驗時機選擇上難度更高。如何選擇具有代表性的流量測點是宜昌站測驗工作面臨的難題，要求在不過多增加工作量的情況下，準確掌握流量變化規律。為此，宜昌站在2015～2017年開展了水利工程影響下宜昌流量測驗時機選擇與單次流量測量誤差控制的專題研究。

1 兩壩調度對宜昌流量影響

2009年以來，三峽水庫出庫流量和宜昌站流量資料表明，三峽水庫有效調節了入庫洪水，保證了下游區水資源有效利用以及滿足廟咀水位不低于39.0 m的航運要求[2]。2012年7～8月，長江上游地區發生大洪水(復式洪峰)，三峽水庫入庫、宜昌站洪峰最大日均流量分別為 67 900，46 500 m3/s，削峰達 21 400 m3/s；三峽水庫以 40 000～46 500 m3/s的日流量下泄達17 d，造成宜昌流量過程相對平坦化，見表1。三峽水庫枯期最小下泄流量不小于5 000 m3/s，2015年后最小下泄流量不小于6 000 m3/s；相比1986～2003年間宜昌站1，2，3，4，5月的多年月平均流量分別增加了42.54%，52.50%，40.00%，15.61%，12.67%。而且，中小洪水期(尤其是枯水期)兩壩調度還具有日調節特征，每日宜昌水位呈現從起漲到消退大約24 h的規律，不同流量Q下洪水歷時見圖1。

表1 2012年7～8月洪水歷時統計 d

圖1 2017年7月30日～8月7日宜昌水位過程線

水位流量關系表現為：受兩壩調度蓄放水而產生的附加比降影響，電站放水時，水位上漲，流速增大，流量也增大；蓄水時，則完全相反。圖2為宜昌站到枝城站水位落差。由圖可看出，漲水點偏右，落水點偏左，峰、谷點居中；若不間斷連時序測驗流量，則會形成繩套型水位流量關系。

圖2 宜昌-枝城水位落差

2017年8月28日在宜昌水文斷面開展了連續流量測驗。采用走航式ADCP橫渡法從06:26～18:02歷時12 h，共施測流量81次。不間斷連續測流試驗形成的水位流量關系與采用常規測驗方法繪制的水位流量關系線對比結果見圖3。

圖3 連續測流試驗與常規測驗水位流量關系對比

表2分別采用常規法與流量試驗法計算并比較了在上述時段內測算的徑流量。如果將連續測流所計算的徑流量作為真值，較常規測驗方法計算的流量高出0.44億m3。雖然常規測驗方法在12 h內布置了4個流量測點，但計算誤差仍較大，受工程調度影響，難以把握流量測驗時機。

表2 連續測流試驗與常規測驗徑流量分析 億m3

目前，基于安全和測驗成本等因素考慮，難以實現連續不間斷測流量方式。因此，在測驗時機方面，應盡量選擇具有代表性的測次，在水位-流量關系圖上盡可能避免形成日調節造成的繩套曲線，而是能反映斷面水位流量整體變化的單一線。

2016年5，7，10，12月分別在宜昌站開展了4次連續28 h流量試驗，每間隔1 h測流一次，流量變幅范圍為 6 930～32 200 m3/s，基本涵蓋了宜昌站近年來的水情變化范圍。其中，12月10日01:56～11日05:54共施測29次，圖4為該試驗形成的水位流量關系圖。由圖可看出，28 h連續流量試驗結果形成了一個完整的繩套型水位流量關系，而采用常規測驗方法得出的水位流量關系是一條單一線。采用兩種方法計算出的徑流量相同，見表3。

圖4 28 h流量試驗與常規測驗水位流量關系

表3 28 h流量試驗與常規測驗徑流量分析億m3

2 水位漲落率與流量相對誤差關系

目前宜昌站常規測驗方式是水位小于43.50 m按單一線布置測次，測點受洪水漲落、斷面沖淤、兩壩聯合調度影響，因此水位-流量關系出現明顯變化時按連時序法布置測次。兩壩聯合調度主要是為了減輕長江中下游防洪壓力從而對上游來水進行調度，不包括葛洲壩日調節形成的水位流量變化。除特殊水情外，全年大多數時間水位-流量關系穩定在單一線上。

通過對2012～2017年實測水位過程、實測流量相應水位過程、實測流量與整編流量(僅包括單一線，不包括連時序線)相對誤差過程分析，實測流量與整編流量相對誤差與水位過程線趨勢并不一致，而且在部分時間段內，水位漲落變化不大而實測流量與整編流量相對誤差較大，見圖5。

圖5 2016年宜昌站水位、流量分析

由曼寧公式知：

(1)

式中，Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；S為能坡比降；n為糙率；R為水力半徑，m。

宜昌站斷面2012～2017年均較穩定，沒有明顯的沖淤，同水位下n、A、R皆為定值，即流量變化與能坡比降成正比。則有

(2)

式中，k為綜合流量系數，m3/s。

以受洪水漲落影響下的比降代替能坡比降，由正常比降Se和附加比降△S兩部分組成，即

(3)

從洪水漲落影響下的流量公式可知，洪水流量的大小與漲落率的關系密切，漲落率較大時，反應在洪水繩套曲線上其偏離同水位的穩定水位流量關系曲線的距離越大；而研究測驗時機的目的之一就是避免因受電站蓄放水日調節而形成的繩套曲線。

假設整編定線流量為近似真值(基本消除了流量測驗環節誤差，含有一定的定線誤差等)，統計宜昌站實測流量與整編流量的相對誤差(以下簡稱“流量相對誤差”)與水位漲落率相關關系，兩者趨勢基本一致，即水位漲落率大時測驗的流量相對誤差大，水位漲落率小時流量相對誤差也小，見圖6。

圖6 2012年宜昌站水位漲落率、流量相對誤差過程關系

根據單次測驗流量相對誤差低水±8%、中高水±5%的控制要求，統計2012～2017年實測流量與整編流量誤差與水位漲落率間相關關系,劃分出關系點集中區域，計算落在此區域內的保證率。①在低水位級，流量相對誤差控制在±3%，漲落率控制在±0.2 m/h的保證率為75%；②中水位級，流量相對誤差控制在±3%，漲落率控制在±0.15 m/h的保證率為77%；③高水位級，流量相對誤差控制在±2%，漲落率控制在±0.1 m/h的保證率為73%。圖7為低水位期宜昌流量誤差與水位漲落相關關系。在漲落率較小時進行流量測驗，可以避免因流量誤差過大，與穩定的單一線偏離太遠。

圖7 低水位期流量誤差、水位漲落率相關關系

對照高水漲落率控制在±0.1 m/h、中水漲落率控制在±0.15 m/h、低水位漲落率控制在±0.2 m/h以內的分析值，可有效降低流量誤差，獲得具有代表性的流量測點。

3 測驗時機選擇

葛洲壩蓄放水時間也有一定規律，研究1 d內水位漲落率與時間關系有利于掌握測驗時機。多數情況下，水位從06:00左右起漲，最高值一般出現在19:00～22:00，最低值出現在次日06:00～07:00，波動周期12～14 h，波動范圍在0.5～1.0 m。

考慮到1次測流所需時間約30 min，根據2016年水位資料，按照30 min計算全年漲落率，并篩選滿足低水漲落率不大于±0.2 m/h、中水漲率不大于±0.15 m/h、高水漲落率不大于±0.1 m/h的時段；然后將符合要求的時段，根據1d 24 h，分為00:00～01:00、01:00～02:00、02:00～03:00等歸類計算頻率。落在該時段內的頻率越高則滿足漲落率要求的可能性越大，在這個時期內測流，所測流量與同水位時穩定流量越接近。圖8為高、中、低水期符合水位漲落率要求時段概率分布，不同時間段頻率大小不同。07:00～12:00、23:00～次日03:00這兩個時間段內頻率明顯較其他時段更低，與葛洲壩蓄放水在時間上的規律也吻合。水位從06:00左右起漲，07:00～12:00處于漲水較快階段，23:00～次日03:00則是最高值出現后退水較快的時間段。

圖8 高中低水期符合水位漲落率要求時段概率分布

頻率高的時段相對于頻率低的時段更適宜開展流量測驗。假設以概率低于0.8的時段不適宜測驗流量統計，高、中、低水時期開展測驗統計結論如下：①低水期不適宜測流時段在07:00～10:00、22:00～01:00；②中水期不適宜測流時段為07:00～12:00、22:00～04:00；③高水期不適宜測流時段為08:00～12:00；其他時間均較為適宜。雖然葛洲壩調節呈日調節特點，但每日調節流量過程各有區別，以當日水位漲落率來控制流時機為最佳。

結合上述分析的規律，對2016年宜昌站4次連續28 h流量測驗進行分析。流量相對誤差與水位漲落率流量相對誤差趨勢一致，流量相對誤差隨水位漲落率增大而增大，隨漲落率減小而減小。采用面積包圍法計算28 h試驗實測日平均流量，并與常測法計算日平均流量進行比較可知，相對誤差在-7.5%～2.6%。使用南方片水文整編程序對所有28 h連續測驗資料進行整編時，不能通過單一定線檢驗(符號、隨機不確定度超限)；剔除水位漲落率大時期測驗的流量后，滿足單一定線要求。

4 結 語

葛洲壩日調節(多為電力調峰)造成宜昌站水位流量關系線由每日一個小繩套組成。基于測驗成本和安全考慮，完整測驗出每一繩套過程較為困難。流量測驗時機特別重要，既要保證單次測驗與水位流量關系線的誤差滿足要求，又要符合天然徑流量值大小，測驗難度較大。

綜上所述，葛洲壩蓄放水引起的宜昌站水位流量變化，日調節過程引起水位漲落時間大約為24 h，從起漲到峰值出現大約需要10～14 h，超漲點多為每日凌晨02:00左右。每日07:00～12：00時水位漲落率相對較大，不宜進行流量測驗。選擇在水位漲落率較小或水位平緩時期測流，所測流量精度高、代表性好。