三峽水庫蓄水后宜昌站水位特性分析

，釋今，，

(1.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；2.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434000)

三峽水利樞紐位于長江西陵峽中段，壩址在湖北省宜昌市三斗坪，控制流域面積100萬km2，多年平均年徑流量4 510億m3，多年平均年輸沙量 5.3億t。該工程1994年12月14日正式開工，1997年11月8日完成大江截流，2002年11月6日完成明渠截流。2003年5月25日開始關閘蓄水，形成水庫，6月10日壩前水位蓄至圍堰發電期水位135 m；10月25日三峽水庫再次蓄水，11月5日壩前水位蓄至139 m附近。2006年9月20日，三峽水庫開始156 m水位蓄水，10月27日，三峽水庫壩上水位達到156 m高程。2010年10月26日成功蓄水至175 m水位。三峽水庫屬于年調節水庫，總庫容393億m3，其中防洪庫容 221.5億m3，正常蓄水位175 m，汛期防洪限制水位145 m，枯水期消落水位155 m。水庫調洪可消減洪峰流量達 2.7萬～3.3萬m3/s，能有效控制長江上游洪水，增強長江中下游抗洪能力。

三峽水利樞紐具有防洪、發電、航運等綜合效益。①防洪。三峽大壩建成后形成巨大的水庫，滯蓄洪水，使下游荊江大堤的防洪能力由防御10 a一遇的洪水提高到抵御100 a一遇的大洪水，防洪庫容在73億～220億m3之間。②發電。三峽水電站是世界最大的水電站，總裝機容量1 820萬kW。電力主要供應華中、華東、華南、重慶等地區。③航運。三峽工程位于長江上游與中游的交界處，地理位置得天獨厚，對上可以渠化三斗坪至重慶河段，對下可以增加葛洲壩水利樞紐以下長江中游航道枯水季節流量，能夠較為充分地改善重慶至武漢間通航條件，滿足長江上中游航運事業遠景發展的需要。通航能力可以從每年1 000萬t提高到5 000萬t。另外，三峽水利樞紐工程在養殖、旅游、保護生態、凈化環境、開發性移民、南水北調、供水灌溉等方面均會發揮巨大效益。

宜昌站屬三峽水利樞紐工程的出庫控制站，對三峽水庫的調度進行全過程實時監測，同時也服務于三峽工程，為三峽水庫調度提供實時觀測數據。該站始建于1946年，從1877年開始有系統水文觀測資料，屬于國家級基本水文站，位于東徑111°17′，北緯30°42，集水面積約100萬km2，占全流域面積的55.9%；控制長江上游的來水量，同時也控制三峽水利樞紐和葛洲壩水利樞紐的出庫水量。宜昌水文斷面位于三峽水利樞紐下游44 km，葛洲壩水利樞紐下游6 km。測驗河段長約3 km，尚順直。斷面呈偏“U”型，水面寬630～780 m，年水位變幅約17 m。右岸為山區與平原過渡地段，左岸為宜昌市城區，河段兩岸較為穩定，近幾十年來河勢未有大的變化。三峽水利樞紐工程蓄水以后改變了宜昌基本水尺斷面的水位時空變化和行進規律。

本文采用宜昌站2003～2016年實測水位資料，分析該站在三峽水利樞紐工程蓄水以后水位特性變化。

1 宜昌站水位觀測基本情況

宜昌站在2003年以前水位采用人工觀測，觀測段制根據水位級和水位變幅情況、報汛要求布置，以能測得完整的水位變化過程，滿足日平均水位計算、推算流量和水情拍報的要求為原則。2003年3月投產使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計，同年7月又安裝了一套梯調自記水位計，兩種儀器均可設置為5，10，30 min或1 h采集一個水位數據，滿足測量精度要求，使用良好，檢測合格，符合現行國家標準的要求，完整記錄了三峽水利樞紐蓄水后的宜昌斷面水位變化情況。

表1 宜昌站基本水尺斷面瞬時水位觀測誤差統計

注：分析中有3次受過船波浪影響較大的水位，因不屬個體差異因素影響而未參加統計計算。

1.1 水位觀測精度

水位觀測精度主要指儀器或人工采集水位數據的準確度和可靠性。影響水位觀測精度的因素較為復雜，如波浪、水位漲落率、觀測人員的個體差異、水位感應器物理精度及消浪處理等。

采用人工觀測水位和自記采集水位的優缺點有互補性和差異性，為研究同一測站使用兩種方法觀測水位精度及其對比性，調整觀測布置，進一步提高水位測報的時效性，保證觀測數據準確可靠。根據《長江委水文局報汛自動化實施方案》，選擇在水位變化過程中受水位漲落率、斷面沖淤變化、水利工程等影響較為突出的宜昌水文站開展了2005年宜昌水文站水位精度專題研究。

研究結果表明：去掉受過船波浪影響較大的水位后，誤差小于3 cm的水位保證率為100%，說明在正常情況下能夠保證水位觀測成果的質量；宜昌站位于長江葛洲壩水利樞紐下游，處于宜昌港區，水流變化不均勻，來往船只較多，江面時常出現大小波浪，對數據采集精度造成一定的影響。實際情況表明，波浪越大，水位采集差值越大，一般情況下某瞬時水位與時段平均水位差異最大為2 cm，但過船時受波浪影響造成觀測差異最大達到4 cm。當整點水位出現在漲水段，整點前的水位一般略高于整點后的水位，平均后誤差得以中和，退水段則正好相反。平均水位值與各瞬時采集值的誤差大小主要與漲落率有關，漲落率越大則誤差相對較大，但誤差均在允許范圍內。三峽水庫調度加大后，水位突變對水位精度影響不大，水位精度滿足要求(見表1)。

1.2 水位級劃分

根據工程水文學和《河流流量測驗規范》(GB 50179-93)中關于水位級的劃分方法，采用宜昌站歷年水位觀測資料對全年水位分級，其計算結果見表2。

表2 宜昌站水位級劃分 m

2 水位逐時過程變化分析

宜昌水文斷面在1980年以前只受天然洪水傳播影響。1981年1月4日葛洲壩水利樞紐工程大江截流，同年6月蓄水至壩前水位達 59.39 m，天然時期的行洪規律受到人工影響，宜昌水文斷面水位改變未受上游水工程調度影響和天然洪水傳播影響。葛洲壩水利樞紐是低水頭徑流式電站,壩前水位基本穩定，水庫不起攔蓄作用，來多少水泄多少水，故蓄水前后宜昌站的水位特征基本上無變化[1]。自2003年三峽水利樞紐工程蓄水以后，三峽水庫屬于年調節水庫，水庫調洪能力強，能有效控制長江上游洪水，增強長江中下游抗洪能力，使得基本水尺斷面受天然洪水傳遞影響不斷減弱，水工程調度影響相對增強，反映在水位過程中其主要特征為水位變化呈鋸齒狀波動，局部水位受水工程調度影響而升高或下降[2]。

下面按水位級選擇幾個有代表性的時段的水位過程進行分析。

2.1 低枯水期

低枯水期間每天水位沿某一均值上下波動，較為規則，最低值出現在07：00～09：00之間，波動最高值一般出現在19：00～22：00之間，波動周期為10～14 h左右。說明三峽水庫調度在每日的07：00～09：00時開始開閘放水，19：00～22：00開始關閘蓄水。宜昌站2015年11月逐時水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計采集，每5 min采集一個水位數據，共有8 625個水位數據)見圖1。圖1較明顯地反映出低枯水期不同水位的過程變化情況。從圖中可看出，水位在 40.00 m以下的水位(屬低枯水)波動范圍為 0.2～0.3 m；水位在40.00～43.00 m的水位(屬低水)波動范圍為0.3～1.4 m。

圖1 宜昌站2015年11月逐時水位過程線

2.2 中水期

宜昌站2014年7月逐時水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計采集，每10 min采集一個水位數據，共有4 465個水位數據)見圖2。圖2反映出中水期受三峽水庫調度和天然洪水傳播影響情況下不同水位的變化過程。從圖中可看出，在中水期水位漲落幅度要大于低枯水漲落幅度，在水位漲落水過程中每日仍存在較為明顯的上下波動，其波動范圍略大于低枯水，為 0.2～1.4 m，日波動峰谷值差與低水(水位為40.00～43.00 m)相近。波峰出現在19：00～22：00之間，波谷出現在次日07：00～09：00之間，波動周期為10～14 h左右，有時在波峰(谷)附近有短時小鋸齒狀波動。在水位急漲或急落時，在洪水傳播中影響因素相互抵消，水位波動特征表現相對不明顯。

圖2 宜昌站2014年7月逐時水位過程線

2.3 高水期

宜昌站2014年9月逐時水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計采集，每10 min或5 min采集一個水位數據，共有8 417個水位數據)見圖3。圖3反映了高水期兩次洪水完整的水位變化過程。高水期主要發生在水位急漲或急落時，水位波動特征在洪水傳播中表現不明顯。水位的波動特征只是在水位變化幅度較小或水位相對平穩時表現相對突出，洪峰附近水位波動完全受水工程調度影響，范圍時大時小，與正常情況下的波動特征略有差別。從圖中可看出，高水期水位漲落率較大，水位波動周期短，為3～5 h左右，水位波動范圍為 0.2～0.5 m。

圖3 宜昌站2014年9月逐時水位過程線

3 水位分布特征分析

3.1 水位月分布特征

基于宜昌站2003年以后的水位整編成果，進行了時間系列的特征統計分析，并繪制了宜昌站2003～2016年月平均水位過程線，詳見圖4。從圖中可以看出，自三峽水庫蓄水以后宜昌站水位月分布特征仍然是在汛期(系指5月1日～10月15日)水位高，非汛期(系指10月16日至次年4月30日)水位低。但從年際變化來看每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趨勢，特別是2010年以后較為明顯；6～10月平均水位則有下降趨勢，出現下降趨勢的時間也是從2010年開始，這是三峽水庫調蓄的作用所導致。受人為控制三峽水庫水位的影響，每年1～5月、11～12月水庫下泄流量不斷加大，到2015年不小于6 000 m3/s[3]，宜昌水文斷面平均水位由此逐年抬高。其中1～3月和11～12月，由于三峽水庫補水，水位抬高0.6～0.8 m；4～5月三峽水庫消落期也造成宜昌水位抬高。6～9月是洪水頻發期，為有效減輕中下游防洪壓力，通過科學調度三峽水庫，在洪峰期間攔蓄洪量和削峰而使宜昌水位下降。9～10 月為三峽水庫蓄水期，平均攔蓄能力約5 200 m3/s，較天然情況宜昌平均水位也在降低。

圖4 宜昌站2003～2016年月平均水位過程線

3.2 水位年分布特征

宜昌站2003～2016年年特征水位值統計成果見表3。

表3 宜昌站2003～2016年年特征水位值統計

從表3中可以看出，受三峽水庫調度的影響，水位年分布出現以下變化：歷年最高水位有下降趨勢，排除2006年特枯水情外，從2005年開始歷年最高水位下降趨勢明顯；歷年最低水位從2003年開始則出現逐年抬高趨勢，到2009年水位抬高了1.1 m，但從2009年以后每年抬高幅度不大，年變化為0～0.1 m，最低水位控制在39.20 m左右。從年平均水位變化看，沒有明顯的上升或下降趨勢，說明水位變化主要在局部時段或部分水位級。2003年前宜昌站多年平均水位為43.34 m(1981～2002年)，年最低水位為 38.30 m(1998年2月14日)，年最高水位 55.38 m(1981年7月19日)，水位最大變幅17.08 m。三峽水庫運行后宜昌站多年平均水位為 42.45 m(2003～2016年)，年最低水位為 38.07 m(2003年2月9日)，年最高水位 53.98 m(2004年9月9日)，水位最大變幅15.46 m，年水位變幅在逐步縮小。

3.3 保證率水位

宜昌站2003～2016年年保證率水位統計成果見表4。從表4可以看出，2003年以后最高水位保證率為47.91～53.76 m，2008～2016年控制在52.60 m以下。第15天為 45.75～51.23 m，第30天為 44.61～49.67 m，第90天為 42.66～46.34 m，第180天為40.15～42.62 m，第270天為39.09～40.54 m，最低水位保證率為 38.11～39.51 m。特別是從2009年開始，斷面水位基本維持在39.20 m(相應流量5 000 m3/s)，以后逐年遞增，到2015年水位維持在39.50 m(相應流量6 000 m3/s)。豐水年高洪期斷面水位控制在 52.60 m(相應流量45 000 m3/s)以下，說明通過三峽水庫調節，保證了汛期長江中下游防洪、枯水期航運和生態需水量的需要。

表4 宜昌站2003～2016年年保證率水位統計 m

4 三峽水庫蓄水前、后水位特性對比分析

水位是反映水體、水流變化的水力要素和重要指標，其變化主要取決于水體自身水量的增減變化、約束水體條件的改變和水體受干擾的影響等因素。水位特性在一定時間和空間范圍內相對穩定。依照宜昌站多年水位的變化，考慮受約束水體條件明顯改變的影響，將宜昌站水位變化分成兩個時間段，即三峽水庫蓄水前(1877～2002年)和三峽水庫蓄水后(2003～2016年)。三峽水庫蓄水前、后的水位變化特性具有相似的基本特征，也有不同點，見表5。

表5 三峽水庫蓄水前、后宜昌站水位特性及成因

5 水位監測和資料整編控制措施

根據三峽水利樞紐蓄水以后宜昌基本水尺斷面水位變化情況，為提高水位成果質量，保證水位資料準確可靠、連續完整,建議從以下幾個方面采取措施。

(1)使用自記儀器采集的水位數據存在波動性，特別是中低水期間水位的波動變化較大，因而水位的校核較為關鍵，可以定期檢查儀器波動情況的正確性。

(2)高水期間，當波浪較大時，水位的瞬間數據采集存在一定誤差，建議有條件情況下做水面的靜水處理。

(3)在整理水位數據時，在保證水位數據完整的情況下要做好水位的平滑和濾波處理。其方法是在充分考慮水位變化的實際情況下，保證水位變化的連續性，減少水位鋸齒狀形態；特別是在對水位特征值的處理時，盡量要靠近，即平滑線要走上包線靠近最高水位，下包線盡量靠近最低水位。

(4)在滿足整編洪水摘錄和匯編刊印需要的情況下，盡量壓縮摘錄段次，不要過多增加洪水摘錄的時段。

6 結 論

通過對三峽水利樞紐蓄水以后宜昌站實測水位資料和整編資料分析，得出如下結論。

(1)2003年以后受上游水利工程調度和天然洪水傳播影響，水位波動性增強，特別是中低水階段較為突出；水位在40.00 m以下的水位(屬低枯水)波動范圍為 0.2～0.3 m；水位在40.00～49.00 m的水位(屬中低水)波動范圍為0.3～1.4 m，波峰出現在19:00～22:00之間，波谷出現在次日07:00～09:00之間，波動周期為10～14 h左右，有時在波峰(谷)附近有短時小鋸齒狀波動。

(2)水位月分布特征仍是在汛期水位高，非汛期水位低，每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趨勢，6～10月平均水位則有下降趨勢，特別是2010年以后較為明顯。

(3)從年平均水位變化看，沒有明顯的上升或下降趨勢，說明水位變化主要在局部時段或部分水位級。歷年最高水位有下降趨勢，排除2006年特枯水情外，從2005年開始歷年最高水位下降趨勢明顯；歷年最低水位從2003年開始則出現逐年抬高趨勢，到2009年水位抬高了1.1 m；2009年以后每年抬高幅度不大，年變化在0～0.1 m之間，最低水位控制在 39.20 m左右。中低水出現時間加長，高水時間相對變短，年水位變幅在逐步縮小。

(4)按照《三峽水庫優化調度方案》，三峽水庫調度主要有防洪調度、發電調度、航運調度和水資源(水量)調度。通過三峽水庫調節，保證了汛期長江中下游防洪、枯水期航運、城鄉居民用水以及工農業生產和生態用水的需要。2008年以后最高水位保證率控制在 52.60 m以下。2009年開始最低水位保證率從斷面水位基本維持在39.20 m，以后逐年遞增，到2015年水位維持在39.50 m。

總之，三峽水庫蓄水后對宜昌基本水尺斷面水位特性的影響較為突出，原有規律改變導致測驗和整編方法的調整，只有通過對新規律的認識，摸清宜昌站的水位新特性，并采取一定的控制措施，才能保證水文資料成果質量，提高資料的代表性和精度。