丹江口水利樞紐工程蓄水對其上游各水文（位）站的綜合影響分析與評估

徐利永，張海波，徐新雪

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000）

水利水電工程工期短者3年～5年，時間長的可能10年以上，施工期間河道特性變化頻繁，水文各要素關系也隨之發生變化。施工結束后直接或間接的改變了水文站水文特性[1～2]。根據預建水利工程對水文測站的影響程度，水利工程對水文測驗的影響分析與探討的文章不少，但如何評價其影響大小，根據影響程度如何利用現有的技術條件解決水文測驗問題需要更深一步進行討論[3～5]。本文主要對水位、流量測驗項目進行了影響分析與評估。

1 研究區概況

1.1 水利工程概述

丹江口水庫作為南水北調中線的供水水源工程，也是漢江綜合利用開發治理的控制性水利樞紐，由丹庫和漢庫兩部分組成，涉及湖北和河南兩個區域。丹江口水利樞紐分初期規模和后期規模兩期興建，初期工程于1973年底建成，后期的大壩加高工程于2005年開工建設，2014年12月12日丹江口水庫正式向北方供水，標志著丹江口水庫后期全面轉入正常運行期。

丹江口水利樞紐工程大壩加高后，正常蓄水位由157 m提高到170 m，相應庫容達到290.5億m3，水庫任務為防洪、供水、發電、航運等。水庫運行調度方式為：5月初至6月21日，水庫水位逐漸降低到夏季汛限水位160 m；8月底逐漸抬高到秋季汛限水位163.5 m；10月1日以后，逐漸蓄水到正常蓄水位[6]。死水位150 m；極限消落水位145 m[7]。多年平均入庫水量為394.8億m3[8],多年平均氣溫為15.9℃，年均降水量約900 mm，年均水面蒸發量860 mm左右[9]。其上游各水文（位）距壩里程、梯級開發情況、主要匯入河流距壩里程具體見圖1、表1。

圖1 漢江主要水文（位）站、水電站距丹江口壩址里程統計及示意圖

表1 丹江口庫區主要匯入河流距壩里程統計表

1.2 水文站網概述

丹江口水庫供水對象包含漢江中下游、清泉溝及南水北調中線一期工程三部分。其供水調度關系到漢江中下游、清泉溝用水安全和南水北調中線工程的正常運行，關系到我國水資源優化配置戰略格局，也關系到有效緩解華北地區缺水和改善生態環境戰略目標的實現，成為學界高度關注的熱點和難點問題。

受丹江口大壩加高工程影響，其壩上有白河、油房溝、黃龍灘、磨峪灣、淅川共5個水文站，分布在漢江、堵河（漢江一級支流）、丹江（漢江一級支流）、老灌河（丹江一級支流）上。壩下黃家港水文站受其影響，水位～流量關系復雜；庫區內布設有龍口、浪河、巡路口、窯溝4個專用水位站，壩前布設有龍王廟國家基本水位站。受影響的水位站主要分布在漢江干流鄖縣至白河區間范圍內，其主要作用為監測大壩加高前及加高后的蓄水緩沖區。各水文（位）站地理位置分布見圖2。

圖2 丹江口水利樞紐水文站網分布圖

2 受影響水文要素特性變化分析

水文特性變化一般是指通過斷面的水流形態發生變化，特別是流速、含沙量在垂線、斷面上的分布發生改變，導致已經建立的測驗方案或者采用的測驗設施設備無法正常使用。具體為延斷面布設的垂線位置及數量、延垂線分布的測點位置及數量、各流速系數、單斷沙關系等均需重新分析確定，導致水文測驗成果質量降低或者無法滿足使用。

2.1 水文站主要水文要素影響情況

2.1.1 流量測驗斷面影響分析

根據各水文站大斷面與丹江口水庫蓄水位對比分析（見圖3）可得：夏季汛限水位160 m對黃龍灘水文站會產生頂托影響，對白河、淅川、磨峪灣不會產生影響；秋季汛限水位163.5 m基本達到磨峪灣水文站斷面，影響程度需根據歷年水位～流量關系進一步分析；正常蓄水位170 m庫區尾水對白河站產生影響，影響程度目前還無實測資料進行分析，目前在建的孤山電站蓄水后對該站的影響較大，該站完全處于庫區之中。在正常蓄水位以下不會影響到淅川水文站。

圖3 各水文站大斷面與庫區蓄水位對照圖

2.1.2 水位過程受影響分析

黃龍灘水文站水位受頂托后在上游來水情況基本相同的情況下，水位變幅總體減小，但變動頻次提高。穩定的測驗時機難以掌控，常規測驗無法滿足定線整編精度要求。見圖4、圖5。

圖4 受頂托前瞬時水文要素過程線圖

圖5 受頂托后瞬時水文要素過程線圖

2.1.3 水位～流量關系受影響分析

黃龍灘水文站受丹江口水庫回水頂托后水位～流量無穩定關系，較歷年綜合分析關系明顯變化，之前每年為較穩定的單一關系（見圖6）。應對措施為采用H-ADCP在線監測數據分析指標流速關系進行整編推流。磨峪灣水文站分析2016年～2017年水位～流量關系（見圖7），其受斷面沖刷及上游來水特性影響較大，一定時期內承單一臨時曲線，無明顯頂托影響。

圖6 黃龍灘站受頂托后與歷年水位～流量關系對比圖

圖7 磨峪灣站2016～2017水位～流量關系對比圖

2.2 水位站水文要素受影響分析

從鄖縣向漢江上游至白河1個水文站和9個水位站的水位均被抬升，基本水準點部分被淹，校核水準點、水尺基本全部被淹沒。水位被抬高以后造成多個站點地基不穩，塌方。新設的各水準點、水尺高程變動頻繁，難以固定下來。被影響前水位過程主要受上游漢江蜀河電站調機影響，水位日變幅較大，受丹江口水庫蓄水及年調節影響水位日變幅減小，但年變幅增大。

以天河口水位站為例（見圖8），該站1955年設立，中間停測13年時間，已收集到50年水文系列資料，距壩里程165.5 km，2017年大壩加高蓄水前不受其任何影響。2016年該站未發生較大洪水過程，水位變幅僅5.65 m。2017年8月中旬開始受丹江口水庫蓄水影響，水位逐漸抬高，平水期水位變幅達6.76 m。

圖8 天河口水位站年過程線對照圖

在洪水期丹江口水庫蓄水對各站的水位有明顯的抬高影響，2017年9月下旬至10月中旬漢江出現較大來水過程，且頻次高，持續時間長。根據天河口水位過程線圖可知，水位被抬高約4m，與歷史系列資料發生了較大變化。根據分析將軍河至西流水位站水位近三年過程線圖（見圖9～圖11），可得丹江口水庫漢江回水已達到將軍河水位站附近，距壩里程184.7 km。

圖9 將軍河（二）水位站年過程線對照圖

圖10 靈牌石水位站年過程線對照圖

圖11 西流水位站年過程線對照圖

3 評估體系與方法

3.1 評估方法

綜合影響（S）以各測驗項目（見表2、表3）影響程度、影響時間（見表4）為主要因子確定權重系數，各主要因子根據數據分析及工程概況評估得分，根據分數及權重系數計算綜合影響程度。測驗項目主要包括水位（Z）、流量（Q），經驗值初步確定所占權重分別為0.4、0.6。影響時間因子（Tx）根據各項目的影響時間長短確定。綜合影響得分計算見公式1，影響等級劃分見表5。

表2 水位（Z）受影響賦分表

表3 流量（Q）受影響賦分表

表4 時間因子權重表

表5 綜合影響層次劃分

水位（Z）受影響程度指水位受影響升高變幅與歷史最大變幅進行比較，如黃龍灘水文站受影響前最高水位176.52 m（相應流量11200 m3/s），最低水位158.79 m，變幅達17.73 m；受影響后水位已達到170.35 m，年水位變幅11 m，占歷史最大變幅的62%，受影響賦分為7分。如果再次出現11200 m3/s流量，水位必定會超歷史最高，受影響賦分可為9分。流量（Q）受影響賦分主要考慮在滿足整編定線精度要求下流量測次的增量，可與歷年流量測次均值進行對比。

3.2 綜合影響評估

通過以上評估方法，對丹江口水庫影響的各水文（位）站進行了影響等級評估（見表6、表7），根據受影響程度確定解決方案，已滿足各水文要素的推求。

表6 各水文站受影響等級評估

表7 各水位站受影響等級評估

3.3 影響評估驗證

在建孤山電站蓄水后將對白河水文站產生一定影響，根據其正常蓄水位（177.23 m）和白河水文站目前測驗情況，進行了評估，結果見表8。

表8 白河水文站受孤山電站蓄水影響評估

4 水文（位）受影響解決方案

4.1 水位站

水位站測驗項目單一，受影響后的解決方案一般較好確定。等級為輕微影響的測站在工作管理、人力資源上應增加投入，加強儀器設備維護，對基礎設施設備進行補充及改善。如增設水尺、水準點，更換水位自記儀探頭及存儲設備安置位置等，部分測站需要重新建設水位自記臺；等級為影響的測站，原基礎設施及設備基本廢棄，水尺、水準點、水位觀測平臺被淹沒，一般在原來站址的基礎上進行重建，特殊情況需要進行遷移，水位資料系列受到一定程度的影響，后期應用需進行資料還原；等級為顯著影響的測站，需要進行遷移重建，個別站失去水文測驗的必要性，水文資料無使用價值，進行停測或者撤銷。

4.2 水文站

水位項目可參考4.1條內容，本條重點對流量測驗成果進行詳細分析。等級為輕微影響的測站，按照測站現有測驗設施設備能夠完成《水文測驗任務書》的測驗要求，測次會有所增加，水位～流量關系發生一定變化，目前整編方法可以繼續使用；等級為影響的測站，水文特性發生較大變化，水流狀態復雜化，測流時機控制難度系數大。現有測驗設施設備及整編方法已經無法滿足有關規范要求，不同水位級需要增設臨時測驗斷面，需要研制開發或引進先進的水文測驗設備、儀器；等級為顯著影響的測站，測驗數據代表性失真，水文測站需要遷移、改建、撤銷（包括部分項目停測）[10～11]。

不同等級影響的水文站主要解決方案是引進先進的設備，例如水平式聲學多普勒流速儀，流量自動監測是解決受工程影響水文測驗的主要手段。發展方向為提高水文測驗的信息化水平和自動化水平，運用遙測系統、微機測流系統、固態存儲、超聲波水位計、計算機網絡技術進行水文測驗。新技術的運用，可以最大程度的降低錯誤率，保障了水文測驗工作的準確性和可靠性。同時也能夠減少勞動力，加強日常測驗與分析研究。

5 結論

通過以上評估體系的建立與對丹江口水利樞紐上下游附近各水文（位）站的分析與評估，基本建立了受工程影響水文測驗評估體系，可供廣大水文工作者借鑒和參考。水文成果是水利工程建設、水資源開發利用、科學研究和國民經濟建設的基礎數據資料，水文單位應與水利工程建設單位有效溝通，協調發展，加強基礎設施建設與改善，研制開發或引進先進的水文測驗設備、儀器，提高水文測驗的科技水平以及水文測驗的準確性，更好的滿足水文事業的質量要求，為我國經濟社會的發展提供更優質的水文服務。