影響寸灘水位流量關系的水力因素探討

（長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010）

2020年汛期，長江流域暴雨頻發、干支流洪水嚴重遭遇，干流發生5次編號洪水，上游干流寸灘站出現多次較大漲水過程。2020年8月11～17日發生的降雨過程為入汛以來長江上游最強過程，嘉岷流域出現大范圍暴雨-大暴雨的強降雨過程，降雨持續時間長達7 d，強降雨區范圍集中、極端性強，主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，面均雨量多在140 mm以上。

受強降雨影響，岷江發生超歷史洪水，沱江、涪江、嘉陵江、長江干流朱沱至寸灘江段發生超保證洪水，干流寸灘站發生1次復式漲水過程。洪水期間，重慶主城區多處被淹，寸灘站最高水位191.62 m（超保證水位8.12 m），超過1981年最高水位191.41 m，但2020年最大流量（74 600 m3/s）較1981年（85 700 m3/s）偏小約11 100 m3/s，寸灘站水位流量關系的變化成為社會關注熱點。本文以報汛資料為基礎，通過分析洪水過程中三峽庫區水面線、寸灘站斷面變化情況、洪水峰型及三峽水庫對寸灘站水位流量關系帶來的影響，總結規律并探討不同水力因素對寸灘站水位流量關系的影響。

1 三峽庫區水面線分析

“20·8”洪水中，寸灘站出現洪峰水位191.62 m時相應流量為74 500 m3/s，依據寸灘站洪峰量級相近的原則，選擇1981，1984，1987，1998年作為典型洪水年，繪制各年寸灘站出現洪峰水位時寸灘至壩址的水面線，見圖1，各站水位已統一換算至吳淞基面。通過三峽庫區水力學模型［1-2］，以“20·8”洪水中寸灘、武隆站實際來水過程為上邊界，假定三峽壩前水位分別維持145，155，160 m，計算并繪制當寸灘站出現洪峰水位時寸灘至壩址的水面線，見圖1。

由圖1可知，“81·7”洪水中，當寸灘站出現洪峰水位191.41m時的寸灘至壩址水面線，與“20·8”洪水中寸灘站出現洪峰水位191.62 m時的寸灘至壩址水面線相比，水面線在寸灘至麻柳嘴河段基本重合，麻柳嘴至壩址河段水位因三峽水庫蓄水在“20·8”洪水中明顯抬高。當三峽壩前水位維持在145 m時，計算得到寸灘站出現洪峰水位時的寸灘至壩址水面線，與“20·8”洪水中寸灘站出現洪峰水位時的寸灘至壩址水面線基本重合，在寸灘至麻柳嘴河段偏低幅度穩定，在麻柳嘴至壩址河段偏低幅度隨距壩址距離變近而變大。

1984，1987，1998年洪水中寸灘站的洪峰量級均小于“20·8”洪水中寸灘站洪峰量級，當寸灘站出現洪峰水位時，同時刻寸灘至壩址水面線均比“20·8”洪水中寸灘站出現洪峰水位時庫區水面線低，但寸灘至麻柳嘴河段水面線的變化趨勢與“20·8”洪水中的變化趨勢基本相同。

由此可知，“20·8”洪水中，三峽水庫庫尾麻柳嘴至寸灘站約50 km，表現為明顯的河道特征。當寸灘出現洪峰水位時，三峽庫水位調洪運用對寸灘水位有一定抬高影響，但當寸灘現峰后，三峽水庫調蓄洪水對寸灘附近水位影響較小。

2 影響水位流量關系因素分析

2.1 洪水峰型

寸灘站的洪水過程有單次漲水過程和連續多次漲水過程的區別，洪峰表現為單峰型和多峰型。本文選取典型年寸灘站復式洪水過程，分析水位流量關系線的走勢。1981年和1998年為三峽水庫建庫前的典型年，次洪樣本見圖2。2012年和2020年為三峽水庫建庫后的典型年，次洪樣本見圖3。次洪樣本匯總見表1。

圖2 1981年和1998年洪水樣本

根據選取的典型年復式洪峰次洪，繪制三峽水庫建庫前和建庫后的寸灘站水位流量關系線，見圖4和圖5。

圖3 2012年和2020年洪水樣本

表1 典型年場次洪水樣本選取匯總

圖4 建庫前寸灘站復式洪水水位流量關系

圖5 建庫后寸灘站復式洪水水位流量關系

由圖4～5可知，三峽水庫建庫前、后寸灘站復式洪水水位流量關系基本處于綜合線附近。從各典型次洪來看，復式洪水后峰水位流量關系繩套中間線較前峰水位流量關系繩套中間線左偏［3-4］；2020年復式洪水后峰水位流量關系繩套中間線左偏幅度較其他典型年偏離更大。

當發生復式洪水時，后峰在前峰影響后的河道上繼續發展，洪水過程洪量偏大，河道的槽蓄能力變小，宣泄能力不足，水面比降降低，表現為同流量下水位偏高。

2.2 洪水形態

以“81·7”洪水過程為原型，固定洪峰流量85 700 m3/s以及洪水過程起漲、結束時間，按不同的洪水形態擬定5組洪水過程。以洪峰胖瘦系數描述洪峰胖瘦程度，分析洪水形態對寸灘站水位流量關系的影響程度。洪峰胖瘦系數，即洪峰流量與洪水過程平均流量或過程總水量之比。本次計算采用洪峰流量與過程平均流量之比，洪峰流量相同情況下，系數越大，洪水峰型越瘦。擬定的5組洪水過程參數見表2，過程線見圖6，其中方案3為“81·7”實況洪水過程。

表2 洪水形態參數

圖6 不同形態洪水過程線

基于三峽庫區水力學模型，以擬定的5組寸灘洪水過程和武隆站實況過程作為模型上邊界條件，區間降雨均采用2020年實況降雨，下邊界三峽壩前水位維持145 m，分別計算5組寸灘站水位流量關系，見圖7。由圖7可知，流量在60 000 m3/s及以下時（漲水面相應水位183m左右），洪水形態越胖，水位流量關系曲線帶寬越寬，且在漲水面流量越小時，水位流量關系越偏右；當流量大于60 000 m3/s時，洪水形態越胖，水位流量關系曲線整體越偏左，即同流量下水位越高。

圖7 不同形態洪水對應寸灘站水位流量關系

分析5組洪水數值模擬得出的洪峰水位與洪水洪峰胖瘦系數的相關性（見圖8）可知，當洪峰流量一定時，洪峰水位與洪峰胖瘦系數呈負相關，即胖瘦系數越大，洪水峰型越尖瘦，洪峰水位越低。

圖8 洪峰胖瘦系數與洪峰水位相關關系

分析“20·8”寸灘洪水的胖瘦程度，考慮本次洪水為復式洪水，需先進行洪水分割。對后峰進行分割后計算洪峰胖瘦系數，約為1.45；小于“81·7”洪水的胖瘦系數為1.55，表明“20·8”洪水后峰整體峰型胖于“81·7”洪水峰型；當洪峰流量相同時，“20·8”洪水洪峰水位較高。

由此可得出：當洪水峰型較胖時，洪水過程的洪量也相應增加，宣泄能力減弱，寸灘站水位偏高。

2.3 寸灘站河道斷面變化

寸灘站位于長江與嘉陵江匯合口下游約7.5 km處，河段較順直，左岸較陡，右岸為卵石灘，左岸上游550 m處有砂帽石梁起挑水作用，中泓偏左岸，斷面基本穩定。

以1981年為基準，分析2003，2010，2012，2018年寸灘水文站實測大斷面形態及變化，見圖9。計算了不同水位條件下斷面面積的變化，見表3。由圖9可知，168 m以下寸灘水文站實測大斷面形態基本穩定，不同水位條件下有一定的沖淤變化，但變化不大；168 m以上大斷面過水面積有所縮小，主要是2005年斷面右岸因修濱江路工程，在水位168 m以上修建了垂直高約11m的堡坎，且布置9條石梁。因此，當寸灘站水位在180 m以上時，2010，2012，2018年實測大斷面面積較1981年偏小，偏小幅度穩定在3.7%以內，其中以2018年偏小值較大。

圖9 寸灘水文站實測大斷面形態變化對比

表3 建庫前后寸灘水文站實測大斷面面積變化統計

由表3可知，寸灘站水位在177 m以上時，2018年實測大斷面過水面積均小于1981年，當斷面平均流速、過水斷面面積相同時，2018年寸灘斷面水位高于1981年。當水位在191～192 m時，2018年斷面面積較1981年偏小3%左右。

綜上，相同水位下寸灘站的河道過流斷面面積減小降低了河道的行洪能力，是造成寸灘站水位偏高的另一個因素。

2.4 三峽水庫壩前水位

基于三峽庫區水力學模型，以“20·8”洪水中寸灘、武隆站實況來水過程作為上邊界，以2020年8月14日08：00為計算起始時間，實況三峽壩前水位153.09 m為起調水位，依據實況出庫范圍，從8月14日08：00起設置不同的三峽下泄方案，即：出庫流量按30 000～50 000 m3/s，每隔2 000 m3/s設計一個方案，以此分析不同調洪水位對寸灘洪峰水位的影響。由于出庫流量維持在30 000～36 000 m3/s時三峽調洪水位超過175 m，本次分析僅采用38 000～50 000 m3/s之間的7組方案結果，見圖10。

由圖10可知，整體而言，當壩前水位較高時，通過加大下泄流量降低三峽壩前水位，可降低寸灘洪峰水位，且隨著壩前水位的降低，寸灘洪峰水位的降低幅度逐漸減小。當出庫流量由38 000 m3/s（相應調洪水位169.05 m）加大至40 000 m3/s（相應調洪水位166.65 m）時，可降低寸灘現峰時對應三峽庫水位約2.4 m，降低寸灘洪峰水位約0.2 m；當出庫流量由48 000 m3/s（相應調洪水位159.40 m）加大至50 000 m3/s（相應調洪水位157.40 m）時，可降低寸灘現峰時對應三峽庫水位近2.0 m，降低寸灘洪峰水位約0.1 m。

圖10 三峽下泄流量、同時壩前水位與寸灘洪峰水位相關關系（圖中數字為對應三峽壩前水位）

三峽水庫調洪水位的高低對河道水面比降的大小有一定影響，形成一定的頂托影響，進而影響寸灘站的洪峰水位。

3 結論

本文通過對寸灘站發生較大洪水年份的實測資料及模型研究，探討了不同水力因素對寸灘站水位流量關系的影響，得到以下結論。

（1）在“20·8”洪水中，寸灘站出現洪峰水位時三峽水庫庫尾麻柳嘴至寸灘站約50 km，表現為明顯的河道特征；當寸灘出現洪峰水位時，三峽水庫庫水位的高低對寸灘水位有一定頂托影響，但寸灘現峰后，三峽水庫調蓄洪水對寸灘附近水位影響較小。

（2）當寸灘站發生復式洪水時，后峰水位流量關系繩套中間線較前峰偏左，洪水過程洪量偏大，前期洪水擠占河道槽蓄量，底水偏高，河道調蓄能力降低，是寸灘站高水位的影響因素之一。

（3）當洪峰流量一定時，洪峰水位與洪峰胖瘦系數呈負相關，即胖瘦系數越大，洪水峰型越尖瘦，洪峰水位越低；“20·8”洪水的胖瘦系數較“81·7”偏小，洪水峰型偏胖，洪峰流量相同時，洪峰水位偏高。

（4）當水位在191～192 m時，當前寸灘站過流面積較1981年偏小約3%，相應地減小斷面過流流量，在一定程度上抬高了寸灘斷面的水位。

（5）當三峽壩前水位較高時，對寸灘水位有一定頂托影響，可通過增加三峽水庫的下泄流量降低寸灘現峰時的壩前水位，以減小對寸灘洪峰水位的影響，保障重慶市庫尾安全。