金沙江下游梯級電站區間徑流特性

王方方，李 鵬，唐緒鋒，許 浩，王二朋

(1. 三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443133；2. 中國電建昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

金沙江下游有四個梯級電站，從上游往下游依次為烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩電站，呈串聯形式。其中溪洛渡和向家壩電站已在2014年陸續投產，烏東德和白鶴灘電站分別在2020年和2021年投產。

梯級各電站之間距離相近，均約200 km，流域水系組成復雜，支流眾多，水系結構拓撲圖見圖1。根據金沙江下游梯級電站的拓撲關系分成四個區間，即三-烏區間(三堆子-烏東德)、烏-白區間(烏東德-白鶴灘)、白-溪區間(白鶴灘-溪洛渡)、溪-向區間(溪洛渡-向家壩)。鑒于電站均分布于金沙江干流且兩站之間距離較短，區間流域面積接近，因此，烏東德和白鶴灘成庫后，擬參考溪洛渡-向家壩梯級電站的預報策略來實施預報。

圖1 金沙江下游水系結構拓撲圖

參考傳統預報方法[1-2]和梯級電站區間徑流分析模式[3-4]，枯水期，上站出庫直接作為下站入庫，對于三堆子水文站至白鶴灘流域范圍，考慮三堆子站作為烏東德入庫站，烏東德下泄作為白鶴灘預報入庫，白鶴灘下泄作為溪洛渡預報入庫。然而，溪洛渡和向家壩區間較大支流只有1條且區間流域面積在四個梯級之間最小，而上游梯級區間較大支流有3～4條且區間流域面積較大，因此，需根據上游區間的具體情況進一步分析原預報模式的適用性，為梯級水庫預報提供指導。

1 金沙江下游徑流傳播時間分析

1.1 建庫后河道匯流變化

河道修建水庫后，在水庫蓄水的淹沒范圍內，改變了原來河道的水力要素與水文特性。如水深和水面面積大大增加，水面比降變緩，流速減慢，糙率減??；原河道兩岸的部分陸地變為水面，使徑流系數增大，地下水位抬升；水庫淹沒區的匯流規律也與天然河道不同。

根據水力學原理[5]，建庫前河道水流屬于擴散波，建庫后水庫水流屬于慣性波，波速明顯增大，庫區水流波速計算公式為：

式中：C為波速，m/s；v為斷面平均流速，m/s；h為庫區平均水深，m；g為重力加速度，m/s2。

洪水傳播時間計算公式為：

τ=L/3.6C

其中L為庫區回水長度，km。

由上式可知，因建庫后水深h值大大增加，波速增大很多，使庫區洪水傳播時間大大縮短。

1.2 烏東德-白鶴灘梯級成庫后徑流傳播時間預測

1.2.1 烏東德成庫前后傳播時間變化分析

烏東德水電站于2020年正式投產運行，以2020年為時間節點對烏東德區間傳播時間進行分析預測。

烏東德壩址布設有烏東德水文站，其上游水文控制站為三堆子站，距壩址約210 km。挑選2015-2020年10場洪水過程分析發現，烏東德建庫前三堆子至烏東德壩址傳播時間約12 h。

烏東德成庫后，受河道水位抬升影響，庫區內水文情勢變化顯著。三堆子水文站將處在烏東德水庫變動回水區以上16 km。根據波速公式對烏東德成庫后回水區內傳播時間進行預測。根據長江勘測設計研究院研究成果可知，烏東德成庫后各斷面平均流速分布為0.3～0.5 m/s；對于參數h，統計三-烏區間深泓點高程數據，平均水深約為67 m，計算得徑流傳播時間為2.2 h。進一步考慮回水區范圍外，即三堆子至變動回水區上游邊界傳播時間為1～2 h，因此，成庫后三堆子至烏東德壩址洪水傳播時間約3～4 h左右。

1.2.2 白鶴灘成庫后傳播時間變化分析

白鶴灘電站規劃2021年投產，分別對2021年前后白鶴灘區間傳播時間進行分析和預測。

白鶴灘壩址代表站為白鶴灘水文站，選取8場洪水過程分析發現，烏東德站至白鶴灘壩址洪水傳播時間為12～16 h。白鶴灘成庫后，烏東德恰處于白鶴灘變動回水區末端。兩壩間水力要素的變化將同樣導致洪水傳播時間縮短，采用上述方法對白鶴灘成庫后區間傳播時間進行預測計算，傳播時間為2～3 h。

綜上分析可知，金沙江下游梯級成庫后兩壩間傳播時間較為接近，烏-白區間傳播時間預計為2～3 h，三-烏區間因為存在一段天然河段，傳播時間略長，預計為3～4 h。

需要注意的是本次預估的傳播時間未對不同流量情況做具體分析，傳播時間可能會在此基礎上有一定浮動，枯期的傳播時間比汛期會有一定增長。

2 金沙江下游區間徑流特性

本次研究旨在為烏東德、白鶴灘梯級電站投產后的預報工作作指導，因此主要分析三-溪區間流域范圍內的徑流特性。

區間徑流組成包括有控區間和無控區間，一般布設有效控制站的流域范圍為有控區間，但干支流控制站控制流域面積往往不能覆蓋流域所有區域，即還存在一定無控區間。在水庫來水預報過程中除了要考慮上游有控區域的報汛流量，還要考慮無控區間的產匯流影響。因此本次首先分析有控區間徑流特性，在此基礎上進一步分析無控區間的徑流占比以及對下游的影響。

首先依據支流控制站分析支流有控區間的徑流特性，支流選取長度超過100 km且布有控制水文站的主要支流，各控制站資料系列長度為20～50年，包括一個完整的豐平枯周期(對資料不足的站點采用相關分析插補延長)，進一步從兩壩間總徑流扣去上述有控計算成果，即得無控區間徑流。在此基礎上對兩部分徑流組成以及對下游壩址流量的影響進行比較分析。

2.1 三-烏區間

三烏區間上游以三堆子水文站為控制站，下游以烏東德水文站為控制站，通過分析兩站多年月均實測流量差，即得三-烏區間總徑流。進一步分別對三-烏有控區間和無控區間特性分類分析。

2.1.1 三-烏有控區間

三-烏區間分布有3條主要支流，右岸主要支流為龍川江，龍川江設有小黃瓜園水文站。在小黃瓜園站與金沙江匯合口之間有蜻蛉河匯入，布有多克站。左岸主要支流為鲹魚河，設有可河站(見圖1)。根據處理后的水文資料計算上述站點的多年月均流量，結果如圖2。

圖2 三-烏區間有控區間年內徑流分布

通過對各站逐月平均流量進行分析發現，三-烏區間支流的徑流主要集中于汛期7～9月，占全年的83%，連續最小三個月(2～4月)徑流量不足5%。各支流流量差距較大，龍川江小黃瓜園站和鲹魚河可河站流量相對較大，最大月均流量接近100 m3/s；多克站流量最小。

2.1.2 三-烏無控區間

三-烏無控區間流域面積為11 044 km2，占區間流域總面積的40%。

三-烏無控區間分析中，首先求得三堆子站和烏東德站各月多年平均流量差值(2006～2016年)，扣除有控區間計算的相應流量，即得三-烏無控區間多年月均流量。在此基礎上，量化比較有控和無控區間徑流量及其在下游壩址徑流中所占比例(見圖3)。

圖3 三-烏區間徑流組成及在下游壩址占比

由圖3可知，三-烏區間總徑流表現為汛期較集中的形式。7～9月區間流量最大，在年度占比70%～80%，月均流量范圍為250～300 m3/s，在下游壩址流量中占比4%左右。在對下游影響的年度分配中，發現區間徑流在枯水期所占壩址徑流比例略偏大，在消落期和汛期偏小，分析原因為消落期烏東德壩址流量受上游水庫消落影響相比天然流量有所增加，而區間流量幾乎為天然流量，因此區間流量所占比例偏??；汛期由于壩址流量大幅增加，主汛期集中于7～9月，區間流量與壩址流量差距更大，因此汛期比例偏小。

在區間徑流組成中，由于無控區間流域面積相比有控區間控制流域面積較小，因此有控區間流量較大，兩者年徑流比例約為3∶2，有控區間在區間總徑流中占比60%左右。

2.2 烏-白區間

烏-白區間上游以烏東德水文站為控制站，下游以六城站為控制站，通過上下控制站流量之差得出烏-白區間流量，進一步分析區間流量組成。

2.2.1 烏-白有控區間

烏-白區間支流從上游至下游依次為普渡河、小江和黑水河，分別設有尼格站、小江站和寧南站(見圖1)。各支流多年月均流量如圖4。

圖4 烏-白區間支流年內徑流分布

通過對烏-白區間各站逐月月均流量分析發現，烏-白區間支流流量較三-烏區間較大?？刂普咀畲罅髁堪l生在7月和9月，接近400 m3/s，全年平均流量約200 m3/s。三條支流中普渡河尼格站流量最大，汛期接近200 m3/s，年均流量約90 m3/s；其次為寧南站，汛期接近150 m3/s，年均流量約70 m3/s；小江站流量最小。

2.2.2 烏-白無控區間

烏東德至白鶴灘區間，考慮干流上下控制站控制流域面積差，以及支流控制站控制流域面積，無控區間面積為10 615 km2。

根據六城站和烏東德站多年平均流量差，即得烏-白區間總徑流，進一步結合上述有控區間流量計算成果，計算烏-白無控區間流量。以此量化分析兩者在下游壩址徑流中所占比例(見圖5)。

圖5 烏-白區間徑流組成及在壩址中占比

由圖5可知，整體來看，相對于三-烏區間，烏-白區間總流量在下游壩址流量組成中占比較大。豐水期流量值和占比均較為突出，占比約6%，在主汛期7～9月月均流量為450 m3/s；枯期則相對較少，1～5月月均僅150 m3/s。縱觀全年區間流量在烏東德壩址中占比，發現汛期和消落期偏少，枯水期偏大，分析原因同三-烏區間，主要由于上游水庫消落以及汛期流量劇增的緣故。

在區間流量組成中，無控區間呈現出較有控區間流量偏小且時間分配更均勻的特征。

2.3 白-溪區間

白溪區間上游以六城站為控制站，下游以溪洛渡水文站為控制站，通過分析兩干流控制站多年月均流量差，推求白溪區間總徑流，進一步分析區間徑流組成。

2.3.1 白-溪有控區間

白溪區間支流從上游至下游依次為西溪河，牛欄江和美姑河。右岸牛欄江出口控制站為大沙店水文站。左岸西溪河控制站為昭覺站，美姑河靠近溪洛渡壩址，控制站為美姑站(見圖1)。根據收集處理的水文資料計算得多年月平均流量，如圖6所示。

圖6 白—溪區間支流年內徑流分布

分析白-溪區間各站月均流量發現，白-溪有控區間主汛期月均總流量約340 m3/s。各支流流量差距較大，牛欄江大沙店流量位于金沙江下游梯級間各支流之首，主汛期月均流量在200 m3/s以上，其次為美姑河，西溪河月均流量最小。

2.3.2 白-溪無控區間

考慮干流六城站和溪洛渡水文站的流域控制面積差，支流昭覺站、美姑站以及大沙店站共16 773 km2的流域控制面積，無控區間面積7 292 km2。

結合干流站徑流情況和有控區間徑流計算成果來計算白-溪無控區間月均徑流，并量化分析徑流組成以及對下游壩址徑流的影響，方法同前兩個區間，結果見圖7。

圖7 白-溪區間徑流組成及在壩址中占比

由圖7可知，白溪區間徑流同樣集中于汛期，7～9月月均流量接近800m3/s，枯期約200m3/s。在下游溪洛渡壩址徑流占比中，所占比例位于金沙江下游梯級各區間之首，全年平均接近10%，汛期占比約9%。在各月比例分布中，同樣受上游水庫調蓄以及汛期集中降水影響，表現出消落期和汛期占比較小的特征。

在區間流量組成中，有控和無控比例約5∶4，兩者相差不大。

2.4 區間綜合比較結果

通過對各區間徑流特性進行比較發現，白-溪區間徑流量最大，其次為烏-白區間，三-烏區間最小。白-溪區間流量在下游壩址中占比接近10%，汛期流量約800 m3/s，非汛期200 m3/s左右；烏-白區間流量在下游壩址中占比接近7%，汛期流量約450 m3/s，非汛期150 m3/s左右；三-烏區間流量較小，在下游壩址中占比約4%，汛期流量約300 m3/s，非汛期60 m3/s左右。

在區間徑流組成中，各區間無控區間流域面積相比有控區域較小，無控區間在下游徑流中占比較有控區間較小，約占區間總徑流的30%～50%。各個區間的月均宏觀分析可為后期枯期預報提供指導，為汛期預報提供一定參考。

需要注意的是，月均流量僅反映月內整體水平，汛期區間暴雨頻繁，洪水多峰高量大，對下游的影響主要體現在洪水過程中。因此，在汛期場次洪水預報中尚需根據洪水暴雨特性進一步詳細分析。

3 結論和展望

3.1 結 論

本次研究通過對金沙江下游梯級區間徑流特性進行分析，為后期梯級水庫預報工作提供宏觀參考。

在洪水傳播時間分析中，以庫區波速計算公式為依據分析計算烏東德和白鶴灘成庫后徑流傳播時間的變化。研究結果表明，烏-白區間傳播時間為2～3 h；三-烏區間由于區間長度大于水庫回水區，傳播時間分布在3～4 h。實際運行中傳播時間可能會隨流量大小以及水庫運行時期有一定浮動。

在徑流分析中，對有控區間和無控區間進行劃分，并分別分析了兩個組成部分在下游壩址徑流中的占比。結果顯示，金下梯級區間徑流在下游壩址中占比為4%～10%；汛期較集中，占比達年度的80%左右。在金-下區間中，白溪區間徑流量最大，在下游壩址來水中占比也最大，其次為烏-白區間，三-烏區間次之。在區間徑流組成中，無控區間占比小于有控區間，占區間總徑流的30%～50%。

金沙江下游枯期來水較為穩定，區間月均徑流分析可為梯級水庫枯期預報提供指導，為汛期中長期預報提供參考，但在支流發生強降水時，尚需結合洪水過程對其進行詳細過程分析，對下游水庫來水預報提供更詳盡的支持。

3.2 展 望

本次研究對金沙江下游梯級區間徑流進行了量化分析，后期可在此基礎上進一步分析徑流豐平枯周期以及徑流發展趨勢，為中長期預報提供參考。同時，可在此基礎上建立區間洪水產匯流預報模型等，為梯級電站預報工作提供更具體指導。