水利樞紐對下游河道水文情勢影響研究

朱萬妮

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510000)

1 概 述

水利樞紐是為保障人類的生產生活、以水利工程的興利除害為主要目的，在河流合適位置修建的壩、水電站等水工建筑物的集合。水利樞紐的興建不僅關系到人們的日常生活，保障人民群眾生命財產安全，還會在一定程度上對河道下游的水文情況產生影響；同時，下游水文的變化也會反過來作用于水利樞紐，對水利工程設施造成影響。因此，調節得當能使水利設施造福民眾，否則會給下游及周邊地區造成損失[1-4]。

為使水利樞紐修建的同時將對各區間水文的影響降低在可控范圍內，許多學者對水利樞紐及其周邊水文地質進行了研究。于洪翔[5]通過研究旁多水利樞紐的土石壩發現，壩基周圍的水文地質特征以沖積物和冰水堆積物為主，且該種水文地質可能是造成壩基滲漏和滲透變形的主要原因之一。嚴桂強[6]基于長洲樞紐到界首河段的河床下切現象，對長洲水利樞紐的水文變化情況進行了分析，并針對水文變化對航運的不利影響給出相應的對策。孫冬[7]以結雅水利樞紐為對象，對黑龍江中游的水文情勢進行了研究，發現該水利樞紐起到了調洪及減輕水災的能力。龔建華[8]采用近15年的水文實測數據，對崔家營航電樞紐修建后下游的水文情況進行了分析，發現該隨著該水庫的修建，河流流量的季節性削弱，全年流量較為均勻、輸沙量也變得均勻。李帆[9]通過葛洲壩水庫蓄水前后的資料，分析了該水利樞紐對宜昌水位、流量等水文的影響，了解到該地水流挾沙能力下降，水庫泥沙淤積嚴重，但下游輸沙量減少，下游沖淤平衡被打破。

本文以某地水利樞紐工程為例，借助該地水文實測資料，對該樞紐下游的潮位、潮歷時、潮差等水文要素進行分析研究，揭示水利樞紐對當地水文的演變規律，為該水利樞紐的充分利用及當地水文運動提供參考依據。

2 水利樞紐概況

該水利樞紐由5座泵站及13座節制閘水電站、引排河道構成，具有排洪、蓄水、水運、發電等功能。修建至今，共抽水1 400×108m3，排澇390×108m3，引江1 200×108m3，排洪9 550×108m3。在其北部區域出現洪澇災害時，上中游區域15.8×104km2的水經過調蓄之后，75%的水經過該水利樞紐后流入泄洪河道進行排放。A潮位站距離該水利樞紐約2 km，其感潮段在每天不定期漲潮落潮2次。

A潮位站修建于上世紀20年代，50年代開始記錄潮位及潮歷時資料。本文以50年代至今的潮位、潮歷時等與水利樞紐相關的資料數據為主，對其趨勢特征進行分析，通過下游水文情況的變化進而推斷水利樞紐對水文的影響情況。其中，資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》。對該資料的數據分析方法主要為非參數統計法，在置信度為95%時臨界值為|1.95|，在|Z|>1.95時變化顯著，否則不顯著。對潮位等方法的分析主要采用累計距平法。

3 年內年際的潮位潮歷時分析

3.1 顯著性分析

圖1為多年潮差、潮位特征及潮歷時平均變化特征。其中，圖1(a)為多年平均潮位高度隨不同時間段下的變化趨勢圖。由圖1(a)可以看出，高高潮、平均高潮與低低潮、平均低潮變化趨勢近乎大致相同。具體表現為：在1月份潮位為最低潮位點，隨著時間的變化逐漸升高，在7月達到最高潮位點,之后逐漸下降至12月份為止。其中，高高潮的平均潮位點年均高出低低潮約2.5 m。

圖1 多年潮差、潮位特征及潮歷時平均變化特征

為了進一步直觀分析統計高高潮與低低潮的線性增長率與非參數檢驗值，繪制表1。從表1反映的數據可以看出，6、7、8這3個月為增長趨勢，但6、8月份的增長趨勢不如7月份的趨勢明顯，且增長率不如7月份高。但8月份的線性增長率較6月份高而低于7月份。由此可以看出，該地區6-8月份為豐水期，該區域的高潮位特征不利于泄洪。由線性增長率可以看出，從枯水期的9-11月份結束后，12、1、2月份的潮位增長較為明顯，且1月份增長率最大，該時期的潮位增長有利于自流引水。

表1 高高潮與低低潮的潮位增長率與非參數檢驗值

圖1(b)、圖1(c)分別為不同月份的最大潮差和潮歷時變化圖，對潮差和潮歷時的分析有利于進一步掌握該地水文變化特征。從圖1(b)可以看出，漲潮最大潮差與落潮最大潮差變化趨勢一致。具體表現為：從1-7月份呈現下降趨勢，且7月份為最低點，在7月份過后逐漸上漲至12月份，且漲潮潮差與落潮潮差相差最大的月份為每年的1和12月份，7月份相差最小，平均為1.79和1.67 m，年均平均相差0.04 m。圖1(c)為漲潮與落潮的年均最大潮歷時變化圖。從圖1(c)中可以看出，其漲潮與落潮的年均潮歷時變化也大致相同，但漲潮的歷時小于落潮歷時約3.9 h，于每年3月份漲潮與落潮的歷時達到最大值，9、10月份較3月略小，其余時間均較小。

同樣，借助潮差與潮歷時的線性增長率與檢驗值進一步分析，繪制表2。從表2中可以看出，6、7、8這3個月的漲潮落潮的潮差增長率呈現出減小的趨勢，而歷時呈現出逐漸增長的趨勢，但其效果均不明顯。從10月份開始，10、11、12、1、2月漲潮落潮潮差增大，但歷時變短。因此，在豐水期歷時短潮差大，這種情況是對自流引水非常不利的，容易造成洪澇災害。

表2 潮歷時、潮差增長率與非參數檢驗值

3.2 累計距平分析

圖2為高高潮、年平均高潮、低低潮、年平均低潮的累計距平變化圖。從圖2中可以看出，高高潮、低低潮與其各自年平均值變化趨勢大致相同。結合表1的數據可知，高高潮的增長率最大，而低低潮的增長率最小，相差約0.45 cm/a。圖2(b)為高高潮的距平。從圖2(b)中可以看出，整體上從1957-1966年的距平均在平均距平以下；在1966-1984年間，距平在平均值附近波動；而在1984-1993年間，距平在平均值以上；從1993-2020年，整體的距平均在平均值上，且較1984-1993年間略大。

圖2 潮位累計距平與高高潮距平變化圖

圖3為漲落潮最大潮差的累計距平和最大歷時的累計距平變化圖。其中，圖3(a)為不同年份最大潮差的累計距平，從圖3(a)中可以看出，漲潮落潮的變化趨勢近乎一致。具體表現為：1957-1966年，漲落潮的最大潮差均表現為增長階段；1966-1975年，急劇下降；1975-2002年，雖然波動較多，但整體下降趨勢不明顯；2002-2011年，降幅較大；2011-2020又增長至2002年的水平。圖2(b)為最大歷時的累計距平，從圖2(b)可以看出，不同年份的漲潮落潮的歷時距平變化也是趨于一致的。但不同之處在于漲潮歷時距平在1984年附近時回落較大，與當年落潮最大歷時相比，時長短于落潮歷時約4 h，而1993和2011年漲潮歷時高出落潮歷時分別約5 h和3.8 h。其余階段表現為：1957-1966年，歷時減少；1966-1970年，逐漸增大；1970-1984年，整體歷時逐漸回落；1984-2020年間，雖然多處存在較大波動，但整體水平呈現出微小增長的趨勢。

圖3 漲落潮最大潮差的累計距平和最大歷時的累計距平變化圖

該潮位站的分析結果表明，在不同年間，雖然漲潮落潮的潮差與其各自的潮歷時可能會出現不同范圍的波動，但結合其整體情況來看，總體趨勢仍然呈現出微小增長的跡象。因此，該水利樞紐的修建導致整體上潮位的上漲與潮歷時的減短。近年來，隨著其潮位的增大與潮歷時的變短，給該水利樞紐的排洪泄澇能力也帶來較大的挑戰。

4 結 論

本文以某地水利樞紐的A潮位站為對象，借助非參數檢驗值與累計距平法等研究方法，通過對A潮位站多年記錄的潮位、潮歷時的數據進行分析比對，研究其水文情勢與該水利樞紐之間的關系。結論如下：

1) 水利樞紐所處位置6、7、8這3個月為豐水期，潮位增長明顯，且潮歷時變短，不利于該水利樞紐的自流引水。9、10、11月份為枯水期，在枯水期結束后到次年的潮位會出現一定的增長，且潮歷時較豐水期長，因此該階段利于引水。

2) 在該水利樞紐修建完成后的多年間漲潮、落潮的潮差波動較大，但整體有較小增長，潮歷時則略有變短。近年來，隨著其潮位的增大與潮歷時的變短，給該水利樞紐的排洪泄澇能力會帶來一定的挑戰。