孤山航電樞紐工程壩址水文特性分析

賈建偉 盧滿生 劉昕 何康潔

摘要：

孤山航電樞紐是漢江干流梯級開發(fā)的第8級，受上游梯級水庫群的影響，其水文特性較天然狀況已發(fā)生改變。根據(jù)孤山航電樞紐所在流域的水文、氣象資料，在分析上游水工程調(diào)蓄影響的基礎上，對工程區(qū)域的水文特性進行研究。結(jié)果表明：孤山航電樞紐壩址來水量以安康水庫以上為主；受華西秋雨影響，徑流年內(nèi)分配不均勻、存在7月和9月兩個明顯的高值，夏、秋季洪水分期明顯；安康水庫運行以來，該樞紐入庫沙量大幅減少。

關(guān)鍵詞：

水文特性； 徑流量； 輸沙量； 孤山航電樞紐工程； 漢江

中圖法分類號：P339

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.001

文章編號：1006-0081（2023）06-0006-05

0 引 言

流域水文特性是基于水文測站長期實測資料分析得出，要求系列具有一致性。隨著水利工程、河道治理等人類活動的影響，流域下墊面及河道匯流條件發(fā)生變化，實測水文資料的一致性受到破壞，水文特性發(fā)生相應變化［1-3］。水文分析成果不僅是流域規(guī)劃、水工程設計建設及運行管理的基礎依據(jù)，也是水旱災害防御、水資源調(diào)度及管理等的決策依據(jù)，其質(zhì)量不僅關(guān)系到工程自身的規(guī)模和效益，還關(guān)系到人民生命和財產(chǎn)安全。因此采用科學的方法得出合理可靠的水文成果是工程設計中面臨的重要課題［3-4］。上游梯級水庫群對下游河段水文特性的影響體現(xiàn)在徑流、洪水、泥沙等多個方面，需進行系統(tǒng)分析。目前，常采用水量平衡、洪水地區(qū)組成、頻率組合等方法推求梯級水庫群影響下的設計徑流、洪水等。例如，徐長江等［5］采用水量平衡法還原了受長江上游水庫群調(diào)蓄影響的48個水文站的徑流，發(fā)現(xiàn)下游水文站實測徑流較天然來水汛期有所減少、枯季有所增加。溫得平等［6］采用同頻率地區(qū)組成法分析了上游溫泉水庫對大干溝水電站洪水的消減作用。郭生練等［7］對梯級水庫設計洪水計算方法和非一致性洪水頻率分析現(xiàn)狀進行了綜述，并展望了未來的發(fā)展趨勢。李保國等［8］在黃河中下游設計洪水成果修訂中，對影響洪水系列一致性的各種因素進行了逐項識別，認為干支流大型水庫調(diào)蓄是主要影響因素，并采用水量平衡法進行處理。

漢江流域水利工程眾多，孤山航電樞紐為漢江干流15級開發(fā)方案的第8級，受上游安康水庫等梯級水庫的影響，其壩址處的水文特性較天然狀態(tài)已發(fā)生了改變，在工程設計中需要進行一致性處理。本文基于孤山航電樞紐以上漢江流域水利工程運行資料和水文站實測資料，采用水量平衡、馬斯京根、區(qū)間疊加等方法，開展氣象、徑流、洪水、泥沙等水文分析研究，可為工程規(guī)模確定和方案設計提供基礎數(shù)據(jù)，研究思路和方法可供類似工程借鑒。

1 流域概況

漢江是長江中下游最大的支流，發(fā)源于秦嶺南麓，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，于武漢市匯入長江，全長1 577 km，流域面積15.9萬km2，以丹江口、鐘祥為上中下游的分界。孤山航電樞紐位于丹江口以上的上游河段，壩址集水面積60 440 km2，約占漢江流域的38%，壩址以上支流呈羽狀分布，北岸支流主要有褒河、湑水、子午河、月河、旬河、夾河，南岸支流主要有牧馬河、任河、嵐河、灞河等。

孤山航電樞紐位于丹江口水利樞紐回水末端，上距白河梯級壩址35 km、下距丹江口樞紐壩址179 km，工程正常蓄水位177.23 m，相應庫容1.09億m3，開發(fā)任務以航運為主，兼顧發(fā)電，于2016年底開工，2022年完工。孤山航電樞紐以上漢江干流已（在）建的有黃金峽、石泉、安康、旬陽、蜀河、白河水庫梯級，下游的丹江口水利樞紐加高工程也已竣工；支流上規(guī)模較大的水工程有旬河上的鐘家坪、夾河上的陡嶺子水庫。其中，安康水電站位于孤山樞紐上游191 km，集水面積35 700 km2，正常蓄水位330 m，調(diào)節(jié)庫容16.23億m3，是一座以發(fā)電為主，兼有航運、防洪、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大型水電樞紐工程，于1990年12月首臺機組發(fā)電、1995年竣工。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

（1） 氣象數(shù)據(jù)。包括石泉、安康、旬陽、白河等氣象臺（站）建站以來至2018年的降水、蒸發(fā)、氣溫、風、濕度等氣象要素月（日）尺度資料，來源于各縣氣象局。

（2） 水文數(shù)據(jù)。包括安康水文站1956～2018年、白河水文站1951～2018年逐日平均流量、洪水要素摘錄、逐日平均含沙量（輸沙率），來源于長江水利委員會水文局。

（3） 水庫運行數(shù)據(jù)。包括安康水電站1991～2018年壩前逐日（時）水位、汛期逐時下泄流量、發(fā)電流量，來源于國家電網(wǎng)陜西省電力公司安康水力發(fā)電廠。

2.2 分析方法

孤山航電樞紐上游25 km處設有白河水文站，該站集水面積59 115 km2，占壩址面積的97.8%，可作為設計依據(jù)站。白河-孤山航電樞紐區(qū)間面積較小，與白河站以上流域的降水、下墊面等水文條件相似［9］，可采用面積比法由白河站水文成果推算至壩址。

Qd=FdFsn×Qs（1）

式中：Qd，F(xiàn)d分別為孤山航電樞紐流量、集水面積；Qs，F(xiàn)s分別為依據(jù)站流量、集水面積；n為面積比指數(shù)。

白河水文站上游的安康水庫調(diào)節(jié)庫容較大，建成運行后改變了下游水文站的天然水沙過程，需要進行一致性處理。根據(jù)水庫的水位庫容曲線和壩上水位資料，采用水量平衡法分析水庫調(diào)蓄過程，再利用馬斯京根法、考慮河道傳播時間演算至水文站斷面［10-11］。若有水庫的入庫流量和出庫流量數(shù)據(jù)，可據(jù)此直接計算蓄變量或用以校核水庫的還原成果。其中，徑流還原的時段為月、日，洪水還原時段為小時。

Qn=Qm+V2－V1T（2）

式中：Qn為天然流量；Qm為實測流量；V1，V2分別為時段初、末水庫蓄水量；T為時段長度。

3 氣候及泥沙特性分析

3.1 氣候特性

孤山航電樞紐位于漢江上游，屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季主要受西南季風的影響，溫高、濕重，冬季受偏北風及大陸冷高壓的影響，氣候寒冷、干燥。

漢江上游年降水量在700～1 800 mm之間，由上游往下游、由南往北逐漸減少，米倉山一帶，因其山脈多呈西南東北向排列，西南暖濕氣流可侵入，年雨量高達1 800 mm，為上游高值區(qū)。年內(nèi)降水有3個集中時段，4月下旬至5月下旬為春汛，6月下旬至7月下旬為夏汛，8月下旬至10月為秋汛；夏汛時段雨量最大，秋汛次之，但遇降雨天氣有異時秋汛雨量可超過夏汛。降水年內(nèi)分配不均勻，5～10月降水量占全年的70%～80%；因該區(qū)屬華西秋雨區(qū)，9，10月降水突出，9月降水量不僅比8月大，甚至個別站少數(shù)年份超過了7月，這是該流域最顯著的氣候特點之一［12-13］。漢江上游水面蒸發(fā)量為800～1 100 mm，由西南向東北遞增，米倉山一帶為800 mm；陸面蒸發(fā)量為500～600 mm，呈現(xiàn)山區(qū)小、河谷平原區(qū)大的分布規(guī)律，米倉山一帶為600 mm。

由于西北-東南走向的大巴山、武當山阻擋了南來暖濕氣流深入，孤山航電樞紐附近降水量偏小。白河氣象站1935～2018年多年平均年降水量僅767 mm，最大、最小年降水量分別為1943年的1 185 mm、1997年的441 mm，極值比2.69，年際變化較大。降水量年內(nèi)分配也不均勻，5～10月降水量占全年的78.2%，7～9月最為集中、占全年的47.5%，12月至次年1月僅占全年的2.47%。白河站年平均降雨日數(shù)112 d，大于5，10，25 mm的雨日分別為41.0，24.3，6.7 d；多年平均水面蒸發(fā)量1 086.2 mm，最大、最小月蒸發(fā)量分別為7月的160.4 mm、1月的33.0 mm，年內(nèi)差異較大。

3.2 泥沙特性

漢江上游流域植被較好，森林覆蓋率高，非汛期水流清澈平穩(wěn)，泥沙含量小，汛期發(fā)生暴雨洪水時則有一定量的泥沙進入河道。漢江水量豐富，含沙量不大，水流挾沙能力一般不飽和，干流含沙量在0.5～2.0 kg/m3之間。實測資料統(tǒng)計顯示，土壤侵蝕強度從上游到下游逐漸增大，輸沙模數(shù)從洋縣、石泉站的約300 t/（km2·a）增大到白河站的約900 t/（km2·a）。近年來，隨著天然林資源保護、水土保持、蓄水工程等措施的實施，年輸沙量有逐年減少的趨勢［14］。

孤山航電樞紐壩址泥沙以懸移質(zhì)為主，主要來源于安康水庫上游和安康-孤山航電樞紐區(qū)間支流。石泉、安康水電站分別于1974年、1990年蓄水運行后，安康水庫以上來沙大量被攔在庫內(nèi)。安康（二）站輸沙量由建庫前1956～1990年的2 174萬t/a減少到建庫后1991～2018年的104萬t/a，減幅95.2%；白河站年輸沙量由1951～1990年的5 121萬t/a減少到1991～2018年的817萬t/a，減幅84.0%。

孤山航電樞紐壩址懸移質(zhì)泥沙以安康水庫建庫為節(jié)點分別確定：1951～1990年由白河站輸沙量采用面積比法分析，得出輸沙量為5 235萬t/a；1991～2018年由白河站與白河-孤山航電樞紐壩址區(qū)間疊加，基于安康-白河區(qū)間值，采用面積比法推求區(qū)間泥沙，得出輸沙量為835萬t/a。20世紀90年代以來，漢江上游處于枯水時段，采用1951～2018年，1991～2018年兩個長短系列年徑流量的比值對安康水庫建庫后壩址泥沙進行修正，得出年輸沙量為999萬t/a，年平均含沙量為0.409 kg/m3。統(tǒng)計表明，上游建庫后孤山航電樞紐壩址輸沙量年際變化較大，最大、最小年輸沙量分別為1998年的3 605萬t，2016年的18.4萬t，極值比高達196倍；輸沙量年內(nèi)分配不均勻，主要集中于汛期，5～10月輸沙量為975萬t，占全年輸沙量的97.6%，最大、最小值占比分別為7月的30.5%、2月的0.05%，壩址輸沙量年內(nèi)分配如圖1所示。

4 徑流特性分析

漢江上游年徑流地區(qū)分布與降水分布大體一致。由于陸地蒸發(fā)的地區(qū)分布與降水量相反，使得年徑流深的地區(qū)分布更不均勻，年徑流深一般在300～900 mm之間。其中，秦嶺山地和米倉山、大巴山一帶均在400 mm以上，米倉山、大巴山高值區(qū)更是高達1 400 mm和1 000 mm［15-16］。

受安康水庫調(diào)蓄影響，作為孤山航電樞紐壩址徑流分析依據(jù)站的白河水文站來水過程發(fā)生變化。以建庫前1951～1990年、建庫后1991～2018年實測資料統(tǒng)計，白河站多年平均徑流量分別為137億m3、94.0億m3；枯季11月至次年4月徑流量占年徑流的比例由20.2%增加到24.5%，汛期5～10月占比由79.8%減少為75.5%。可以看出，水庫運行前后水文站徑流過程發(fā)生改變，枯季徑流明顯增加、汛期徑流明顯減少，需要對受影響的部分進行一致性處理。

孤山航電樞紐壩址天然徑流選擇白河水文站為依據(jù)，按面積比推求。其中，白河站1990年以后系列利用安康水庫的運行資料，采用水量平衡法進行還原。結(jié)果表明，壩址1951～2018年多年平均天然徑流量為244億m3，年徑流深404 mm。徑流年際變化較大，年最大、最小徑流量分別為1983年的523億m3、1999年的93.4億m3，極值比5.6。徑流年內(nèi)分配不均勻，以汛期為主，5～10月汛期徑流量占全年的79.4%，11月至次年4月僅占徑流量的20.6%；年內(nèi)來水有兩個明顯的高值，分別為7，9月的18.0%，18.6%，由夏、秋汛引起。

孤山航電樞紐位于安康水電站下游，徑流由安康水庫壩址、安康壩址-孤山航電樞紐壩址區(qū)間兩部分組成，其多年平均天然徑流量分別為166億m3、78.0億m3，占比分別為68.0%，32.0%，與其面積比59.1%，40.9%對比，安康水庫壩址以上來水量大于其面積百分比，說明孤山樞紐水量以安康水庫以上干流來水為主。孤山航電樞紐壩址天然徑流年內(nèi)分配見圖2。

5 洪水特性分析

孤山航電樞紐壩址以上漢江流域各地均可出現(xiàn)暴雨。暴雨最多的地方是米倉山、大巴山一帶，年平均暴雨日數(shù)3～4 d；北岸暴雨日較少，年平均1～2 d，一次暴雨過程2～5 d。就季節(jié)而言，暴雨集中發(fā)生在7，8，9三個月內(nèi)，個別年份暴雨推遲于10月，如“83·10”暴雨。4～6月暴雨較少，但歷史上1583年6月也曾發(fā)生過特大暴雨洪水，為400多年來最大的一次洪水。日降水量大于100 mm的大暴雨多發(fā)生于7月，9月次之，其次為8月，具有前、后期暴雨的顯著特點。

孤山航電樞紐壩址洪水由暴雨產(chǎn)生，洪水時空分布與暴雨一致。白河水文站以上干流年最大洪峰流量一般出現(xiàn)在3～10月，其中3，4月出現(xiàn)的機會很少、且洪峰量級較小，主要出現(xiàn)在7～9月，9月出現(xiàn)次數(shù)略小于7月，但10月出現(xiàn)次數(shù)卻比6月多。白河站歷年年最大洪峰流量分布如圖3所示，存在以8月20日為分界的較為明顯的夏、秋季洪水分期現(xiàn)象。基于白河水文站歷年洪水過程統(tǒng)計，夏季洪水較尖瘦、陡漲陡落，而秋季洪水相對較胖、歷時較長。成因分析表明，夏季環(huán)流系統(tǒng)變化快，大氣較濕熱，易產(chǎn)生強對流性降雨，暴雨強度大，持續(xù)時間短，洪水則陡漲陡落。而秋季則不然，環(huán)流系統(tǒng)變化緩慢，西南季風撤退較遲，當變性北方冷氣團南侵并楔入西南暖濕氣流之下時，便形成高空切變線和地面準靜止鋒，產(chǎn)生穩(wěn)定而持久的降水，即華西秋雨［17-18］，此時洪水過程線則較肥胖。由于漢江上游的暴雨多為自西向東和自西南向東北方向移動，與干流的流向一致，易形成雨洪遭遇。如1983年7月底，在嘉陵江中上游出現(xiàn)的暴雨中心一直位于嘉陵江，但雨區(qū)逐漸向東從漢江上游向石泉、安康方向擴展，使?jié)h江干、支流洪水相互遭遇，洪峰沿程疊加，致使白河站出現(xiàn)了31 000 m3/s的最大實測洪峰流量，而形成這場洪水的暴雨量級卻為一般暴雨。

按照流域水系分布特點，孤山航電樞紐壩址洪水地區(qū)組成可分為3種：① 上游型，洪水主要來自安康站以上流域；② 區(qū)間型，洪水主要來自安康-孤山航電樞紐壩址區(qū)間；③ 全流域型，水量分配比較均勻，上游、區(qū)間的來水接近于流域面積比。安康水文站集水面積38 625 km2占孤山航電樞紐壩址的63.9%，安康-孤山航電樞紐壩址區(qū)間占36.1%，以上3種類型劃分標準：

K=Wak/Wgs（3）

式中：K為百分比;Wak，Wgs分別為安康站、孤山航電樞紐壩址連續(xù)最大72 h洪量；孤山航電樞紐壩址洪量由白河站成果采用面積比法推求。當K大于63.9%，表明洪水主要來自上游，為上游型；K小于50.0%表明洪水主要來自占流域面積36.1%的區(qū)間，列為區(qū)間型；K值位于50.0%～63.9%之間，表明水量地區(qū)分配比較均勻，則為全流域型。

安康站、孤山航電樞紐壩址1935～2018年共84 a天然最大72 h洪量分析表明：上游型洪水發(fā)生71次，全流域型11次，區(qū)間型洪水2次。以洪水大小順序統(tǒng)計，壩址前15位大洪水中，排在前5位的均屬上游型，屬上游型的有11次，屬全流域型的3次，屬區(qū)間型1次。由此可見，孤山航電樞紐壩址洪水以安康站以上為主。

歷史洪水調(diào)查表明（表1），自1583年考證，白河水文站可以定量的1583，1867年洪水洪峰流量重現(xiàn)期分別為436，87a，實測系列中最大值1983年作特大值、重現(xiàn)期為109 a。將1583，1867，1935～2018年組成不連續(xù)天然洪水序列，選用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線分析，100 a，500 a一遇設計洪峰流量分別為31 200 m3/s，37 500 m3/s。

統(tǒng)計白河水文站歷年8月20日之后的秋季天然洪水峰量特征值，1935～2018年系列中，洪峰流量、最大24 h洪量、最大72 h洪量為年最大值的比例分別為46.4%、50.0%、51.2%，即年最大洪水中約一半左右為秋季洪水。鑒于秋季歷史洪水難以考證，采用皮爾遜Ⅲ型理論曲線對1935～2018年秋季洪水天然系列進行分析，連續(xù)序列中未提出特大值處理，100 a，500 a一遇白河站設計洪峰流量分別為28 200 m3/s，35 200 m3/s，比年最大相應值偏小9.6%，6.1%。采用面積比法即可推求出孤山航電樞紐壩址相應頻率的洪峰流量，指數(shù)n取2/3，分析成果如表2所示。

6 結(jié) 論

（1） 漢江上游屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，降水由上游往下游、由南往北逐漸減少。孤山航電樞紐位于上游末段、降水量偏小，年內(nèi)分配不均勻，9，10月降水突出。

（2） 受上游水庫工程攔蓄，孤山航電樞紐壩址入庫沙量大幅減少，主要產(chǎn)沙區(qū)為安康-孤山航電樞紐壩址區(qū)間，年內(nèi)分配主要集中在5～10月。

（3） 孤山航電樞紐壩址天然徑流年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，7月和9月來水量為兩個高值，分別由夏、秋汛引起。受安康等水庫調(diào)蓄影響，枯季徑流明顯增加、汛期徑流明顯減少。

（4） 受華西秋雨的影響，以8月20日為界，可將孤山航電樞紐壩址洪水分為夏、秋兩季，秋季洪水略小。洪水地區(qū)組成分析表明，壩址來水尤其是大洪水以安康站以上干流為主。

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（編輯：江 文）

Analysis of hydrological characteristics at dam sit of Gushan Navigation and Hydropower Project

JIA Jianwei，LU Mansheng，LIU Xin，HE Kangjie

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Gushan Navigation and Hydropower Project is the 8th cascade reservoir on the mainstream of Hanjiang River.Compared with natural conditions，its hydrological characteristics have changed due to the influence of upstream cascade reservoirs.Research of hydrologic charactristics of Gushan engineering area was conducted based on the hydrometeorological data of Gushan Navigation and Hydropower Project and the impact on upstream reservoir regulation.The results indicated that the inflow of the Gushan Navigation and Hydropower Project was mainly from the area above Ankang reservoir.And the annual runoff distribution was uneven，affected by the autumn rainfall in West China，with two obvious high values in July and September.Besides，summer and autumn flood stages were obvious.Since the operation of Ankang reservoir，the sediment discharge had reduced greatly.

Key words：

hydrological characteristic； runoff； sediment discharge； Gushan Navigation and Hydropower Project； Hanjiang River