李振青，吳昌洪，李會(huì)云，杜曉陽(yáng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.河流研究所, b.空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

三峽工程運(yùn)行后長(zhǎng)江中下游河道設(shè)計(jì)頻率水文年泥沙模擬研究

李振青a，吳昌洪a，李會(huì)云a，杜曉陽(yáng)b

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.河流研究所, b.空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

三峽水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，長(zhǎng)江水沙發(fā)生很大的變化，為今后泥沙模型計(jì)算與試驗(yàn)水文條件的仿真性提供保證和依據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了三峽水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)長(zhǎng)江中下游泥沙的變化情況，并針對(duì)泥沙模型計(jì)算與試驗(yàn)中常選取的頻率水文年的泥沙問(wèn)題，做了詳細(xì)的分析與研究。提出了泥沙模型中設(shè)計(jì)頻率水文年所要模擬的沙質(zhì)泥沙部分的處理方法與途徑，即床沙質(zhì)的輸沙率過(guò)程采用流量輸沙率關(guān)系推求設(shè)計(jì)洪水對(duì)應(yīng)的沙量過(guò)程。并出于工程安全的考慮，采用流量輸沙率關(guān)系的下包線(xiàn)作為沙量過(guò)程確定的依據(jù)。該方法較好地反映了三峽水庫(kù)蓄水后泥沙量減少條件下的頻率水文年泥沙模擬實(shí)際情況。

三峽工程;長(zhǎng)江中下游;泥沙模型;床沙質(zhì)；設(shè)計(jì)頻率水文年

1 研究背景

三峽水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，長(zhǎng)江中下游河段內(nèi)水沙發(fā)生了很大的變化。其主要變化是，長(zhǎng)江中下游來(lái)沙明顯減少，受水庫(kù)攔沙的影響，水庫(kù)運(yùn)行初期長(zhǎng)江中下游泥沙減少幅度超過(guò)50%[1-2]。泥沙模型中(無(wú)論是實(shí)體物理模型還是數(shù)學(xué)泥沙模型)設(shè)計(jì)頻率水文年的沙量設(shè)計(jì)，也必須考慮這種真實(shí)的影響。由于受一些條件的制約，泥沙模型中模擬的泥沙往往不是全部的泥沙，而是模擬長(zhǎng)江來(lái)沙中參與造床作用的沙質(zhì)部分的泥沙，而對(duì)懸沙中大量的沖瀉質(zhì)不予考慮。

在長(zhǎng)江中下游河段內(nèi)關(guān)于涉河工程，或河道整治工程研究中，往往需要采用實(shí)體物理模型和數(shù)學(xué)泥沙模型進(jìn)行工程河段內(nèi)河道沖淤模擬試驗(yàn)研究[3]。而在模型試驗(yàn)水文條件選取中，又往往需要進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)頻率水文年，如設(shè)計(jì)100 a一遇或300 a一遇水文年，以研究設(shè)計(jì)頻率水文年下河道的沖淤情況。在設(shè)計(jì)頻率水文年中，如何考慮三峽建庫(kù)后對(duì)泥沙中沙質(zhì)泥沙的影響，需要根據(jù)三峽水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)的來(lái)沙情況和歷史上長(zhǎng)江泥沙的基本情況，做出分析研究，為泥沙模型提供真實(shí)的模擬依據(jù)。

2 三峽水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)長(zhǎng)江水沙變化情況

由于三峽水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，長(zhǎng)江水沙發(fā)生了明顯的變化，按三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前后分別統(tǒng)計(jì)的大通水文站流量和泥沙特征值見(jiàn)表1和表2。

表1 三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前大通水文站流量和泥沙特征值統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of flow and sediment eigenvalues atDatong Hydrological Station before Three GorgesReservoir impoundment

由大通水文站實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì)，2006，2007年年平均輸沙量分別為0.85億t，1.34億t，占多年平均輸沙量的20.8%，32.8%；2008年年平均輸沙量為1.3億t，2009年則為1.13億t。從表2統(tǒng)計(jì)比較可知，自三峽水庫(kù)蓄水以后，上游來(lái)沙量進(jìn)一步減少，三峽建庫(kù)后壩下游年均輸沙量由4.3億t減少為1.51億t，減少幅度達(dá)64.8%；年均含沙量由0.479 kg/m3減少為0.172 kg/m3，減少幅度達(dá)64.1%。

3 模型中設(shè)計(jì)頻率水文年泥沙模擬的問(wèn)題研究

泥沙模型計(jì)算與試驗(yàn)中常常進(jìn)行100 a一遇和300 a一遇典型水文年的模擬。如以1998年作為典型年，模擬100 a一遇和300 a一遇2個(gè)典型水文年洪水過(guò)程，按洪峰流量放大法進(jìn)行放大，即按100 a一遇和300 a一遇洪峰流量與1998年最大洪峰的比值關(guān)系放大1998年汛期來(lái)水過(guò)程。圖1即為1998年洪水過(guò)程線(xiàn)以及按1998年放大的100 a和300 a一遇洪水過(guò)程線(xiàn)。

圖1 洪水過(guò)程線(xiàn)Fig.1 Flood hydrograph

在1998典型水文年沙量情況的基礎(chǔ)上，100 a一遇和300 a一遇2個(gè)典型水文年的年輸沙量和年內(nèi)沙量的分配，需考慮長(zhǎng)江上游建壩的影響。其減沙方案根據(jù)三峽工程建成后長(zhǎng)江中下游實(shí)際沙量的變化，通過(guò)分析整理原型資料，找出來(lái)沙的變化規(guī)律，按一定規(guī)律關(guān)系確定不同沙量的分配。

對(duì)于沙量過(guò)程，以往的研究均根據(jù)一維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行確定。其中模型計(jì)算分別采用了20世紀(jì)60年代和90年代系列年過(guò)程。表3列出了三峽工程蓄水運(yùn)用后大通水文站輸沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況，可見(jiàn)無(wú)論是輸沙量還是粒徑大于0.1 mm(表示為>0.1 mm,下同)的床沙質(zhì)輸沙量，模型計(jì)算值都較實(shí)測(cè)值偏大，因此不能采用模型計(jì)算值作為參考。

表3 三峽工程蓄水運(yùn)用后大通站輸沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 3 Comparison between calculated and measuredsediment loads at Datong Hydrological Station afterThree Gorges Project impoundment

泥沙模型中對(duì)于河床沖淤問(wèn)題的研究，其沙量過(guò)程的確定將重點(diǎn)放在參與河床變形的床沙質(zhì)上?？?tīng)柋萚4]認(rèn)為在缺乏實(shí)測(cè)床沙顆粒級(jí)配時(shí)，取泥沙的下限粒徑0.062 5 mm作為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑；黃才安[5]統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江中下游各個(gè)河段的床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑為0.03～0.11 mm。因此本文作者將0.062 5 mm作為長(zhǎng)江中下游河段床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑。在此，分別點(diǎn)繪了水庫(kù)蓄水運(yùn)用前1990—2003年、水庫(kù)蓄水運(yùn)用后2004—2010年大通水文站流量和床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)的相關(guān)關(guān)系(圖2)。由圖2可見(jiàn)，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后大通水文站流量與床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)的關(guān)系與蓄水前較為相似。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，大通水文站同流量下床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)較建庫(kù)前有所減小，但隨著流量的增大，床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)也有所增大逐漸在恢復(fù)。因此可以考慮采用流量輸沙率關(guān)系推求設(shè)計(jì)洪水對(duì)應(yīng)的沙量過(guò)程。出于模型計(jì)算和試驗(yàn)研究安全的角度考慮，采用圖2中流量輸沙率關(guān)系的下包線(xiàn)作為沙量過(guò)程確定的依據(jù)。

圖2 大通水文站流量與床沙質(zhì)輸沙率(粒徑>0.062 5 mm)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between flow and transport rate of bed material load (particle size larger than 0.0625mm) at Datong Hydrological Station

圖3為1998年床沙質(zhì)含沙量過(guò)程線(xiàn)(>0.062 5 mm)以及圖2確定的下包線(xiàn)推求的100 a

和300 a一遇床沙質(zhì)含沙量過(guò)程線(xiàn)(>0.062 5 mm)。圖3中顯示了100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙質(zhì)含沙量(>0.062 5 mm)過(guò)程線(xiàn)與1998年并不對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生差異的主要原因是1998年洪峰過(guò)程與沙峰過(guò)程存在一定的錯(cuò)動(dòng)，而這里確定的100 a一遇和300 a一遇的床沙質(zhì)含沙量過(guò)程(>0.062 5 mm)是考慮了水庫(kù)蓄水運(yùn)用后床沙質(zhì)的恢復(fù)特性，由于主要依賴(lài)于河床補(bǔ)給，流量越大，從河床上沖起的泥沙也就越多，相應(yīng)的含沙量也就越大。也就是說(shuō)，1998年實(shí)際沙峰落后于洪峰約6 d的時(shí)間，而在設(shè)計(jì)100 a一遇和300 a一遇的床沙質(zhì)含沙量過(guò)程(>0.062 5 mm)時(shí)，考慮了水庫(kù)蓄水運(yùn)用后床沙質(zhì)的恢復(fù)特性，使得沙峰與來(lái)流量正相關(guān)，這是因?yàn)榭紤]了水量越大，相應(yīng)的床沙質(zhì)含沙量也就越大。因此最終使得設(shè)計(jì)的100 a一遇和300 a一遇頻率洪水年的沙量過(guò)程與水量過(guò)程達(dá)到一致，這是有別于1998年實(shí)際沙量過(guò)程的根本原因。

圖3 床沙質(zhì)含沙量過(guò)程線(xiàn)(粒徑>0.062 5 mm)Fig.3 Process curves of sediment concentration of bed material load (particle size larger than 0.0625mm)

根據(jù)上述確定的100 a和300 a一遇床沙質(zhì)含沙量過(guò)程線(xiàn)(>0.062 5 mm)，在1998年總輸沙量(>0.062 5 mm)0.55億t的基礎(chǔ)上，100 a一遇和300 a一遇設(shè)計(jì)洪水下相應(yīng)的沙量分別為0.398億t和0.438億t。沙量的年內(nèi)分配也按上圖過(guò)程線(xiàn)予以確定。

根據(jù)以上研究，在確定的考慮三峽工程近期運(yùn)行以來(lái)，物理模型或數(shù)學(xué)模型研究中關(guān)于設(shè)計(jì)頻率水文年的泥沙模擬問(wèn)題及處理方法，基本符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于三峽建庫(kù)后模型計(jì)算與試驗(yàn)中設(shè)計(jì)頻率水文年中泥沙問(wèn)題的模擬問(wèn)題，本文做了詳細(xì)的研究，給出了問(wèn)題的處理方法。該方法把粒徑0.062 5 mm作為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑，以統(tǒng)計(jì)出長(zhǎng)江大通水文站歷年中實(shí)測(cè)的床沙質(zhì)含沙量的下包線(xiàn)為依據(jù)，推求出100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙質(zhì)含沙量，來(lái)最終代表模擬三峽大壩建成后設(shè)計(jì)頻率洪水年的床沙質(zhì)泥沙，較好地反應(yīng)了泥沙的減少程度。該項(xiàng)研究成果在南京市緯三路長(zhǎng)江隧道物理模型與數(shù)學(xué)模型計(jì)算中得到了應(yīng)用[6]。在馬鞍山二期河道整治研究中應(yīng)用該處理方法模擬的100 a一遇洪水年的計(jì)算與模型試驗(yàn)成果為專(zhuān)家認(rèn)可。是現(xiàn)階段三峽工程運(yùn)行初期較好的處理方法，比較能夠反映現(xiàn)階段的實(shí)際情況。

[1] 董耀華,惠曉曉,藺秋生.長(zhǎng)江干流河道水沙特性與變化趨勢(shì)初步分分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25(2):16-20.(DONG Yao-hua, HUI Xiao-xiao, LIN Qiu-sheng. Preliminary Analysis on Characteristics and Changing Tendency of Annual Runoff and Sediment Load in Changjiang River Main Channel [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2008, 25(2):16-20. (in Chinese))

[2] 胡向陽(yáng)，張細(xì)兵，黃 悅.三峽工程蓄水后長(zhǎng)江中下游來(lái)水來(lái)沙變化規(guī)律研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2010, 27(6): 4-9.(HU Xiang-yang, ZHANG Xi-bing, HUANG Yue. Research on Changes of Coming Sediment and Coming Water of Middle-Lower Yangtze River after TGP Early Operation [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(6): 4-9. (in Chinese))

[3] 王光謙.河流泥沙研究進(jìn)展[J].泥沙研究,2007, (2):64-81.(WANG Guang-qian. Advances in River Sediment Research[J]. Journal of Sediment Research, 2007, (2):64-81.(in Chinese))

[4] COLBY B R. Practical Computation of Bed-Material Discharge[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE,1964, 90(2): 217-246.

[5] 黃才安,趙曉冬.床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)劃分的新方法[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,6(1):61-65. (HUANG Cai-an, ZHAO Xiao-dong. New Approach to Differentiating Wash Load and Bed Material Load[J]. Journal of Yangzhou University (Natural Science Edition), 2003, 6(1) :61-65.(in Chinese))

[6] 李振青,廖小勇.南京市緯三路長(zhǎng)江隧道工程河工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2011. (LI Zhen-qing, LIAO Xiao-yong. Report on the River Model of Tunnel Crossing the Yangtze River at Weisan Road in Nanjing City[R]. Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute, 2011. (in Chinese))

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Study on the Simulation of Sediment in Hydrological Year ofDesigned Frequency in the Middle-Lower Reaches of Yangtze Riverafter the Three Gorges Project Operation

LI Zhen-qing1, WU Chang-hong1, LI Hui-yun1, DU Xiao-yang2

(1.River Research Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The water flow and sediment in Yangtze River have changed remarkably since the operation of Three Gorges Reservoir. To provide guarantee and basis for the simulation of hydrological conditions in sediment model calculation, we statistically analysed the variation of sediment in the middle-lower Yangtze River since the Three Gorges Reservoir impoundment. On this basis, we carried out detailed research on the sediment problem of hydrological year of designed frequency which is often selected in sediment model calculations and tests. We proposed the method and approach of dealing with sandy sediment in sediment model which is to deduce the sediment process of designed flood according to the relationship between flow rate and sediment transport rate. Moreover, in consideration of project safety, we proposed to take the lower enveloping curve of flow rate versus sediment transport rate as the basis of determining sediment process. Through this method, the sediment condition in hydrological year of designed frequency when sediment load decreases could be well reflected.

Three Gorges Project；middle-lower reaches of Yangtze River; sediment model; bed material load;hydrological year of designed flood frequency

2013-10-11;

2013-11-22

李振青(1963-)，男，河南泌陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事河道治理研究，(電話(huà))13971064580(電子信箱)heliusuo@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.003

TV147

A

1001-5485(2015)02-0011-03

2015,32(02):11-13,19