伍 勇，柳 鑫 ，龍 飛，任 偉

(1.長江水利委員會 長江三峽水文水資源勘測局, 湖北 宜昌 443000；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

三峽工程蓄水后宜昌站水流特性變化及測驗措施

伍 勇1，柳 鑫2，龍 飛1，任 偉1

(1.長江水利委員會 長江三峽水文水資源勘測局, 湖北 宜昌 443000；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

為了探究三峽工程蓄水后水文站水流特性，以宜昌站為例，利用蓄水后多年實測資料，分析宜昌站水位特性和洪水特性。結(jié)果表明：水位波動性增強，同流量級下水位降低，歷年最高水位下降、最低水位抬高，中低水位持續(xù)時間增長；中低水位流量呈現(xiàn)日周期變化，年最小流量有增大趨勢，并逐漸穩(wěn)定在6 000 m3/s左右，年最大流量因三峽水庫調(diào)蓄得到控制，峰頂持續(xù)時間變長，年內(nèi)水量變化為枯期增加、汛期減少，中低水位-流量關(guān)系呈多條單一線變化趨勢。因此，根據(jù)現(xiàn)有水流特性變化，需調(diào)整水位和流量資料收集方式，以滿足整編需要。

三峽工程；蓄水；宜昌站；水流特性；測驗措施

1 研究背景

長江三峽水利樞紐是綜合治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運等巨大的綜合效益。三峽水庫屬于年調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位175 m(吳淞高程，下同)，汛期防洪限制水位145 m，枯水期消落水位155 m。2010年10月26日三峽工程首次成功蓄水至175 m水位，標(biāo)志著三峽工程的防洪、發(fā)電、通航、補水等綜合效益開始全面發(fā)揮。

宜昌水文站位于三峽工程下游44 km處，測驗河段長約3 km，尚順直。右岸為山區(qū)與平原過渡地段，左岸為宜昌市城區(qū)，河段兩岸較為穩(wěn)定，多年來河勢無大的變化。三峽工程蓄水后改變了下泄水沙時空變化和水沙行進規(guī)律，原有水文因子關(guān)系發(fā)生一定改變。

2 水位特性分析

2.1 水位隨時間的波動變化

宜昌站水位主要受上游三峽和葛洲壩2個水利樞紐聯(lián)合調(diào)度和天然洪水傳播綜合影響，2003年6月1日三峽大壩蓄水后，水利工程調(diào)度影響增強，低枯水位每天沿某一均值上下鋸齒狀波動，最高值一般出現(xiàn)在19:00—22:00之間，最低值出現(xiàn)在次日7:00—9:00之間，波動周期為14 h左右，波動范圍為0.5 m左右；中水位日波動范圍一般<1.0 m，水位漲落急劇時，其波動特征因影響因素相互作用變得不明顯；高水位波動在水位變化幅度較小時表現(xiàn)相對突出，洪峰附近的水位波動完全受水利工程調(diào)度影響，范圍時大時小，與正常情況下的波動特征略有差別。水位過程線如圖1所示。

圖1 宜昌站逐時水位過程線Fig.1 Time-history curves of water level at Yichang station

2.2 瞬時水位采集精度分析

三峽工程蓄水后，2005年宜昌站對自記水位進行了精度試驗和差異性研究，實測數(shù)據(jù)(詳見表1)表明：①去掉船波浪影響，<0.03 m的水位保證率為100%，說明水位觀測成果質(zhì)量有充分的保證[1]；②波浪越大，水位采集差值越大，瞬時水位與時段平均水位差異最大可達2 cm，但過船波浪造成的觀測差異最大達到4 cm；③漲落水期間，整點均值水位與各瞬時采集值的誤差大小主要與漲落率有關(guān)，漲落率越大誤差越大，但誤差均在允許范圍內(nèi)；④三峽工程開始調(diào)度后，水位突變對精度影響不大，其精度代表性符合要求。

表1 瞬時水位采集誤差統(tǒng)計Table 1 Statistics of the collection error of instantaneous water level

圖4 宜昌站枯水水位-流量關(guān)系Fig.4 Relationship between discharge and water level in low flow period at Yichang station

2.3 時間系列的水位特征分析

宜昌站近10多年水位隨時間變化的主要規(guī)律有：

(1) 2009年以后汛前1—5月份平均水位緩慢抬高，汛期6—10月份平均水位趨于下降，11—12月份平均水位變化不明顯(如圖2所示)。

圖2 三峽工程蓄水前后典型年月平均水位過程比較Fig.2 Comparison of monthly mean water level in typical year before and after reservoir impoundment of Three Gorges project

(2) 年最低水位從2003年開始有逐漸抬高趨勢，但年變化幅度<0.15 m。

(3) 年平均水位變化不明顯。

(4) 三峽水庫運行前，多年水位最大變幅為17.08 m，而蓄水后水位最大變幅為15.91 m，說明年水位變幅因上游水利樞紐綜合調(diào)度進一步縮小，見圖3。

圖3 三峽工程蓄水后月年特征水位過程Fig.3 Process of annual and monthly characteristic water level after reservoir impoundment of Three Gorges project

2009年以后<90 d的各級保證率水位有減小趨勢，而>270 d的各級保證率水位有增大趨勢，顯示了三峽水利樞紐的調(diào)節(jié)作用，可保證滿足汛期發(fā)電和枯期長江中下游航運需要。

3 洪水特性變化分析

三峽工程蓄水前，宜昌站Z-Q(水位-流量)關(guān)系在中、高水位期間因洪水漲落、斷面沖淤影響使其呈逆時針繩套曲線變化，當(dāng)出現(xiàn)下游清江支流來水頂托和上游水利工程調(diào)度影響時，關(guān)系又呈臨時曲線變化[2]，而多年來低水水位-流量關(guān)系為多條單一曲線。

3.1 低水位水流關(guān)系變化

2003—2014年，年最小流量逐年增大，流量增幅達49%，年平均流量變化較小，年際間枯水位、小流量變化不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在上游來水夾帶泥沙減少，河床沖淤進一步減弱，工程調(diào)度使得年內(nèi)水量分配發(fā)生變化，日最小流量從<4 000 m3/s逐漸增加到6 000 m3/s，滿足了枯季電站發(fā)電和長江中下游生態(tài)流量的最低需求。此外，自2008年開始，隨著工程調(diào)度的增強，低水位流量逐步延長到11月份—次年5月份之間，使得低水位水量在全年的時間分配上越來越長。

如圖4所示，宜昌站Z-Q關(guān)系顯示，1981—2014年同水位級下關(guān)系曲線右移，即同流量級下關(guān)系曲線下移，2003年以后關(guān)系曲線右移趨勢進一步加強，呈現(xiàn)出汛前與汛后獨立的單一線。

3.2 中水位水流關(guān)系變化

3.2.1 一般規(guī)律

水位呈日周期性變化，每日因電站發(fā)電影響導(dǎo)致宜昌斷面上午8：00以后流量逐漸增大，夜晚流量減少，日流量變幅為2 000～3 000 m3/s；若汛前流量出現(xiàn)突變，一般是白天流量減少、夜晚流量增大，但出現(xiàn)時間較短，反映在Z-Q關(guān)系上為臨時曲線或繩套曲線，在圖形處理中，從起漲至峰腰可以與其他時段合并為綜合曲線，到了峰前又形成繩套頭部，峰頂附近時間停留較短，退水曲線一般為合并線，也有獨立曲線，在正常情況下，隨著大壩蓄水的變化，其影響因素使得下泄水流趨于緩和，反映在Z-Q關(guān)系上是繩套曲線中部帶幅變窄。

3.2.2 水流突變情況

中水位時期，受水利工程調(diào)度影響，開閘時流量迅速增大，關(guān)閘時流量立刻減少，一般流量突變時水位變幅2.50 m左右，變化范圍為43～46 m(吳淞基面)，特殊情況可以達到4.00 m，時間變化為1～3 d。

反映在Z-Q關(guān)系曲線上多為臨時曲線。近幾年受閘門調(diào)度影響引起水流突變，葛洲壩下游測驗河段水流處于非恒定流狀態(tài)，附加比降增大，同時由于河道傳播距離較短，非恒定流沿程坦化沒有完成，同水位級下的原有流量因不連續(xù)波的作用而疊加，從而使得開閘后的流量突然增大[3]，關(guān)系曲線脫離原有的曲線群，分布在右邊，形成一條獨立的不規(guī)則曲線，而關(guān)閘后，該曲線又逐漸回到原來的曲線群中，如圖5所示。

3.3 高水位水流關(guān)系變化

三峽工程蓄水后，長江天然洪峰過大壩時已被削弱。中水位洪峰一般對三峽蓄水滯峰作用影響不大，靠河槽本身調(diào)蓄自然下泄，而高水位洪峰一般在峰頂附近持續(xù)時間相對較長，洪峰階段水位呈現(xiàn)0.5～1.0 m的波動，其原因是三峽工程調(diào)度增強，受水庫蓄水和滯峰作用，一旦洪峰開始消退，水位下降非常迅速，且幅度很大。

如圖6所示，高水位期間，一般漲水曲線和退水曲線上部都相對獨立，到曲線中下部又與其他曲線合并，近幾年隨著三峽水庫科學(xué)調(diào)度和葛洲壩下游河勢變化，高水位Z-Q關(guān)系逐漸趨于單一曲線。

3.4 斷面流速變化

宜昌站近幾年垂線流速橫向分布有一定變化，即低水位流速沿斷面橫向變化梯度與中高水位時有所區(qū)別，變化漸進，高水位在垂線310 m,430～700 m間變化幅度較大，造成中高水期的中泓流速梯度變化小，近岸則較大，與低水變化正好相反，如圖7所示。

圖7 斷面垂線流速橫向變化Fig.7 Transverse variation of vertical velocity at the section

三峽工程蓄水前后沿垂向流速變化不明顯，水面至相對水深0.8處測點流速變化較為均勻，相對水深為0.8～1.0時，測點流速變化較大，特別是中泓底層流速變化較大，其幅度達到40%左右，水位越高，流速減少幅度越大，垂線底部流速逐漸靠攏至相對小的范圍，如圖8所示。

圖8 斷面垂向流速分布Fig.8 Distribution of vertical velocity at the section

3.5 水量隨時間變化趨勢

2003年以前，宜昌站最大流量多出現(xiàn)在汛期6—9月份，最小流量出現(xiàn)在12—次年2月份，汛期5—10月份水量占總量的76.9%,其他月份約占23.1%，年內(nèi)水量分配季節(jié)性明顯。三峽工程蓄水后，汛期5—10月份占75.0%，其他月份占25.0%，年內(nèi)水量分配略有變化，即汛前各月水量增加近0.5%。從多年水量分布情況看，2003—2007年為常規(guī)年份的水量，2008—2014年因受三峽水庫和葛洲壩電站調(diào)洪影響，最大1 d水量很小，反映為庫區(qū)調(diào)節(jié)，7 d以上水量基本上能反映出天然洪量的變化情況。

統(tǒng)計成果表明，最大1,3,7,15,30,60 d多年平均洪量占全年水量分別約為1.0%，2.9%，6.1%，11.5%，20.5%，35.5%。與2003年前各時段洪量比較，時段日數(shù)減少，水量變化幅度增加。見表2。

表2 三峽工程蓄水前后徑流各月平均值統(tǒng)計Table 2 Statistics of average runoff of each month before and after impoundment of Three Gorges reservoir

4 水文測驗措施

4.1 水位監(jiān)測

根據(jù)三峽水庫蓄水后實測資料[4-5]及水流變化規(guī)律，水位監(jiān)測措施有:

(1) 加強儀器檢查與校正，減小甚至消除自記儀器采集水位數(shù)據(jù)的波動性誤差。

(2) 高水期波浪較大時應(yīng)做水面靜水處理，消除瞬時水位數(shù)據(jù)采集誤差。

(3) 做水位平滑處理，充分考慮水位實際變化，減少水位鋸齒形態(tài)，對水位特征值處理，采用上包線靠近最高水位、下包線靠近最低水位的處理方式[6]。

(4) 在滿足整匯編條件下，洪水摘錄時段不應(yīng)過多。

4.2 流量測驗

考慮水工程綜合調(diào)度影響，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整流量測驗和整編方法：

(1) 低水位水位-流量關(guān)系變化具有持續(xù)性，汛前和汛后流量測次要分別布置，且測次間隔要均勻，注意時機把握，避免同水位級流量測次多次出現(xiàn)；中水位流量突變時，若水位變化在1.5 m左右且水量變化不大時，按綜合單一線布置測次；當(dāng)水流突變幅度較大時，按臨時曲線法布置流量(ADCP單次流量相差2%以內(nèi)，采用一測回平均值作為測次流量[3]，提高流量測驗精度，其中ADCP為聲學(xué)多變勒流速剖面儀)；高水位期間若存在工程調(diào)度影響，起漲開始、漲水面、退水開始一定要及時布置測次，要嚴(yán)密監(jiān)測峰頂水位變化，峰頂附近流量測次要少，退水曲線盡量合并處理。

(2) 當(dāng)年出現(xiàn)大洪水后，應(yīng)及時監(jiān)測斷面變化[7]。

(3) 加強水平式ADCP流量在線監(jiān)測，通過流量過程測驗，準(zhǔn)確掌握水量變化。

(4) 上下游水量平衡檢查時，若月份平均水量誤差較大，應(yīng)分析測次代表性，按時段洪水特性調(diào)試水位-流量關(guān)系曲線，降低水量平衡誤差。

5 結(jié) 語

通過三峽工程蓄水后實測資料分析，得出以下認(rèn)識：

(1) 2003年以后宜昌站水位波動性增強，中、低水位時尤為突出；隨著清水下泄，宜昌站同流量級水位進一步降低，而歷年最低水位出現(xiàn)逐年抬高趨勢，年變化在0～0.15 m之間，中低水位時間增長，高水位時間變短。

(2) 電站調(diào)峰期間，中低水位流量呈日周期變化，8:00左右最小，21:00左右最大，年最小流量有增大趨勢并逐漸穩(wěn)定在6 000 m3/s左右；年最大流量因三峽水庫調(diào)蓄，持續(xù)時間增長；年內(nèi)水量變化為枯期增加、汛期減少；中低水位時水位-流量關(guān)系呈多條單一線，高水位時曲線退水變化快，易形成綜合退水線，突變水流易形成臨時曲線。

(3) 加強水位自記儀檢查，做好高水位防波處理，注意水位特征值和過程線的合理性；中、低水位的流量測次應(yīng)合理分布，高水位退水面測次優(yōu)化，開展在線流量監(jiān)測，保證各月水量上下游平衡。

[1] GB/T 50138—2010,水位觀測標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2] SL 247—2012,水文資料整編規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] GB 50179—93,河流流量測驗規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1994.

[4] 羅全勝，曹明偉，謝 龍. 三峽大壩175 m蓄水運行后豬兒磧河段水動力條件變化分析[J].長江科學(xué)院院報,2015,32(5):1-5.

[5] 郭繼明,陳子湘.三峽水庫變動回水區(qū)銅鑼峽河段演變研究[J].長江科學(xué)院院報,1998,15(3):1-5.

[6] SL 460—2009,水文年鑒匯編刊印規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2010.

[7] 嚴(yán)順義.水文測驗學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，1984.

(編輯：占學(xué)軍)

Variation and Test Measures of Flow Characteristics atYichang Station after Impoundment of Three Gorges Project

WU Yong1,LIU Xin2,LONG Fei1, REN Wei1

(1.Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey, Changjiang Water Resources Commission,Yichang 443000, China;2.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to explore the flow characteristics of hydrological stations after reservoir impoundment of Three Gorges project, we took Yichang station as an example and analyzed the characteristics of water level and flood according to measured data from 2003 to 2014.Results showed that water level fluctuation intensified and water level decreased under the same discharge, the highest annual water level declined and the lowest water level raised. The duration of mid-low water level increased and its discharge varied in daily scale; Moreover, annual minimum discharge tended to increase and gradually kept stable at 6 000 m3/s. Since annual maximum discharge was under the control of regulation and impoundment of Three Gorges reservoir, the duration of flood peak lasted longer and annual discharge varied with longer low flow period and shorter flood period. Relationship between mid-low water level and discharge showed a tendency of many single lines. Therefore, according to current characteristics of water flow, we should adjust the methods of collecting water level and discharge data to meet the need of compilation.

Three Gorges project; impoundment; Yichang station; flow characteristics; test measures

2016-02-17；

2016-04-08

伍 勇(1967-)，男，湖北長陽人，高級工程師，主要從事水文測驗和整編技術(shù)及分析工作，(電話) 13872570801(電子信箱)252743766@qq.com。

柳 鑫(1990-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事水文測驗和整編技術(shù)及分析，(電話)15272128235(電子信箱)565299779@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160122

2017,34(5):22-26

TV147

A

1001-5485(2017)05-0022-05