李 帆,夏自強(qiáng),王躍奎

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;

2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局,江蘇 無錫 214024)

葛洲壩水利樞紐工程對宜昌河段水文水力特性的影響

李 帆1,2,夏自強(qiáng)1,2,王躍奎3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;

2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局,江蘇 無錫 214024)

根據(jù)葛洲壩水庫蓄水前后宜昌水文站水文實(shí)測資料,分析了葛洲壩水利樞紐工程對宜昌河段水位-流量關(guān)系、斷面形狀和水位變化規(guī)律的影響.結(jié)果表明,葛洲壩水庫蓄水后,宜昌河段水文水力特征變化符合慣性區(qū)理論,洪水波運(yùn)動形式發(fā)生變化,壩前水流流速降低,水流挾沙能力和推移力下降,水庫淤積現(xiàn)象加重,下泄水流中的含沙量下降,宜昌河段推移質(zhì)輸入減少,下泄水流對河道的沖刷能力增強(qiáng),原有的沖淤平衡被打破,河床質(zhì)變粗,斷面形狀不斷變化,宜昌河段河床下切、水流能量增大、流速增大,同流量情況下的水位較天然河道有所下降.

葛洲壩水利樞紐;宜昌河段;水文水力特性;慣性區(qū)特征;水位-流量關(guān)系

圖1 宜昌水文站斷面位置Fig.1 Position of Yichang section

水庫蓄水后,將改變河流原有的水文水力特性,進(jìn)而改變整個系統(tǒng)的物質(zhì)場和能量場[1],改變河流原有的水量平衡和能量平衡狀態(tài).宜昌水文站(以下簡稱宜昌站)位于長江上游與中游的銜接處(圖1),它可以為長江中下游防洪預(yù)報、三峽區(qū)間水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供翔實(shí)的水文資料.宜昌站上游5.9km處為葛洲壩水利樞紐工程.葛洲壩水庫位于湖北省宜昌市三峽出口南津關(guān)下游約3km處,是三峽水利樞紐工程的航運(yùn)梯級水庫,擔(dān)負(fù)著渠化三峽大壩至宜昌間天然河道,對三峽電站日調(diào)節(jié)非恒定流進(jìn)行反調(diào)節(jié)和利用河段落差發(fā)電的任務(wù)[2].葛洲壩水利樞紐工程于1970年12月動工興建,1981年1月4日完成大江截流,5月開始蓄水,6月5日壩前水位達(dá)到初期試運(yùn)用高程60m.該水利樞紐工程1986年5月投入正式運(yùn)行,6月初壩前水位蓄至65m高程,1987年7月壩前水位達(dá)設(shè)計(jì)最大高程66m.當(dāng)運(yùn)行水位為66m時,相應(yīng)總庫容為15.8億m3,約為宜昌站多年平均年徑流總量4511億m3的0.35%.本文根據(jù)葛洲壩水庫蓄水前后宜昌站水文實(shí)測資料,分析葛洲壩水利樞紐工程對宜昌河段水文水力特性的影響.

1 水力過渡區(qū)劃分及慣性區(qū)特征變化規(guī)律

根據(jù)河流功能[3]、大壩對河流水文水力特性的影響和生態(tài)系統(tǒng)的脅迫作用[4],可以把水力過渡區(qū)劃分為回水區(qū)、庫區(qū)、壩區(qū)、消能區(qū)和慣性區(qū)[5],如圖2所示.

圖2 水利工程水力過渡區(qū)的劃分Fig.2 Division of hydraulic transitional regions under influence of hydraulic projects

與天然河道相比,該水力過渡區(qū)發(fā)生了如下變化:(a)水位、流量和斷面形狀的變化.受水庫下泄水量的影響,水文水力學(xué)要素主要受到水流的慣性作用,流量時段均一化,水位、流量隨水庫調(diào)度而變化.流速增大,水流挾沙能力增強(qiáng),加劇了對河岸的沖刷,使河床粗化.水庫的清水下泄使得河床被刷深.(b)能量場的變化.因?yàn)橄芄げ⒉荒馨阉魉械亩嘤鄤幽芟牡?所以水流還具有很大的動能.水流所具有的能量中流速水頭項(xiàng)起決定性作用,水流動量中慣性力起主要作用.(c)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間變化.水流的含沙量、有機(jī)質(zhì)含量、礦物質(zhì)含量和營養(yǎng)鹽分含量等降低,洪水漲落幅度變小,河道、河岸和濕地之間的物質(zhì)交換受阻.由于水庫泥沙淤積及營養(yǎng)物質(zhì)被截流,大壩下游河流廊道的營養(yǎng)物質(zhì)輸移擴(kuò)散規(guī)律也發(fā)生變化.

2 水庫蓄水前后洪水期水位-流量關(guān)系

由于洪水期水流為非恒定流,其運(yùn)動規(guī)律可用圣維南方程組來描述:

式中:Q——流量;A——過水?dāng)嗝婷娣e;v——過水?dāng)嗝嫫骄魉?i0——河底坡度;C——謝才系數(shù);R——水力半徑;g——重力加速度;x——流程;y——水深;t——時間.

由式(2)可得

式(2)和式(3)反映了洪水波運(yùn)動過程中各種作用力的平衡關(guān)系.

通常可按動力方程式(3)中各項(xiàng)力的對比關(guān)系,把洪水波分成4類:運(yùn)動波、擴(kuò)散波、慣性波和動力波.

對于擴(kuò)散波,慣性項(xiàng)的影響可忽略,則式(3)可簡化為

式中:K——流量系數(shù);Q0——按均勻流計(jì)算的流量.

式(4)表示的水位-流量關(guān)系不是單值的線性關(guān)系,而是一條繩套曲線.當(dāng)以橫坐標(biāo)表示流量,縱坐標(biāo)表示水位時,該繩套曲線為逆時針繩套曲線.

動力方程中每一項(xiàng)都不能忽略時的波稱為動力波.動力波是所有波動中最復(fù)雜的一種波,只能用完全的圣維南方程組來描述[6],水位-流量關(guān)系曲線也不再具有繩套形式.因此,動力波是一種普通的波動現(xiàn)象,而運(yùn)動波、慣性波和擴(kuò)散波只不過是動力波的特殊情況.

葛洲壩水庫蓄水后,天然河道的水流特性發(fā)生變化,這必然導(dǎo)致宜昌河段水流的各種作用力的對比關(guān)系發(fā)生變化,并導(dǎo)致洪水波的傳播形式有所改變.本文選取蓄水前(1974年和1981年)及蓄水后(1987年和2004年)4個最大洪峰流量超過6000m3/s且為非復(fù)式洪水過程的典型年進(jìn)行次洪過程(圖3)的比較,并分析葛洲壩水利樞紐工程對該過程的影響.

圖3 宜昌站次洪過程線Fig.3 Hydrographs for historical floods at Yichang Station

3 水庫蓄水前后宜昌站斷面形狀

宜昌河段為三峽江段與平原河流間的過渡河段,河道兩岸受堤防和山丘的控制,河道演變主要是受上游來水來沙影響的河槽沖淤變化.該河段自第四紀(jì)晚期已穩(wěn)定成型,天然狀態(tài)下河床沖淤變化基本平衡,河段地貌的變化主要受到人類活動的影響[8].

圖4顯示了蓄水前后各2年的實(shí)測斷面形狀.從圖4可以看出:蓄水前的斷面受水文年的隨機(jī)影響,形狀稍有變化,處于沖淤平衡狀態(tài);蓄水后,左岸明顯下切,斷面形狀變化明顯,并形成了新的沖淤平衡.

圖4 宜昌站斷面形狀Fig.4 Cross section at Yichang Station

圖5顯示了蓄水前后同水位下的斷面面積.從圖5可以看出,蓄水后,水位-面積關(guān)系曲線明顯向右移動,表明河床形狀改變,來水的沖刷作用使得同水位下的斷面面積變大.

蓄水后,庫區(qū)水位壅高,壩上河段流速變小,水流的挾沙能力和推移力下降,導(dǎo)致下泄水流懸移質(zhì)輸沙量減少[9].由于大壩的阻隔作用及庫區(qū)水流流速降低的影響,天然狀態(tài)下可以隨水流向下輸送的粗沙便開始淤積,說明水庫對泥沙起到了“淤粗排細(xì)”的作用[10].宜昌河段懸移質(zhì)泥沙中值粒徑,蓄水前(1956～1980年)為0.029mm,蓄水后(1981～1991年)為0.016mm.由于大壩的阻隔作用,推移質(zhì)的傳播也受到了阻礙,出庫卵石推移數(shù)量顯著減少,蓄水前的多年平均推移質(zhì)輸沙量為863萬t,蓄水后則減少到了118萬t[11].

圖5 宜昌站斷面水位-面積關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between stage and sectional area at Yichang Station

蓄水后,宜昌河段的上游來水在水庫的作用下機(jī)械能增大,增速的水流對宜昌河段造成了沖刷,河底被刷深.同時,水流的挾沙能力和推移力也得到增強(qiáng),原本無法帶走的泥沙也被沖刷走了,宜昌河段床沙中值粒徑,蓄水前為0.205mm,蓄水后的1981～1985年平均粒徑為0.264mm,其中1983年和1984年分別為0.31mm和0.29mm,河床質(zhì)粗化現(xiàn)象明顯,增速的水流進(jìn)一步改變了該處的河床組成及斷面形狀.

4 水庫蓄水前后宜昌站斷面水位

在宜昌站斷面5000m3/s流量條件下,水流變化平緩,能量較小,受慣性力和附加比降影響較小,水位變化主要受河底比降和斷面形狀控制,水位-流量關(guān)系曲線呈現(xiàn)單值化特點(diǎn).因此,本文根據(jù)1950年以來的宜昌站5000m3/s流量條件下的實(shí)測數(shù)據(jù),分析斷面形狀變化對水位-流量關(guān)系的影響.

從圖6可以看出,蓄水前5000m3/s流量條件下的水位系統(tǒng)偏高,從1981年水庫蓄水開始,同流量下的水位明顯呈下降趨勢.這表明宜昌河段受到?jīng)_刷,同水位下的過水?dāng)嗝婷娣e變大,枯季相同流量下的水位會降低.

為了分析中高水位的變化特征,本文選取3次方多項(xiàng)式對蓄水前后4個來水過程相似的典型年全年的水位-流量關(guān)系進(jìn)行曲線擬合,建立了水位-流量關(guān)系,如圖7所示.

圖6 宜昌站斷面5000m3/s流量條件下水位變化過程Fig.6 Variation of water levels at Yichang Station with discharge of 5000m3/s

圖7 宜昌站斷面水位-流量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between stage and discharge at Yichang Station

從圖7可以看出:與蓄水前相比,同流量下,蓄水后的水位普遍降低,中水位處下降幅度最大,之后,該變化幅度逐漸減小,到達(dá)高水位處時,水位-流量關(guān)系已沒有明顯變化.低水位時,流量小,水流平緩,上游來水的能量較低,水位的變幅基本上受斷面變化控制,刷深的河床使得同流量下的水位降低.中水位時,上游來水增多,能量變大,受大壩壅水抬高的影響,下泄河水慣性力變大,對水位變化的影響增大,加上斷面形狀對水位的影響,水位下降幅度最大.高水位時,來水能量最大,水頭高,葛洲壩電站屬低水頭徑流式電站,抬高壩前水位所增加的能量,在總能量中所占比例下降;慣性力影響較中水位時小;河道沖刷擴(kuò)大的過水面積占整個斷面過水面積的比例較小,水位下降幅度較小;由于河床組成粗化,糙率增大,流速減小,使得同流量下建壩后的過水面積大于建壩前的過水面積,削弱了因河床沖刷擴(kuò)大過水?dāng)嗝鎸λ坏南陆底饔?因此,蓄水前后高水位時水位-流量關(guān)系變化不大.

另外,建壩時在下游江口以上河段大量開采砂石料[11],也在一定程度上使得宜昌站斷面的水位有所下降.

5 結(jié) 論

a.葛洲壩水庫蓄水前后,宜昌河段水文水力特性變化符合慣性區(qū)理論,具有慣性區(qū)的一般特點(diǎn).

b.葛洲壩水庫蓄水前宜昌河段洪水波是一種擴(kuò)散波,蓄水后宜昌河段洪水波運(yùn)動形式發(fā)生變化.

c.葛洲壩水庫蓄水后,壩前水流流速降低,水流的挾沙能力和推移力下降,泥沙在水庫內(nèi)淤積,下泄水流中的含沙量降低,宜昌河段推移質(zhì)輸入減少.加上下泄水流對河道的沖刷能力增強(qiáng),原有的沖淤平衡被打破,河床質(zhì)變粗,斷面形狀不斷改變.

d.葛洲壩水庫蓄水后,宜昌河段河床下切,水流能量增大,流速增大,同流量情況下水位較天然河道有所下降.

[1]鄒振華,李瓊芳,夏自強(qiáng),等.人類活動對長江徑流量特性的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,35(6):622-626.(ZOU Zhen-hua,LI Qiong-fang,XIA Zi-qiang,et al.Human-induced alterations in runoff of the Yangtze River[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2007,35(6):622-626.(in Chinese))

[2]吳國棟,王儒述.萬里長江第一壩:葛洲壩水利樞紐[J].自然雜志,1981(10):723-741.(WU Guo-dong,WANG Ru-shu.The first dam on Yangtze River:Gezhouba Hydrojunction[J].Nature Magazine,1981(10):723-741.(in Chinese))

[3]夏自強(qiáng),李瓊芳,姜翠玲,等.河流自然功能的利用及保護(hù)研究[C]//水利部國際合作與科技司.河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)研討會論文集.北京:中國水利水電出版社,2005:52-59.

[4]董哲仁.水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫[J].水利水電技術(shù),2003(7):1-5.(DONG Ze-ren.Stress of water project on ecosystem[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2003(7):1-5.(in Chinese))

[5]于國榮,夏自強(qiáng),蔡玉鵬,等.河道大型水庫水力過渡區(qū)及其生態(tài)影響研究[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,34(6):618-621.(YU Guo-rong,XIA Zi-qiang,CAI Yu-peng,et al.Hydraulic transitional region and ecological effectsof river-type large-scale reservoirs[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(6):618-621.(in Chinese))

[6]李記澤.河道洪水波波型識別[J].水利學(xué)報,1994(8):27-34.(LI Ji-ze.Identification of river flood wave types[J].Journal of Hydraulic Engineering,1994(8):27-34.(in Chinese))

[7]黃景祥,鐘秋友.單一水文站洪水波計(jì)算方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,1988(6):14-22.(HUANG Jing-xiang,ZHONG Qiuyou.Flood wave computation method by using the data of single hydrometric[J].Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering,1988(6):14-22.(in Chinese))

[8]李瓊芳,鄒振華,郭瑾,等.人類活動對長江泥沙特征的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,35(4):364-368.(LI Qiong-fang,ZOU Zhen-hua,GUO Jin,et al.Human-induced alteration in the sediment load of Yangtze River[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2007,35(4):364-368.(in Chinese))

[9]李香萍,楊吉山,陳中原.長江流域水沙輸移特性[J].華東師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001(4):88-95.(LI Xiang-ping,YANG Ji-shan,CHEN Zhong-yuan.Characteristics of discharge and sediment transportation in Yangtze River[J].Journal of East China Normal University:Natural Science,2001(4):88-95.(in Chinese))

[10]陳時若,黃光華.葛洲壩水利樞紐蓄水后宜昌站水位變化的深討[J].人民長江,1990(1):30-37.(CHEN Shi-ruo,HUANG Guang-hua.Deep discussion of change of Yichang water level after the construction of Gezhouba Hydrojunction[J].Yangtze River,1990(1):30-37.(in Chinese))

[11]盧金友.水利樞紐下游河道水位-流量關(guān)系的變化[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1994(增刊1):109-117.(LU Jin-you.Variation of stage-discharge relationship of downstream of hydro-junction[J].Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute,1994(S1):109-117.(in Chinese))

Influence of Gezhouba Project on hydrological and hydraulic characteristics of Yichang river reach

LI Fan1,2,XIA Zi-qiang1,2,WANG Yue-kui3
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;
2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing210098,China;
3.Hydrology and Waters ResourcesMonitoring Bureau,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

Based on observed hydrological data from Yichang Station before and after the impoundment of Gezhouba Reservoir,the influence of the Gezhouba Project on the stage-discharge relation,sectional profile and variation of water levels was analyzed.The results indicate that after the impoundment of Gezhouba Reservoir,the variation of hydrological and hydraulic characteristics of the Yichang river reach accord with the theories of inertia regions.The pattern of flood wave motion does not change.The velocity of the flow currents in front of the dam decreases,and the sediment carrying capacity of flow currents decreases,resulting in the increase of sediment deposition in Gezhouba Reservoir.The sediment concentration in the discharge water decreases,and the transport of bed load into the Yichang river reach also decreases.The discharged water has an increasing scour capacity along the waterway.The original erosion-deposition equilibrium changes:the riverbed materials become coarse,the sectional profile continuously changes,and the riverbed of the Yichang river reach cuts downwards.The flow capacity and flow velocity of the Yichang river reach increase,and its water level shows a certain decrease compared with that in a natural waterway with the same discharge.

Gezhouba Project;Yichang river reach;hydrological and hydraulic characteristics;characteristics of inertia region;stage-discharge relationship

TV12

A

1000-1980(2010)01-0036-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.008

2008-11-12

國家自然科學(xué)基金(30490235)

李帆(1982—),男,遼寧營口人,碩士研究生,主要從事水文水資源和生態(tài)環(huán)境研究.E-mail:simon1257@hhu.edu.cn

book=40,ebook=22