滕 凱

（齊齊哈爾市水務(wù)局，黑龍江 齊齊哈爾161006）

1 基本情況

尼爾基水庫位于嫩江上游與中游交界處的干流之上，距下游的齊齊哈爾市189km，于2006年完工并投入運行，壩址以上流域面積6.64萬km2，占嫩江流域總面積的22.4%，多年平均徑流量104.7億m3，占嫩江流域的45.7%。水庫正常蓄水位216.00m，設(shè)計洪水位218.15m，校核洪水位219.90m，汛限水位213.37m，總庫容86.1億m3。該工程以防洪、城鎮(zhèn)供水為主。

2013年6月至8月嫩江流域連續(xù)出現(xiàn)強降雨天氣，嫩江干流及其主要支流先后發(fā)生大洪水［1］。7月27日8時，尼爾基水庫水位上漲至214.08m，超汛限水位0.71m，27日14時水庫開始泄洪，出庫流量1600m3/s，到8月12日14時，庫水位已達到215.73m，最大入庫流量達9440m3/s，超50年一遇洪水標準，出庫流量增大到5500m3/s。與此同時，水庫以下的諾敏河、阿倫河、訥謨爾河、烏裕爾河、雅魯河及綽爾河等支流也相繼在8月13日至15日發(fā)生15～30年一遇大洪水，經(jīng)與水庫下泄流量組合后，致使干流中下游江段全線發(fā)生20年一遇大洪水。

同盟水文站8月14日3時出現(xiàn)最高水文170.40m，洪峰流量8760m3/s；8月16日8時富拉爾基水文站出現(xiàn)最高水文145.79m，洪峰流量8450m3/s。

2 洪水特點

2.1 高水位持續(xù)時間長

當水庫上游發(fā)生大洪水時，由于水庫的調(diào)控作用，其入庫洪水過程線與出庫泄水過程線具有如下關(guān)系［2］：

式中 Q入、Q泄分別為入庫及出庫的最大洪峰流量（m3/s）；、分別為與入庫及出庫洪水平均流量相對應(yīng)的時段長（h）。

由于水庫下泄洪水過程的平緩及總歷時的延長，因此當水庫下游支流洪水與下泄流量過程組合后將使下游干流洪水的高水位持續(xù)時間增長，或出現(xiàn)高水位情況下的多峰現(xiàn)象。

Q～△T2013，1998，1988年洪水關(guān)系曲線，如圖1。

圖1 2013，1998，1988年洪水Q～△T關(guān)系曲線

圖1為齊齊哈爾水位站1988［3］，1998［4］，2013年3次大洪水的實測洪水流量過程線。其中2013年洪水（相當于20年一遇）出現(xiàn)最高水位（148.65～148.68m）的時間為8月15日11時至17日5時，持續(xù)時間達42h，分別為本站1998年（大于100年一遇，高水位149.27～149.30m）和1988年（小于20年一遇，高水位148.45～148.48m）大洪水高水位持續(xù)時間的1.7和5.3倍。究其原因主要是尼爾基水庫泄水自2013年8月12日10時至19日12時一直維持在5500m3/s左右，使水庫下游干流河道保持了比較穩(wěn)定的高水位過程，而在水庫至齊齊哈爾水位站之間的諾敏河古城子水文站、訥謨爾河訥河水位站、阿倫河那吉水文站分別在8月13日13時、14日9時、13日2時出現(xiàn)洪峰流量，這些支流洪峰與干流洪水（水庫泄水）構(gòu)成了小錯峰疊加組合，從而形成了齊齊哈爾水位站高水位持續(xù)時間長這一顯著特點。同理可見，當上述各支流洪水洪峰出現(xiàn)的相隔時間較大時，下游齊齊哈爾水位站將發(fā)生高水位情況下的多峰洪水。

2.2 水位流量關(guān)系復(fù)雜

2.2.1 曲線類型變化突出

在河道洪水的漲落過程中，對于同一個過水斷面，由于洪水漲落時的水面比降不同，即漲水時的水面比降i大于同水位穩(wěn)定流情況下的水面比降i0，落水時的水面比降i′小于同水位穩(wěn)定流情況下的水面比降i0，因此，當漲水與落水為同一個流量級時，對應(yīng)于落水時的水位大于漲水時的水位，體現(xiàn)在水位流量關(guān)系的特征即為逆時針的繩套形曲線。

圖2為富拉爾基站上游無水庫調(diào)節(jié)情況下1988年大洪水的水位流量關(guān)系曲線，呈逆時針繩套形。

圖2 1988年洪水Q～H關(guān)系曲線

當干流上游為水庫泄洪時，由于較高的庫水位使泄入下游的水體具有較大的勢能，雖經(jīng)消能工程可以消除大部分能量，但所剩余能仍將對下游河道水勢產(chǎn)生較大影響。因此，在水庫下游河道一定區(qū)段內(nèi)，河道的水位流量關(guān)系將隨之發(fā)生變化。

由于河道水流運動屬三維非恒定流問題，為簡化分析過程，假定在一定區(qū)段內(nèi)，其水流過程符合恒定漸變流條件，采用能量法進行分析，其基本方程為［5］：

式中 H、h分別為水庫大壩上、下游斷面的水位（m）；α1、α2分別為水庫大壩上、下游斷面的動能修正系數(shù)；v1、v2分別為水庫大壩上、下游斷面的平均流速（m/s）；Ej、Ey分別為水庫大壩上、下游斷面之間的局部及沿程能量損失（m）。

在式（2）中，應(yīng)v1一般較小，可近似取為≈0，經(jīng)整理可得，庫下游河道斷面的總有效能量E為：

式（3）中的H一般與水庫的汛期調(diào)度有關(guān)，通常情況下，在水庫下泄流量Q泄增大期間，庫水位H或緩慢上升或保持不變，而當下泄流量逐漸減小時，H或保持不變或小幅回落。

圖3 尼爾基水庫2013年Q～△TH～△T關(guān)系曲線

圖3為尼爾基水庫2013年大洪水期間的Q泄～△T及H～△T關(guān)系曲線（△T為泄水過程時段）。在Q泄～△T關(guān)系曲線上分別選取Q泄?jié)q=Q泄落（Q泄?jié)q，Q泄落分別為Q泄～△T曲線上加大和減小泄水時段內(nèi)的流量，m3/s），并分別查得與Q泄?jié)q及Q泄落相對應(yīng)的庫水位H1和H2，因H1h2（h1、h2分別為與Q泄?jié)q及Q泄落相對應(yīng)的下游河道斷面過水水深，m），體現(xiàn)在水位流量關(guān)系曲線圖形即為順時針的繩套型曲線。

當水庫的下泄流量較小時，盡管當Q泄?jié)q=Q泄落時有可能存在H2>H1，但由于下泄流量占下游河道總流量的比例較?。ㄖЯ鲄R入流量相對較大），下泄水體的有效剩余能量E較小，僅對水庫下游有限范圍內(nèi)河道的水面比降產(chǎn)生影響，對距離水庫較遠的齊齊哈爾水文站的過水斷面已無影響，其水位流量關(guān)系已基本恢復(fù)自然形態(tài)，即曲線圖形由上部的順時針逐步過渡到常態(tài)的逆時針繩套型曲線。

2.2.2 曲線整體上移明顯

由式（2）～（3）可見，由于水庫下泄水體經(jīng)消能工消能后剩余能量的作用，在同一流量情況下，庫下河段水流總水頭將大于無水庫泄流自然流態(tài)情況下的總水頭。表1為嫩江干流中下游相關(guān)水文站在有尼爾基水庫調(diào)控（2013年洪水）及無水庫調(diào)控（1988、1998年洪水）情況下的同流量水位比較成果。

表1 1988，1998，2013年洪水同流量水位比較 單位：m

由表1可見，在同流量級情況下，尼爾基水庫調(diào)控的2013年嫩干中下游洪水水位較無水庫調(diào)控的1998及1988年洪水水位分別高0.09～0.19m，并且其差值越向下游越小。

2.3 河道沖淤變化加劇

由于上游水庫調(diào)控較大程度地改變了自然河道的行洪流態(tài)，下泄水體的殘余能量及相對較小的含沙量，將使水庫下游河道形成比較明顯的沖刷及落淤段。沖刷段主要為靠近水庫流速較大的局部河段，而落淤段主要位于沖刷段下游的較長河段。根據(jù)汛后對尼爾基水庫下游局部河段的選點實測，在水庫下游70km范圍內(nèi)具有明顯的沖刷痕跡，其中河灘地的沖刷深度在0.05～0.1m之間，主槽的沖刷深度在0.1～0.4m之間。自水庫下70km至江橋水文站長240km的河段內(nèi)具有明顯的落淤情況，其中河灘地的落淤厚度在0.01～0.03m之間，主槽除個別河段存在局部沖刷外，大部分河段灘地以落淤為主，落淤厚度在0.05～0.2m之間。

由沖刷河段沖起的泥沙主要通過推移質(zhì)和懸移質(zhì)隨水體流向下游，推移質(zhì)主要為粉細沙，多沉積在沖刷段下游河道灘地低流速區(qū)的坑塘內(nèi)。而懸移質(zhì)則按粒徑的大小由上游至下游有規(guī)律地分布于落淤河段，其落淤的主要區(qū)域為河灘地的外側(cè)。

3 結(jié)語

通過對2013年嫩江中下游洪水與無水庫調(diào)控下的1998，1988年大洪水的相關(guān)分析比較，獲得了水庫調(diào)控下嫩干中下游洪水的洪峰持續(xù)時間相對加長、水位流量關(guān)系具有順時針繩套形、同量級流量下水位偏高及沖淤河段變化等主要結(jié)論，意在為下游地區(qū)的防汛工作提供有益的借鑒。

［1］齊齊哈爾市防汛指揮部辦公室.嫩江流域江河水情記錄資料匯編［R］.2014.

［2］雒文生，宋星原.工程水文及水利計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［3］黑龍江省水文總站.黑龍江流域水文資料（第四冊）嫩江區(qū)［R］.1990.

［4］齊齊哈爾市水文局.嫩江流域水文資料匯編［R］.2000.

［5］張志昌.水力［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.