馮小香，張 明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

三峽蓄水后長(zhǎng)江中游設(shè)計(jì)最低通航水位預(yù)報(bào)

馮小香，張 明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

設(shè)計(jì)最低通航水位是長(zhǎng)江航道系統(tǒng)整治的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一。依據(jù)歷史水文資料和水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式，推算了三峽單庫(kù)運(yùn)行、三峽與上游控制性水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行兩種情況下，長(zhǎng)江中游宜昌至武漢河段的設(shè)計(jì)最低通航流量，采用一維泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了兩種情況下長(zhǎng)江中游主要水文站的水位變化趨勢(shì)，結(jié)合近期三峽電站日調(diào)節(jié)對(duì)下游各站的影響情況，預(yù)報(bào)了三峽蓄水后20 a、30 a宜昌至武漢河段的設(shè)計(jì)最低通航水位。

三峽工程；長(zhǎng)江中游；設(shè)計(jì)最低通航水位；設(shè)計(jì)最小通航流量；日調(diào)節(jié)

設(shè)計(jì)最低通航水位（簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)水位，下同）是航道工程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一。對(duì)基本處于動(dòng)態(tài)平衡、水文情勢(shì)沒有發(fā)生較大變化的天然河流，設(shè)計(jì)水位一般根據(jù)長(zhǎng)系列的歷史資料直接進(jìn)行計(jì)算。但對(duì)一些受人類活動(dòng)影響較大、水文情勢(shì)發(fā)生較大變異的河段，尤其是短期尚無法恢復(fù)動(dòng)態(tài)平衡的河流，為使航道工程在設(shè)計(jì)運(yùn)行周期內(nèi)具有較好的效果，設(shè)計(jì)水位應(yīng)具有一定的前瞻性，其變化趨勢(shì)研究就顯得十分必要。

三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中游河段枯水流量增加，出庫(kù)泥沙減少，河床出現(xiàn)了長(zhǎng)距離持續(xù)沖刷現(xiàn)象［1-3］，2012年10月、2013年5月長(zhǎng)江上游向家壩、溪洛渡等大型控制性水庫(kù)工程也先后進(jìn)行試驗(yàn)性蓄水，這將進(jìn)一步影響三峽下游的水沙情勢(shì)，并對(duì)設(shè)計(jì)水位等航道整治參數(shù)產(chǎn)生影響。三峽及上游水庫(kù)運(yùn)用后，長(zhǎng)江中游設(shè)計(jì)水位將如何變化，關(guān)系到長(zhǎng)江中游航道的系統(tǒng)治理效果，對(duì)長(zhǎng)江黃金水道的進(jìn)一步規(guī)劃與開發(fā)也有重要影響，因此是當(dāng)前大家十分關(guān)心的問題［4-5］。鑒于此，本文采用資料分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算等手段，預(yù)報(bào)了三峽蓄水后20 a、30 a宜昌至武漢河段的設(shè)計(jì)水位，成果可為長(zhǎng)江中游航道的整治及開發(fā)利用提供參考。

1 設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［6］（GB50139-2014）規(guī)定，樞紐下游河段設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)根據(jù)與航道等級(jí)相對(duì)應(yīng)的多年歷時(shí)保證率，分析選定設(shè)計(jì)流量，并考慮河床沖淤變化和電站日調(diào)節(jié)的影響推算確定，水位和流量資料應(yīng)選取近期不短于20 a的連續(xù)系列，且應(yīng)具備良好的一致性。

三峽工程采用“一次建成、分期蓄水”的方式調(diào)度運(yùn)行，自2003年6月蓄水以來，經(jīng)過135～139 m、144～156 m運(yùn)行方式后，于2008年9月開始175-145-155 m的試驗(yàn)性蓄水，2010年10月首次蓄水至175 m。由于三峽175 m蓄水運(yùn)行時(shí)間較短，且向家壩、溪洛渡等上游控制性水庫(kù)工程對(duì)下游水情的影響尚沒有充分顯現(xiàn)，因此無法直接運(yùn)用三峽蓄水后的已有實(shí)測(cè)資料來推求沿程設(shè)計(jì)流量。鑒于此，通過水庫(kù)調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)度方案為基礎(chǔ)，在不考慮上游來流及區(qū)間來流變化的情況下，模擬計(jì)算三峽175 m蓄水運(yùn)行條件下水庫(kù)的下泄流量過程，并得到沿程各控制水文站的流量系列。為反映現(xiàn)有調(diào)水工程及河網(wǎng)水情變化對(duì)河段的實(shí)際影響，模型考慮了引江濟(jì)漢工程的取水作用及江湖關(guān)系變化對(duì)三口分流的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算沿程各站的設(shè)計(jì)最小通航流量（簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)流量，下同）。

采用一維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算長(zhǎng)江中游宜昌至大通河段在新水沙系列下的河床沖淤變形情況，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)流量下沿程各站的水位變化趨勢(shì)。根據(jù)三峽175 m蓄水運(yùn)行方式時(shí)、三峽電站日調(diào)節(jié)所引起的下游水位非恒定流波動(dòng)規(guī)律，計(jì)算電站日調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)水位的影響。

根據(jù)基礎(chǔ)水平年（2012年）的水位流量關(guān)系，推求設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水位，然后在考慮水位流量關(guān)系的遠(yuǎn)期變化、電站日調(diào)節(jié)的影響等基礎(chǔ)上，預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)水平年宜昌至武漢河段沿程各控制水文站的設(shè)計(jì)水位（圖1）。

圖1 三峽蓄水后長(zhǎng)江宜昌至武漢河段基本站設(shè)計(jì)水位預(yù)報(bào)方法Fig.1 Prediction method of design lowest navigable stage for hydrologic stations in the Yichang to Wuhan reach of the Yangtze River after the Three Gorges Reservoir impoundment

2 設(shè)計(jì)通航流量的確定

選取1990～2012年作為典型系列，計(jì)算三峽單庫(kù)運(yùn)行、三峽與溪洛渡和向家壩聯(lián)合運(yùn)行兩種條件下宜昌至武漢河段的流量過程，采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算各站保證率98%的流量，并與1990～2012年、2011～2012年實(shí)際流量系列的綜合歷時(shí)保證率98%流量比較。

表1可見，與三峽單庫(kù)運(yùn)行相比，在建設(shè)溪洛渡、向家壩后，梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行情況下，宜昌至武漢河段各站綜合歷時(shí)98%保證率的流量稍有增加，但差別不大?？紤]到三峽與上游梯級(jí)水庫(kù)間的聯(lián)合運(yùn)行尚在研究階段，以三峽單庫(kù)運(yùn)行時(shí)各站綜合歷時(shí)98%保證率的流量作為設(shè)計(jì)流量。

與三峽蓄水前1990～2002年系列比，各站的設(shè)計(jì)流量有明顯增加，增加幅度自上游向下游逐漸減小，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別增加2 221 m3/s、2 025 m3/s、1 674 m3/s、1 350 m3/s、1 716 m3/s、1 693 m3/s，增加幅度分別為66%、56%、44%、34%、30%、25%，可見，三峽175m蓄水后枯水期補(bǔ)水作用明顯。

2011年1月～2012年12月，宜昌站保證率98%流量的實(shí)測(cè)值為5 690 m3/s，比設(shè)計(jì)流量計(jì)算值大119 m3/s。從沿程變化來看，宜昌站、枝城站的實(shí)際變化規(guī)律與設(shè)計(jì)流量計(jì)算值基本相同；沙市站、監(jiān)利站，設(shè)計(jì)流量計(jì)算值自上游向下游減小的趨勢(shì)與實(shí)際運(yùn)行情況略有不同，主要是因?yàn)槟Ｐ陀?jì)算中考慮了江湖關(guān)系變化以及引江濟(jì)漢工程的分流作用；螺山站、漢口站，設(shè)計(jì)流量計(jì)算值均比實(shí)際運(yùn)行的要小，這可能與實(shí)際的水文系列年限較短有關(guān)，各支流近年來興建的梯級(jí)水庫(kù)枯水期的流量補(bǔ)償作用也有一定的影響。

3 水位變化預(yù)測(cè)

3.1 河床沖淤變形計(jì)算

采用一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算長(zhǎng)江中游宜昌至武漢河段的河床沖淤變化［7］，模型范圍自宜昌至大通，起始地形為2008年實(shí)測(cè)地形，出口大通站的水位流量關(guān)系假定不變；利用三峽175m蓄水方案對(duì)宜昌站2003～2012年（03系列）的來水來沙進(jìn)行修正，其中三峽出庫(kù)泥沙根據(jù)是否考慮上游向家壩、溪洛渡水庫(kù)的影響，可得到上游無庫(kù)（三峽單庫(kù)運(yùn)行）、上游建庫(kù)（梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行）兩種條件下的水沙過程。

表1 1990～2012年修正系列年98%的流量與實(shí)際運(yùn)行比較Tab.1 Comparison of 98%guaranteed discharge between 1990-2012 revision series and the actual operation

對(duì)03系列水沙資料進(jìn)行連續(xù)滾動(dòng)計(jì)算，可獲得三峽蓄水后20 a、30 a長(zhǎng)江宜昌至大通河段的沖淤情況。圖2可見，三峽建成運(yùn)用后，宜昌至大通河段將出現(xiàn)自上而下的長(zhǎng)距離沖刷，在上游建庫(kù)條件下，各河段沖淤主要有如下特點(diǎn)：

（1）宜昌—松滋口河段：河床由卵石夾沙組成，表層粒徑較粗，沖刷后河床粗化很快，經(jīng)過10 a沖刷，河床沖刷基本平衡。該河段30 a累積最大沖刷總量約為0.96億t，按平均河寬1 100 m計(jì)，累積平均沖深約1.15 m（沖淤量及河寬均以平灘河槽進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，下同）。

（2）松滋口—太平口河段：河床主要由卵石夾沙構(gòu)成，經(jīng)過20 a沖刷，河床沖刷基本結(jié)束。30 a末該河段累積最大沖刷量約1.2億t，按平均河寬1 400 m計(jì)，累積平均沖深1.4 m。

（3）太平口—藕池口河段：該河段主要是沙質(zhì)河床，該河段沖刷相對(duì)上游沙卵石河段明顯增加。該河段30 a最大累積沖刷量約4.04億t，按平均河寬1 400 m計(jì)，累積平均沖深3.8 m。

（4）藕池口—城陵磯河段：蓄水后本河段處于持續(xù)沖刷狀態(tài)。該河段30 a累積最大沖刷量約15.57億t，按平均河寬1 600 m計(jì)，累積平均沖深5.71 m。

（5）城陵磯—武漢河段：蓄水后本河段在前10 a沖刷較少，10a末累積沖刷量1.79億t，隨著上游沖刷往下游傳遞，后期沖刷速率增大，30 a末累積最大沖刷量約6.58億t，按平均河寬1 800 m計(jì)，累積平均沖深1.58 m。

（6）武漢以下河段：由于距壩較遠(yuǎn)，漢口以下河段在蓄水前30 a有沖有淤，以沖刷為主，總體沖淤幅度不大。前30 a最大累積沖刷量為2.36億t。

上游建庫(kù)與上游無庫(kù)相比，宜昌—大通河段的沖淤量差別不大。宜昌—大通全河段20 a、30 a末的累積沖淤量相差分別為0.33億t、0.43億t，僅占總量的1.5%左右。分河段來看，宜昌—太平口的沙卵石河段由于較快達(dá)到?jīng)_刷平衡，上游建庫(kù)和上游無庫(kù)條件下的沖刷總量基本一致；漢口以下河段由于距離大壩較遠(yuǎn)，且沿程含沙量逐步恢復(fù)，其蓄水后30 a內(nèi)沖刷幅度不大，兩種情況下沖淤量差別也不大。上游建庫(kù)和上游無庫(kù)條件下的沖刷量的差異主要體現(xiàn)在荊江河段以及城陵磯—漢口河段。

圖2 03系列上游建庫(kù)條件分段累積淤積量變化圖Fig.2 Change of sectionalized accumulated deposition for 03 series under the upstream reservoirs existence condition

3.2 水位變化預(yù)測(cè)

表2可見，在不考慮上游建庫(kù)條件下，三峽蓄水后10～20 a，各站設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水位，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別下降0.17 m、0.21 m、0.51 m、0.63 m、0.47 m、0.32 m，三峽蓄水后20～30 a，各站再次下降0.06 m、0.05 m、0.17 m、0.61 m、0.39 m、0.39 m。

與上游無庫(kù)相比，考慮金沙江溪洛渡、向家壩與三峽聯(lián)合運(yùn)行條件下，各站相同流量下的水位下降值有小幅增大，但一般在0.05 m內(nèi)，表明建設(shè)溪洛渡和向家壩，對(duì)于三峽水庫(kù)下游河床的沖淤影響較小。

從三峽175 m蓄水后各站設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水位變化來看，2008～2012年，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別下降0.46 m、0.15 m、0.69 m、0.41 m、0.25 m、0.13 m；各站水位變化與河段位置、河床質(zhì)組成、河道形態(tài)等有關(guān)，宜昌站距離壩址最近，蓄水初期影響最大，水位下降較為明顯；螺山站、漢口站距離較遠(yuǎn)，水位下降不大；沙市站、監(jiān)利站位于沙質(zhì)河段，河床沖刷變形劇烈，水位降幅較大；枝城站由于受蘆家河淺灘河段的控制作用，水位下降較小。未來隨著清水沖刷逐漸向下游發(fā)展，近壩河段宜昌站的水位降幅逐漸減小，下游河段螺山站、漢口站水位降幅逐漸增大，沙市站、監(jiān)利站由于河床的沙質(zhì)覆蓋層較厚，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將呈現(xiàn)河床沖刷下切、枯水位下降態(tài)勢(shì)，枝城站受下游蘆家河淺灘控制性侵蝕基點(diǎn)的影響，水位總體變化不大。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本與三峽蓄水初期水位變化實(shí)際與清水沖刷發(fā)展的規(guī)律一致。

表2 設(shè)計(jì)流量下長(zhǎng)江中游各站的水位下降預(yù)測(cè)值Tab.2 The predicted decline value of water level at hydrological stations in the middle reaches of Yangtze River under design minimum traffic flow

4 電站日調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)水位的影響

內(nèi)河航道設(shè)計(jì)水位一般是基于日平均水位的概念，電站下泄非恒定流引起的日內(nèi)水位變幅難以反映?？紤]到葛洲壩近壩段水位變幅較大，有可能影響通航，因而設(shè)計(jì)水位需要考慮電站日調(diào)節(jié)的影響。

圖3可見，從各站水位與宜昌站流量變化的關(guān)系來看，越向下游的站點(diǎn)，其水位變化與宜昌流量的相關(guān)關(guān)系越差，宜昌站、枝城站一定程度受電站日調(diào)節(jié)的影響，沙市站、監(jiān)利站受電站下泄非恒定流的影響較弱。

圖3 典型水文站時(shí)均流量及水位變化關(guān)系Fig.3 Relationship between time-average discharge and water level at typical hydrologic stations

根據(jù)2011年11月～2013年4月枯水期逐時(shí)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)宜昌站日均流量小于8 000 m3/s時(shí)，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分別為0.17 m、0.10 m；當(dāng)宜昌站日均流量小于6 000 m3/s下，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分別為：0.11 m、0.07 m。從偏安全考慮，取宜昌站0.17 m、枝城站0.10 m作為電站日調(diào)節(jié)影響修正值。

5 設(shè)計(jì)水位預(yù)報(bào)

以2012年為基礎(chǔ)水平年，根據(jù)水位流量關(guān)系下包線，推算基礎(chǔ)水平年設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水位，再計(jì)入設(shè)計(jì)水平年三峽下游因長(zhǎng)距離沖刷調(diào)整所引起的水位變化，結(jié)合目前三峽175 m蓄水方案下的日調(diào)節(jié)影響情況，對(duì)設(shè)計(jì)水平年的設(shè)計(jì)水位進(jìn)行預(yù)報(bào)。

表3可見，2022設(shè)計(jì)水平年，宜昌至武漢河段主要控制站的設(shè)計(jì)水位為：宜昌站38.79 m，枝城站37.41m，沙市站30.18 m，監(jiān)利站23.25 m，螺山站18.18 m，漢口站13.28 m。與長(zhǎng)江中游現(xiàn)行使用的設(shè)計(jì)水位基面（82基面）相比，三峽蓄水運(yùn)用20 a末，宜昌站、沙市站設(shè)計(jì)水位與82基面相差-0.56 m、-1.38 m，枝城站相差-0.02 m，監(jiān)利站、螺山站、漢口站相差0.19 m、1.43 m、1.28 m，可見，隨著長(zhǎng)江中游宜昌至武漢河段枯水水情的變化，實(shí)際枯水情況與82基面設(shè)計(jì)水位已有不同程度的偏離。

表3 三峽蓄水后不同時(shí)段的設(shè)計(jì)水位預(yù)報(bào)值Tab.3 The predicted value of design lowest navigable stage at different points after the Three Gorges Reservoir impoundment

6 結(jié)論

（1）因三峽工程及上游大型水庫(kù)蓄水運(yùn)用導(dǎo)致下游水情發(fā)生變異，應(yīng)采用基于設(shè)計(jì)流量推求設(shè)計(jì)水位的方法，并考慮樞紐蓄水運(yùn)用初期因河床長(zhǎng)距離沖刷調(diào)整所引起的設(shè)計(jì)水位變化，樞紐壩下近壩河段，還應(yīng)考慮樞紐下泄非恒定流所引起的設(shè)計(jì)水位變化。

（2）三峽單庫(kù)運(yùn)行、三峽與上游控制性水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行兩種情況下，長(zhǎng)江中游宜昌至武漢河段各控制性水文站的設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)水位差別不大。

（3）在目前三峽175 m蓄水運(yùn)用方式下，長(zhǎng)江中游宜昌站、枝城站一定程度上受電站日調(diào)節(jié)影響，沙市站及下游基本不受電站日調(diào)節(jié)影響。因三峽壩下河床的沖刷調(diào)整，三峽蓄水20 a、30 a末，宜昌至武漢河段的設(shè)計(jì)水位還將有所下降。

［1］郭小虎，李義天，渠庚，等.三峽工程蓄水后長(zhǎng)江中游泥沙輸移規(guī)律分析［J］.泥沙研究，2014（5）：11-17. GUO X H，LI Y T，QU G，et al.Analysis of Sediment Transport in Middle Yangtze River after filling of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Sediment Research，2014（5）：11-17.

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［6］GB50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.長(zhǎng)江上游水沙變化對(duì)中游航道影響研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2015.

Prediction of the design lowest navigable stage in the middle reaches of Yangtze River after Three Gorges Reservoir impoundment

FENG Xiao-xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

The design lowest navigable stage is one of key technical parameters for the systematic waterway regulation of the Yangtze River.Based on the historical hydrological data and the design operation of Three Gorges Project,the design minimum traffic flow under the condition of single operation of Three Gorges Project and joint operation with the upstream reservoirs was calculated in the middle reaches.And the change trend of water level corresponding to above situation was predicted by one-dimensional sediment mathematical model.Combined with daily regulations caused by the dam,the design lowest navigable stage after 20 a,30 a impoundment of Three Gorges Project was forecasted between Yichang and Wuhan reach.

Three Gorges Project;middle reaches of Yangtze River;design lowest navigable stage;design minimum traffic flow;daily regulation

TV 143；U 641

A

1005-8443（2017）01-0049-05

2016-06-17；

2016-07-18

馮小香（1977-），女，河南省人，副研究員，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)、內(nèi)河樞紐、航道工程研究。

Biography：FENG Xiao-xiang（1977-），female，associate professor.