電站泄流對(duì)壩下航道影響研究進(jìn)展

曹民雄，龐雪松

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;2.廣西壯族自治區(qū) 港航管理局，廣西 南寧 530012)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，電力需求越來(lái)越旺盛.我國(guó)電力發(fā)展規(guī)劃中水電比重將逐年增加，水電建設(shè)越來(lái)越多.結(jié)合水電樞紐建設(shè)，山區(qū)河流航道整治已從逐灘整治逐步過(guò)渡到河流渠化或梯級(jí)開(kāi)發(fā)，需要將水電開(kāi)發(fā)與航運(yùn)建設(shè)有機(jī)地結(jié)合起來(lái).電站調(diào)度運(yùn)行后，下泄水流與泥沙條件改變了天然的水沙特性，將對(duì)壩下游航道產(chǎn)生影響.本文擬在大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)電站泄流對(duì)壩下航道影響的相關(guān)研究成果，提出有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題.

1 建站前后壩下游河道水沙變化特性

電站運(yùn)行后，其日調(diào)節(jié)和泄洪引起的非恒定流將改變下游河道的天然水沙條件，壩下的水沙特性變化主要表現(xiàn)在以下方面.

1.1 徑流量年內(nèi)分配變化

因電站對(duì)入庫(kù)徑流進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使徑流量年內(nèi)分配發(fā)生了改變，其改變的程度與電站的調(diào)蓄能力有關(guān).對(duì)于水量豐沛、庫(kù)容大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的電站，一般可削峰填谷:枯水期下泄流量增大，中水歷時(shí)延長(zhǎng)，洪水期下泄流量減小，水量年內(nèi)分配趨向均勻.如三峽水利樞紐在汛期枝城流量超過(guò)56700m3/s時(shí)，水庫(kù)削峰蓄水;10—11月水庫(kù)蓄水，減小下泄流量;1—4月下泄流量增加，加大了枯水期的流量［1］.丹江口水庫(kù)壩下襄陽(yáng)、皇莊站年均最大流量?jī)H為建庫(kù)前的60%左右，中水(1000～3000m3/s)歷時(shí)由60～80 d延長(zhǎng)至140～300 d［2］.烏江洪家渡、東風(fēng)、烏江渡水電站建成聯(lián)合運(yùn)行后，思南水文站90%保證率的流量從280m3/s提高到396m3/s［3］.對(duì)于水量少、調(diào)節(jié)能力弱的徑流式電站，為增加發(fā)電量，其下泄徑流年內(nèi)分配的總趨勢(shì)是枯水期流量減少、時(shí)間延長(zhǎng)，洪水期流量反而增大.如白龍江碧口水電站為季調(diào)節(jié)電站，枯水季節(jié)下泄流量常常小于設(shè)計(jì)流量，且歷時(shí)較長(zhǎng)［4］;融江麻石水電站為徑流式電站，每年9月至翌年4月的枯水期徑流量由建站前的37.21%降為27.87%，建庫(kù)前枯水期為每年10月至次年4月初，建庫(kù)后枯水期從每年9月開(kāi)始，提前了1個(gè)月［5］.因而徑流式電站對(duì)航道的影響相對(duì)明顯，帶來(lái)的航電矛盾相對(duì)突出.

1.2 壩下游流量變化

自然狀態(tài)下河道枯水期日流量較為穩(wěn)定，只有汛期山洪暴發(fā)才有較大的流量變幅，而日調(diào)節(jié)電站下游枯水期日流量波動(dòng)明顯.如江西萬(wàn)安電站運(yùn)行4～6 a后，壩下1.74km處西門(mén)站的枯水期日流量變化600～1600m3/s［6］.三峽樞紐在調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程中4 h內(nèi)流量變幅最大可達(dá)16000m3/s，而1 h內(nèi)的流量變幅最大值可達(dá)6000m3/s，樞紐在24 h內(nèi)不同時(shí)段下泄流量的變化隨各時(shí)段電站輸出電量的變化而變化［7－10］.

電站日調(diào)節(jié)時(shí)，壩下流量隨之變化，其沿程變化的波型受電站泄流波型、河床坡度、形態(tài)、糙率及阻水建筑物、支流入?yún)R及其匯入流量大小等影響:波峰流量Qmax沿程減小，波谷流量Qmin沿程增大(主要因河槽的調(diào)蓄作用).尖瘦的波峰沿程衰減快，肥胖峰型沿程衰減慢;峰流量大時(shí)傳播快、波速大，峰流量小時(shí)傳播慢、波速小;波峰比波谷傳播時(shí)間短、速度快(表1)［4，9，11］.如水口水電站壩下嵩灘浦?jǐn)嗝娴牟ü攘髁繛?08 m3/s，竹岐站增大為 503m3/s，侯官則增大到 543.8 m3/s［12］;大渡河的峰谷流量相差 4.4 倍［13］.

表1 白龍江碧口水電站壩下水力要素變化［4］Tab.1 Variation of hydraulic factors downstream of Bikou hydropower plant in Bailong River［4］

1.3 壩下游泥沙變化

水電站運(yùn)行后，上游來(lái)沙被大量攔截在水庫(kù)內(nèi)，在庫(kù)區(qū)沖淤平衡前，壩下基本屬清水下泄，因而蓄水后壩下輸沙總量減少，年內(nèi)沙量分配趨于均勻.如丹江口水庫(kù)滯洪期水庫(kù)攔沙率約為20%，蓄水期達(dá)98%以上，年內(nèi)最大與最小輸沙量的月分配倍數(shù)由205.0～819.5降低為13.3～67.4，含沙量?jī)H為建庫(kù)前的1.1% ～24.5%［2］.三峽水庫(kù)運(yùn)行初期，2003—2006年長(zhǎng)江中下游干流宜昌、漢口、大通水文站年均輸沙量?jī)H為0.702，1.34和1.63 億t，分別較運(yùn)行前多年均值偏小86%，67%和62%［8］，僅2003年6—12月份三峽水庫(kù)淤積泥沙達(dá) 1.24 億 t［10］.

壩下游床面泥沙在逐步下切與水流分選作用下，粒徑逐年變粗，黃河天橋電站壩下6km處的義門(mén)水文站附近，電站運(yùn)行4 a 后逐年的中值粒徑分別為 0.195，0.228，0.442，0.607 和0.530mm，逐年粗化明顯［14］.三峽水庫(kù)2003年初期運(yùn)行后，監(jiān)利水文站的懸沙粒徑由蓄水前的0.009 mm變粗為2006年的0.150mm［8］.

壩下河床泥沙的來(lái)源發(fā)生了變化，建庫(kù)前河流泥沙主要來(lái)源于上游，蓄水后壩下游泥沙主要來(lái)自河床的沖刷、河岸的坍塌以及支流的補(bǔ)給.如丹江口水庫(kù)建庫(kù)前黃家港站年輸沙量占皇莊站年輸沙量的95.5%，建庫(kù)后則占 4.12%［2］.

伴隨壩下河床的沖刷，水流沿程分選，床面細(xì)顆粒泥沙被帶走，從而使床面泥沙逐漸出現(xiàn)粗化，床沙級(jí)配比較均勻.隨著沖刷的發(fā)展，壩下河段床沙也隨之自上而下發(fā)生粗化.如丹江口壩下至太平店以上中細(xì)砂覆蓋層已基本消失，粗砂與卵石層外露，襄陽(yáng)站床沙質(zhì)d50由0.132mm增至0.360mm(表2)［2］.

表2 丹江口水庫(kù)建庫(kù)前后的泥沙、含沙量和枯水流量變化Tab.2 Variation of sediment，sand content and flow in dry season before and after construction of Danjiangkou reservoir

1.4 壩下游水位變化

自然狀態(tài)下枯水期日流量及水位均較為穩(wěn)定，水位變幅很小，只有汛期山洪暴發(fā)才有較大的變幅.與建庫(kù)前相比，因受電站日調(diào)節(jié)水流影響，壩下日水位變化頻繁、變幅增大.如安康樞紐下游15km處的安康站，在枯季(12月至翌年3月)時(shí)最大日水位變幅均在2.0m以上［15］;江西萬(wàn)安電站運(yùn)行4～6 a后，壩下1.74km處西門(mén)站的枯水期日水位變幅達(dá)2～3m(相應(yīng)流量變化600～1600m3/s)［6］;四川龔咀電站下游福祿站電站建成前(1970－11—1971－04)日最大水位變幅為0.18 m，建成后(1986 －11—1987－04)增至1.53m［11］.融江麻石水電站下游29.6km 的鴨仔灘、52.5km的牛眠灘、134.4km 的板灘的灘上水位最大日變幅達(dá)0.80～0.85m［5］.烏江彭水電站壩下約77km處武隆水文站水位最大日變幅為2.48 m，水位小時(shí)變幅為 0.40m［16］.

壩下水位變化過(guò)程與電站下泄流量過(guò)程相對(duì)應(yīng)，水位的波動(dòng)頻率、變幅、變率與電站泄流的組合及壩下距離密切相關(guān):水位波動(dòng)頻率、變幅、變率沿程衰減，波峰沿程衰減(表1)［4，17］，波長(zhǎng)逐漸延長(zhǎng).但低谷水位沿程變化跟電站下泄瞬時(shí)流量與設(shè)計(jì)流量的相對(duì)大小有關(guān)［18］:某些季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)的大、中型樞紐下游，及以航運(yùn)發(fā)電兼顧的反調(diào)節(jié)樞紐下游，往往最小下泄流量大于設(shè)計(jì)流量，壩下低谷水位較設(shè)計(jì)水位沿程抬升;某些小型徑流式電站往往為了多發(fā)電，使得最小下泄流量小于設(shè)計(jì)流量，壩下低谷水位將小于沿程設(shè)計(jì)水位［4］.

1.5 影 響 距 離

電站泄流改變了下游河段的來(lái)水來(lái)沙過(guò)程，影響主要表現(xiàn)在水位下降與日水位變幅，影響的程度是沿程減弱的.水沙過(guò)程恢復(fù)到天然狀況理論上在壩下無(wú)窮遠(yuǎn)處，一般日調(diào)節(jié)引起的水位變幅與水位下降在較小的范圍內(nèi)便認(rèn)為基本沒(méi)有影響，水位變幅限值具體數(shù)值目前沒(méi)有定論，本文認(rèn)為對(duì)航道的影響而言，水位變幅在0.05m以內(nèi)為宜.

電站的影響距離主要與電站日調(diào)節(jié)的日均流量、日調(diào)節(jié)流量變幅有關(guān)，同時(shí)與河型、河床組成、斷面形態(tài)等有關(guān)，影響距離一般為近百千米，有些大型電站甚至影響上千千米.如丹江口電站的沖刷范圍至壩下240km的皇莊［2，19］;融江麻石水電站為徑流式電站，有效庫(kù)容僅0.625億m3，但非恒定泄流的影響距離為330.7km［5］;烏江彭水電站壩下約 77km的武隆水文站水位最大日變幅 2.48 m，水位小時(shí)變幅為0.40m［16］;尼羅河的阿斯旺水庫(kù)壩下 166km 處水位下降達(dá) 0.8 m［20］.

電站的影響距離還與下游河道的控制節(jié)點(diǎn)有關(guān):如果河流實(shí)施了渠化，壩下水流將受下游梯級(jí)電站的回水頂托作用，上游電站將只影響到下游梯級(jí)電站的庫(kù)區(qū);如果壩下河道有基巖或者出現(xiàn)峽谷等難以沖刷的河段，電站的影響也難以發(fā)展到控制河段以下.如飛來(lái)峽樞紐下游10km處有近10km長(zhǎng)的飛來(lái)峽，水流由寬約1km的河道流至200～300m寬的峽口，因飛來(lái)峽峽口的瓶頸作用，峽口以下河段已恢復(fù)到天然狀態(tài)［21］.

2 電站運(yùn)行對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響

電站泄流對(duì)航道尺度的影響主要表現(xiàn)在航深的變化，一是隨著電站的運(yùn)行，壩下河床出現(xiàn)沖刷下切，水位逐年下降，直至達(dá)到新的水沙平衡;二是電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，壩下沿程水位波動(dòng)頻繁，谷底水位取決于電站瞬時(shí)下泄流量的大小，當(dāng)瞬時(shí)下泄流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，谷底水位將低于設(shè)計(jì)水位，造成淺灘段航深不足.因而電站下游航道整治首先需要考慮電站泄流對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響，確定航道設(shè)計(jì)最低通航水位是航道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ).

2.1 對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響

電站對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響程度與范圍，文獻(xiàn)［18］提出了以設(shè)計(jì)最小通航流量Q設(shè)、保證率P%(天然航道所需的枯水通航保證率)的日平均流量QP和日最小下泄流量QmP的相互關(guān)系作為評(píng)估樞紐日調(diào)節(jié)影響的指標(biāo).

(1)QP＞Q設(shè)壩下谷值流量沿程逐漸增大，峰值流量沿程逐漸減小，至一定距離(斷面G)谷值流量達(dá)到Q設(shè)，繼續(xù)增加至斷面W處谷、峰值趨于一致(圖1(a))，G斷面以下河段實(shí)際最小流量大于設(shè)計(jì)最小通航流量Q設(shè)，沿程水位高于設(shè)計(jì)最低通航水位，將增加航深，提高通航保證率;但壩下至斷面G河段的谷值流量小于設(shè)計(jì)最小通航流量，沿程水位低于設(shè)計(jì)最低通航水位，無(wú)法滿足航深要求.當(dāng)電站按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求QmP≥Q設(shè)進(jìn)行泄流時(shí)，斷面G位于壩址，壩下沿程水位將不低于對(duì)應(yīng)位置的設(shè)計(jì)低水位.

(2)QP=Q設(shè)只有G斷面出現(xiàn)(見(jiàn)圖1(b))，壩下至斷面G河段的沿程水位低于設(shè)計(jì)低水位，斷面G以下河段恢復(fù)到天然河道情況.

(3)QP＜Q設(shè)壩下游整個(gè)河段的沿程水位低于設(shè)計(jì)低水位，對(duì)航運(yùn)的影響最為嚴(yán)重.

圖1 樞紐日調(diào)節(jié)的壩下游水面線Fig.1 Schematic diagram of dam's downstream water surface line

2.2 電站運(yùn)行影響下設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算

受電站運(yùn)行影響，壩下水位一方面受電站日調(diào)節(jié)影響日變幅較大，每日有峰、谷水位出現(xiàn)，同時(shí)因河床沖刷下切引起水位逐年下降，因而設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算既要考慮水位逐年下降的趨勢(shì)，又要考慮每日的谷底水位.

設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算有2種方法:一是選定附近的水文站作為基本站，利用保證率頻率法或綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算出設(shè)計(jì)水位，再用適當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)換到各整治灘段，得出灘頭或?yàn)┪菜叩脑O(shè)計(jì)水位;二是直接采用一、二維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)計(jì)流量下沿程水位與日調(diào)節(jié)下泄過(guò)程的沿程低谷水位，設(shè)計(jì)最低通航水位取兩者的下包絡(luò)線.

如果采取第1種方法計(jì)算，選定的附近水文站資料應(yīng)采用流量樣本，否則水位資料不具備一致性，同時(shí)需要考慮電站日調(diào)節(jié)影響與水位逐年下降的趨勢(shì).文獻(xiàn)［6］先計(jì)算萬(wàn)安電站下游吉安、峽江站等基本站的設(shè)計(jì)最低通航水位，再扣除非恒定流對(duì)水位的影響值(吉安、峽江站分別為0.105和0m)，其實(shí)基本站的水位逐年下降而不具備一致性;文獻(xiàn)［22］實(shí)測(cè)南盤(pán)江天生橋電站下游坡腳至八渡的波谷時(shí)段水位，建立基本站與灘段水尺波谷水位間的相關(guān)關(guān)系，以推求設(shè)計(jì)最低通航水位;文獻(xiàn)［5］也提出以日最低水位作為計(jì)算樣本，這在河床穩(wěn)定的山區(qū)河流是可行的;文獻(xiàn)［23］實(shí)測(cè)梅江的蓮辣灘電站及汀江的青溪電站一臺(tái)機(jī)組發(fā)電達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的瞬時(shí)水面線，再降低0.40m后作為電站下游航道的設(shè)計(jì)最低通航水位，這可能實(shí)用，但概念不清;文獻(xiàn)［17］對(duì)汀江青溪電站無(wú)基流下泄的下游河段溪口與三河壩(三)站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行流量保證率頻率法、日最低水位累積頻率法計(jì)算，提出日最低水位累積頻率法推算基本站設(shè)計(jì)水位、采用實(shí)測(cè)沿程波谷水位的下包絡(luò)線確定各灘段設(shè)計(jì)水位;文獻(xiàn)［3］針對(duì)新建電站下游河段資料較少的情況，提出了建立電站穩(wěn)定泄流期間水位站和灘段水位的相關(guān)曲線，或者電站泄流期間水位站和灘段的差時(shí)水位(考慮非恒定泄流的傳播時(shí)間)建立水位相關(guān)曲線，求出灘險(xiǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位;文獻(xiàn)［24］以流量作為樣本，用保證率頻率法計(jì)算設(shè)計(jì)最小通航流量，再?gòu)慕鼛啄昕菟谒涣髁筷P(guān)系曲線上查得對(duì)應(yīng)于該流量的水位作為設(shè)計(jì)最低通航水位，即將修訂頒布的《港口與航道水文規(guī)范》推薦了這種方法.

第2種方法中有水流數(shù)模計(jì)算與水沙數(shù)模計(jì)算，沖積性河流進(jìn)行長(zhǎng)系列的水沙數(shù)模計(jì)算可以看出水位的逐年下降趨勢(shì)與沿程的低谷水位，應(yīng)該說(shuō)是壩下河段設(shè)計(jì)最低通航水位最好的預(yù)測(cè)方法與確定手段，但河床組成一般沿程變化，且各層不同，很難模擬河床沖刷下切的過(guò)程，需要計(jì)算與分析相結(jié)合;對(duì)于河床較為穩(wěn)定的山區(qū)河流進(jìn)行水流數(shù)模計(jì)算，可以得到沿程低谷水位的下包絡(luò)線作為設(shè)計(jì)最低通航水位.文獻(xiàn)［25］利用一維水沙數(shù)模計(jì)算了三峽水庫(kù)蓄水5 a(對(duì)應(yīng)135m蓄水末期和156m蓄水初期)，7 a(對(duì)應(yīng)156m蓄水末期和175m蓄水初期)、10 a，15 a和20 a(均為175m正常蓄水期)等各個(gè)時(shí)期的壩下河床沖淤變化，得到沿程各水文站的各時(shí)期水位流量關(guān)系曲線，由三峽水庫(kù)調(diào)蓄、南水北調(diào)、引江濟(jì)漢等工程影響下的長(zhǎng)江中下游設(shè)計(jì)流量查得各站的設(shè)計(jì)水位，以此作為樣本進(jìn)行綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法計(jì)算，得到各站相應(yīng)保證率的設(shè)計(jì)最低通航水位.文獻(xiàn)［26］將壩下游河段的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算問(wèn)題概括為一種非線性輸入輸出的泛函關(guān)系，建立推算樞紐下游河段設(shè)計(jì)最低通航水位的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)閩江水口電站壩下觀音岐設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算.現(xiàn)在有較多的工程采用了水沙數(shù)模計(jì)算的方式［27－28］，收到了很好的效果.

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)制要求“樞紐瞬時(shí)下泄流量不應(yīng)小于原天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)的流量”，但有些電站實(shí)際運(yùn)行中往往無(wú)基流，如汀江青溪電站［17］，或者低谷流量小于設(shè)計(jì)流量，如大渡河沙灣至樂(lè)山段航道的低谷流量約為80m3/s，而天然設(shè)計(jì)流量為400m3/s［13］，這嚴(yán)重影響了壩下的航運(yùn)，是違規(guī)行為，應(yīng)加大航道執(zhí)法，堅(jiān)決制止.面對(duì)這種局面，有些學(xué)者被動(dòng)地提出了船舶等水“追峰通航”［11，13，29］，這值得商榷.

3 電站運(yùn)行對(duì)通航水流條件的影響

電站下泄的水流在時(shí)間上不恒定、空間上不均勻，引起壩下沿程流速、比降、流態(tài)的變化以及水位頻繁波動(dòng).對(duì)船舶航行而言，流速、比降的變化反映了船舶航行的水流阻力和比降阻力的變化，是影響船舶正常航行的關(guān)鍵因素，流速、流向的多變，給航行線路和航標(biāo)設(shè)置帶來(lái)很多困難.因而，電站泄流對(duì)通航水流條件的影響主要體現(xiàn)在航道內(nèi)沿程流速、流態(tài)與比降的變化.

各河流在航道規(guī)劃或整治設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)航道等級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)船型都會(huì)提出相應(yīng)的消灘水力指標(biāo)，但對(duì)壩下非恒定流的水力要素允許限值研究很少，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的要求是“樞紐進(jìn)行電站日調(diào)節(jié)引起的樞紐上下游水位的變率，應(yīng)滿足船舶安全航行和作業(yè)要求”.三峽樞紐引航道的允許限值為波動(dòng)高度小于0.5m，水面坡降小于0.4‰，縱向流速小于0.5～0.8 m/s，橫向流速小于0.15m/s，縱向系纜力小于49 kN，橫向系纜力小于 29 kN［30］.

3.1 壩下游沿程流速、流向變化

河道內(nèi)水流流速、流向與河床形態(tài)、河道縱坡有關(guān)，也與電站日調(diào)節(jié)的流量過(guò)程有關(guān):在河灘地段，當(dāng)流量削減，則灘口變陡、流速增大、主流頂沖點(diǎn)上移、流線變得彎急、掃彎水強(qiáng)度增大，灘勢(shì)迅速變壞;反之，流量回升、灘口比降減緩，主流頂沖點(diǎn)下移、掃彎水強(qiáng)度削弱、灘情好轉(zhuǎn)［4，13］.但文獻(xiàn)［11］提出漲水時(shí)同流量水面比降增大，流速也增大，因而船舶上灘阻力增大，使得原急流灘變得更急.

對(duì)船舶航行影響最大的水流條件是航道流速與水面比降同時(shí)達(dá)到最大，但三峽與葛洲壩聯(lián)合調(diào)度的研究結(jié)果表明:兩壩間最大流速與最大水面比降出現(xiàn)在不同的時(shí)間與地點(diǎn)，最大流速一般在第1個(gè)峰值流量過(guò)后約1 h發(fā)生在靠近三峽壩址的樂(lè)天溪，最大水面比降在第1個(gè)峰值流量過(guò)后約0.5 h發(fā)生在接近葛洲壩的偏腦至南津關(guān)河段［30］.

電站調(diào)峰對(duì)通航水流條件的影響往往大于日調(diào)節(jié)的影響.三峽電站汛期調(diào)峰具有流量大、流量變幅大的特點(diǎn)，在電站調(diào)峰過(guò)程中，兩壩間河段非恒定流流速、比降均較枯水期調(diào)峰有顯著增大，泡漩、回流亦更加明顯，對(duì)航運(yùn)的影響遠(yuǎn)大于枯水期調(diào)峰;日均下泄流量20000m3/s時(shí)，在調(diào)峰過(guò)程中兩壩間河段的流速、比降顯著增大，局部灘段的水流阻力己接近或超過(guò)2640 HP推輪的有效推力，萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)上行十分困難［31］.

3.2 壩下游沿程比降變化

電站峰荷時(shí)水位上漲，基荷時(shí)水位下降，加之一些小型電站負(fù)荷曲線沒(méi)有規(guī)律，使得壩下水位時(shí)漲時(shí)落，沿程比降變化非常復(fù)雜，一般漲水期間，峰前水面比降增大、退水期間峰后水面比降減小.各位學(xué)者從不同方面揭示了沿程比降的變化規(guī)律:河道縱向水面線呈波浪式曲線，波前水面比降大于波后水面比降［4］;當(dāng)上游斷面波峰到來(lái)時(shí)，隨著流量上漲斷面水位也上升，而下游斷面水位、流量仍保持原狀，故出現(xiàn)正向附加比降，使同流量水面比降增大;退水時(shí)上游先退，出現(xiàn)反向附加比降，使同流量水面比降減小，同流量漲水時(shí)水深小，落水時(shí)水深大［11］.數(shù)值計(jì)算三峽水庫(kù)日調(diào)節(jié)波對(duì)下游河道水面比降的影響表明:在電站增負(fù)過(guò)程中，下游河道沿程水面比降較恒定流的要陡;在減負(fù)過(guò)程中，沿程水面比降較恒定流計(jì)算結(jié)果要緩［32］.

4 電站運(yùn)行對(duì)壩下游河床演變的影響

電站運(yùn)行改變了壩下游的來(lái)水來(lái)沙條件，河床原來(lái)的沖淤相對(duì)平衡被打破.因電站運(yùn)行初期大壩攔截了上游大部分來(lái)沙，壩下游水流為非飽和挾沙，將沿程從床面補(bǔ)充，河床進(jìn)入了以沖刷為主的重新調(diào)整階段，隨著壩下游沖刷的發(fā)展，將造成床面泥沙粗化，同時(shí)斷面形態(tài)和縱比降相應(yīng)調(diào)整.被沖刷的床面泥沙不斷在下游堆積，堆積到一定程度將減緩上游比降，同時(shí)隨著沖刷的發(fā)展，床面泥沙粗化引起阻力增大，反過(guò)來(lái)降低上游流速，結(jié)果使得堆積體上游沖刷減緩;與此同時(shí)，堆積體下游比降逐漸增大，堆積體受到溯源沖刷、逐步?jīng)_蝕下移，因此壩下游河床沖刷是逐步下移，且距壩越近沖刷越大、距壩越遠(yuǎn)沖刷越小，沖刷部位隨時(shí)間逐漸下移，一般可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百千米甚至上千千米;下泄流量大，水流沖刷能力強(qiáng)，沖刷距離長(zhǎng)，反之，沖刷距離短.河床演變的結(jié)果是力圖恢復(fù)水流輸沙平衡，河床變形總是朝著使變形終止的方向發(fā)展.因而，電站運(yùn)行將引起灘槽與河床新的演變.

4.1 清水下泄引起壩下河床沖刷下切

壩下河床沖刷下切的程度及范圍主要受電站水沙調(diào)度方式、壩下河床組成及下游沖刷基準(zhǔn)點(diǎn)的限制，演變總的趨向是沖刷多于淤積.決定河流縱向沖淤變化的主要因素是床沙質(zhì)來(lái)量和水流挾沙力之間的對(duì)比關(guān)系，當(dāng)床沙質(zhì)來(lái)量小于水流挾沙力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)沖刷［27］.丹江口水庫(kù)壩下襄樊至利河口深泓線平均下切0.4～1.3m，但沿程各段不一致，深槽段沖刷較多、深泓下切明顯，但灘脊高程基本不變，部分淺灘還有所淤高［2］.三峽水庫(kù)2003年試運(yùn)行以來(lái)，宜昌站至大通站間長(zhǎng)江河道2003年總沖刷量為0.798億t［10］，2002年10月至2006年10月宜昌至湖口河段平灘河槽沖刷量為6.14億m3，基本以河槽沖刷為主［8］.河道發(fā)生長(zhǎng)距離沖刷后，主槽河床粗化、卵石露出，直至全年基本無(wú)懸移質(zhì)或推移質(zhì)補(bǔ)給，僅有少量卵礫石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)［2］.

擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù)的電站將加重下游河床的下切程度.如廣西賀江白垢水電站與東江干流的楓樹(shù)壩電站都是調(diào)峰電站，由于調(diào)峰使水流集中下泄，造床作用增大，從而加重了這兩個(gè)電站的下游河床下切［35］.

不同的邊界條件對(duì)壩下游河床演變具有明顯影響.文獻(xiàn)［36］分析了三峽壩下游河道的邊界條件表明:基巖質(zhì)或硬土石質(zhì)河岸邊界對(duì)河床劇烈演變起制約作用，砂－土二元邊界的河岸抗沖性很差，對(duì)河床演變的約束力較弱，主要體現(xiàn)在下荊江;黏性土質(zhì)河岸對(duì)彎道的發(fā)展起重要的抑制作用，護(hù)岸及河控工程很大程度上抑制了河床橫向變形，但易造成河床縱向的劇烈變化.

4.2 岸灘坍塌造成河道放寬、中水河槽展寬

水位頻繁的陡漲陡落，使得岸灘在滲透壓力下結(jié)構(gòu)遭受破壞，加劇了岸灘的坍塌，坍塌的泥沙在主槽和航道內(nèi)發(fā)生淤積.如丹江口水庫(kù)壩下崩岸長(zhǎng)度占岸線總長(zhǎng)的15%左右，襄樊至利河口段1968年、1978年和1984年的崩岸長(zhǎng)度占岸線總長(zhǎng)分別為33%，37%和42%［2］.

電站下游大、小水頻繁交替出現(xiàn)，一般小水走彎大水取直、小水走槽大水漫灘，因而水流動(dòng)力軸線多變，加劇了邊灘的不穩(wěn)定性，河床在沖刷下切的同時(shí)出現(xiàn)邊灘側(cè)蝕.漲水時(shí)上游灘頭沖蝕，退水時(shí)下游灘根受到?jīng)_刷和溯源沖刷，因而頻繁的漲、落水流作用下易于發(fā)生切灘，凸岸邊灘因無(wú)沙源補(bǔ)給而無(wú)法淤漲成形，造成了壩下河床逐年展寬，同時(shí)因主流頻繁擺動(dòng)，過(guò)渡性淺灘淤積加劇，使航道難以穩(wěn)定.如丹江口壩下襄樊至利河口河段20余年來(lái)河床平均展寬643m，較原河寬增加了80%，平均每年的展寬速度達(dá)27m左右［2］.

電站下游河道的展寬可能減小灘上水深，文獻(xiàn)［33］分析1968—1984年丹江口水庫(kù)下游的河床演變表明:水庫(kù)蓄水運(yùn)行后枯水流量增大約1.7倍，灘上水深相應(yīng)加大，但河床因清水沖刷而水位下降，灘上水深平均增加僅0.5m左右，在展寬為主的河道灘上水深增加不明顯，有的反而減小.

4.3 水沙過(guò)程變化造成河道趨直、支汊萎縮

調(diào)節(jié)水庫(kù)調(diào)蓄后，一般枯水流量增加、中水持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，河道內(nèi)一般枯水走彎洪水取直，造成中水邊灘被逐步?jīng)_蝕或者出現(xiàn)切灘，河道逐漸趨直.水庫(kù)調(diào)蓄以后因洪峰削減，在分汊河段造成支汊逐漸淤積萎縮，分流比發(fā)生明顯變化，河道逐年向單一河道轉(zhuǎn)化.如丹江口壩下襄樊至利河口段近年發(fā)生的大小撇彎切灘現(xiàn)象有13處，有巴家洲灘群的胡家套、白路嶺灘群的易家瑙和流水溝等處;壩下襄樊叫驢灘是裁彎取直后形成新的分汊河道，主汊發(fā)育迅速、支汊萎縮［2］.

4.4 水沙運(yùn)動(dòng)頻繁變化造成航槽不穩(wěn)定

調(diào)節(jié)水庫(kù)調(diào)蓄后，一般洪峰削平，縮短了落水歷時(shí)，可往往因落水時(shí)不能將淤積在航道內(nèi)的泥沙沖走而引發(fā)中水出淺礙航.如丹江口水庫(kù)下游三灘在流量為2729 m3/s時(shí)灘上最小水深僅0.9 m［33］.

電站的日調(diào)節(jié)流量過(guò)程往往造成壩下河道每天水位變化頻繁，特別是擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù)的電站壩下水沙改變了原有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，出現(xiàn)漲水淤灘落水淤槽，造成航槽不穩(wěn).文獻(xiàn)［11］認(rèn)為，漲水時(shí)主槽水位高于灘地，產(chǎn)生斜向螺旋流、其底流由主槽斜流向?yàn)┑?、將主槽泥沙帶向?yàn)┑兀l(fā)生刷槽淤灘;退水時(shí)灘地水位高于主槽，斜向環(huán)流的底流由灘地流向主槽、將灘地泥沙帶到主槽、發(fā)生刷灘淤槽，但沖刷多在上段、淤積在下段，易導(dǎo)致航道出淺.

5 應(yīng)對(duì)策略與措施

電站運(yùn)行對(duì)壩下游航道有利有弊，要充分利用有利的因素，采取措施化解不利的影響，應(yīng)對(duì)的策略主要有以下工程措施與非工程措施.

(1)穩(wěn)定基流、限制最小泄流量 《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)制要求“樞紐瞬時(shí)下泄流量不應(yīng)小于原天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)的流量”.因而，電站應(yīng)穩(wěn)定基流、限制最小泄流量;對(duì)于大型電站，在不減小電站負(fù)荷調(diào)峰變幅條件下，可適當(dāng)擴(kuò)大裝機(jī)容量、增設(shè)備用機(jī)組、提高航運(yùn)基荷.可設(shè)置滿足航運(yùn)設(shè)計(jì)流量要求的小型發(fā)電機(jī)組［11］，三峽電站的航運(yùn)基荷由113 GW 提高為115 GW，相應(yīng)通航水流條件的各項(xiàng)指標(biāo)將有明顯降低［7，9］.

(2)科學(xué)調(diào)度、減少航運(yùn)損失 電站一般擔(dān)負(fù)著調(diào)峰任務(wù)，調(diào)峰時(shí)往往影響著航運(yùn)和其他方面的效益，采取科學(xué)調(diào)度的調(diào)峰方案，在增加電站出力的同時(shí)，尋求符合航運(yùn)條件的調(diào)峰曲線是水資源綜合利用的要求，經(jīng)過(guò)研究是可以達(dá)到的.如文獻(xiàn)［37］以符合航運(yùn)條件為約束條件將三峽的調(diào)峰曲線進(jìn)行優(yōu)化處理，利用葛洲壩0.18億m3庫(kù)容對(duì)三峽調(diào)峰流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，可以在一定程度上有效控制調(diào)峰流量的變化，通過(guò)削峰填谷的方式達(dá)到航運(yùn)要求.文獻(xiàn)［7］優(yōu)化葛洲壩樞紐“反調(diào)節(jié)”的下泄流量過(guò)程，充分發(fā)揮其對(duì)調(diào)峰電站下泄流量過(guò)程的“削峰填谷”功能，三峽電站擴(kuò)機(jī)增容至22.14 GW后，按原設(shè)計(jì)的11月份調(diào)峰方案的反調(diào)節(jié)泄流過(guò)程運(yùn)行，兩壩間水位最大日變幅可由4.0m/d降為3.70m/d，其他通航條件以及宜昌河段的相應(yīng)通航條件都能滿足航運(yùn)要求.

(3)修建反調(diào)節(jié)樞紐 對(duì)擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù)的大型樞紐而言，在其下游修建“反調(diào)節(jié)”樞紐是改善壩下河段水流條件最有效的手段.如葛洲壩樞紐反調(diào)節(jié)三峽樞紐后，兩壩間及宜昌河段的通航水流條件控制在航運(yùn)允許范圍以內(nèi)［9］.針對(duì)彭水電站發(fā)電與下游航運(yùn)的矛盾，文獻(xiàn)［16］提出兩種方式:一是減少電站的工作容量，少承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)，顯然這將限制彭水電站的效益發(fā)揮;二是在彭水電站下游興建反調(diào)節(jié)梯級(jí)，以減小非恒定流對(duì)航運(yùn)的不利影響，這樣既兼顧了航運(yùn)，又能充分發(fā)揮彭水電站的發(fā)電效益，是解決彭水電站發(fā)電與航運(yùn)矛盾的有效途徑.文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步提出，在不增大河道型水庫(kù)壩前水位變幅的條件下，對(duì)兩壩間河段沿程支流和岸邊洼地、凹灣進(jìn)行浚深和整治，可提高其調(diào)蓄能力.

(4)壩下沙源補(bǔ)充或者護(hù)底 壩下河道河床變形中的許多不利因素多由清水下泄沖刷而引起，國(guó)外不少樞紐將壩上泥沙轉(zhuǎn)移到壩下河道，以減緩河道下切速度或壩下河床演變的進(jìn)程.如萊茵河兩岸因受人工控制，壩下河道的河床下切現(xiàn)象非常嚴(yán)重(除清水下泄外，還有河床下采礦原因)，為阻止河床下切和水位下降，聯(lián)邦德國(guó)采取了依弗茨海姆壩下河道人工加放推移質(zhì)，同時(shí)在深槽部位人工充填砂石、充填層上再用較大的塊石護(hù)面，這樣不但調(diào)整了橫斷面形態(tài)與局部河段的比降、抑制了水面下降，也改善了深槽段航窄水急的通航條件［2］.

6 有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題

近年來(lái)，有些電站建設(shè)中陸續(xù)開(kāi)展了電站對(duì)航運(yùn)的影響研究，特別是三峽水利樞紐工程也進(jìn)行了類(lèi)似較為深入的研究，但仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步探討:

(1)全面系統(tǒng)地進(jìn)行壩下水文地形觀測(cè) 現(xiàn)在已建不少樞紐，研究電站泄流對(duì)航道的影響需要全面系統(tǒng)的資料，針對(duì)日調(diào)節(jié)運(yùn)行，需要壩下沿程、連續(xù)、同步、逐時(shí)的水位觀測(cè)資料，逐年的地形資料，以及沿程、逐年的床沙或懸沙級(jí)配資料等，這是深入研究的基礎(chǔ).

(2)電站日調(diào)節(jié)引起的水位小時(shí)變幅限值研究 不同的航道等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)船型可以適應(yīng)小時(shí)水位變幅的不同限值，這是航運(yùn)對(duì)電站調(diào)度運(yùn)行提出的直接而基本的指標(biāo).

(3)壩下河床與航道演變規(guī)律研究 電站日調(diào)節(jié)與泄洪運(yùn)行后，壩下的水沙過(guò)程發(fā)生了變化，壩下河床年內(nèi)與年際間將發(fā)生相應(yīng)調(diào)整，航道的灘槽變化將遵循新的演變規(guī)律，同時(shí)電站的調(diào)節(jié)能力也將影響壩下河床與航道的演變.

(4)電站日調(diào)節(jié)引起的船舶靠泊條件與系纜力的影響研究 電站日調(diào)節(jié)引起壩下水位變化頻繁，將影響船舶的靠泊條件與碼頭的作業(yè)，并影響船舶的系纜力.目前系纜力影響已有初步研究［38］，但不同碼頭與船型可以適應(yīng)的小時(shí)水位變幅的限值仍有待確定.

(5)反調(diào)節(jié)樞紐的實(shí)時(shí)調(diào)度方案研究 在擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù)的大型樞紐下游修建“反調(diào)節(jié)”樞紐是改善壩下河段通航水流條件的最有效手段，但反調(diào)節(jié)樞紐的調(diào)度原則、反調(diào)節(jié)庫(kù)容多少合適、反調(diào)節(jié)樞紐運(yùn)行曲線與上游樞紐調(diào)峰曲線的相互關(guān)系等都有待進(jìn)一步研究.

(6)壩下河床下切、床面粗化與水位下降等問(wèn)題研究 壩下非飽和水流必將引起河床下切，在下切過(guò)程中將出現(xiàn)床面粗化［35］，河床下切的最終結(jié)果是壩下水位下降，河床下切與壩下水位下降有一定的關(guān)系，這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步深入研究.

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