三峽水庫(kù)175 m 蓄水初期庫(kù)區(qū)沿程水位分析

胡 鵬，楊勝發(fā)，胡 江

(1.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430011;2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074)

三峽水庫(kù)2003年6月起成功實(shí)施135～139 m、144～156 m蓄水，2008年汛后又實(shí)施了175～145～155 m試驗(yàn)性蓄水，目前，三峽水庫(kù)已經(jīng)開始175 m正常蓄水運(yùn)行階段。

庫(kù)區(qū)沿程水位對(duì)于航道、水運(yùn)等各項(xiàng)工程的規(guī)劃和建設(shè)是個(gè)重要的數(shù)據(jù)。受三峽蓄水影響，庫(kù)區(qū)水流條件發(fā)生了較大改變。因此原有的設(shè)計(jì)水位已不再適用。針對(duì)三峽蓄水后的情況，長(zhǎng)江科學(xué)院先后于1995年和2004年對(duì)其水位及淤積進(jìn)行了計(jì)算分析。目前大多采用2004年計(jì)算成果。

近幾年來通過原型觀測(cè)，已經(jīng)取得了三峽水庫(kù)第1手觀測(cè)資料，對(duì)于各蓄水階段的情況有了初步的認(rèn)識(shí)［1］。而對(duì)于常用的長(zhǎng)江科學(xué)院的計(jì)算成果也有必要進(jìn)行重新分析校核，為日后能夠更好的開展三峽庫(kù)區(qū)各項(xiàng)工作的分析研究打下基礎(chǔ)。

1 成庫(kù)初期沿程水位計(jì)算

1.1 數(shù)學(xué)模型

由于所研究的問題為長(zhǎng)河段、長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)發(fā)生的，在實(shí)際計(jì)算中對(duì)一維水流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化［2］。將整個(gè)計(jì)算時(shí)段劃分為小的計(jì)算時(shí)段，將長(zhǎng)河段劃分為若干個(gè)短河段，可按恒定非均勻流考慮，水流運(yùn)動(dòng)變?yōu)椋?－4］:

式中:Z2、Z1為計(jì)算段上、下游斷面水位;V2、V1為計(jì)算段上、下游斷面平均流速;α2、α1為計(jì)算段上、下游斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，一般取1.05;hf為沿程水頭損失;hj為局部水頭損失。

在流量、尾段水位和水頭損失確定后，即可由式(2)算出河道斷面的各水力要素［5］。其中斷面綜合糙率采用Einstein的阻力疊加法確定。

1.2 糙率系數(shù)分析

1.2.1 地形資料

全河段均采用長(zhǎng)委水文局2008年10月的大斷面地形數(shù)據(jù)，其中在江津到銅鑼?shí){段大斷面間距較大的河段用長(zhǎng)江航道局2005年的測(cè)圖補(bǔ)充斷面，測(cè)圖比例1∶5000。

1.2.2 水文數(shù)據(jù)選擇

三峽大壩—江津河段較長(zhǎng)，中間主要有嘉陵江、烏江2大支流匯入，在本計(jì)算當(dāng)中按照分段恒定流來考慮。朱沱站控制江津—朝天門河段，寸灘站控制朝天門—涪陵河段，萬(wàn)州站控制涪陵—三峽大壩河段。資料收集了2007、2008年三峽庫(kù)區(qū)沿程每日平均水位(共25個(gè)水位站)以及朱沱、寸灘、清溪場(chǎng)、萬(wàn)州水文站的每日平均流量數(shù)據(jù)。2008年根據(jù)壩前水位調(diào)度情況，日均水位過程見圖1。可以看出，此時(shí)試運(yùn)行階段已經(jīng)接近175～145～155 m正常蓄水條件下的調(diào)度情況。

圖1 2008年日均水位變化Fig.1 Daily mean water levels of 2008

1.2.3 計(jì)算斷面劃分

計(jì)算范圍從三峽大壩到水庫(kù)回水末端(即紅花磧，距宜昌里程720 km)之上的江津，航道里程為46.5～734 km。計(jì)算斷面綜合考慮了河道形態(tài)、水流條件以及計(jì)算工作量等因素。共劃分424個(gè)計(jì)算斷面，豐都以下平均斷面間距1.93 km;豐都以上平均斷面間距1.28 km。

1.2.4 模型驗(yàn)證

為盡量準(zhǔn)確地模擬出175～145～155 m運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的庫(kù)區(qū)沿程水位情況，現(xiàn)選取與175～145～155 m運(yùn)行方式最接近的2007—2008年按144～156 m運(yùn)行和2008年開始的175～145～155 m試運(yùn)行2個(gè)階段2年的庫(kù)區(qū)水位流量過程數(shù)據(jù)，作為模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)這2年的壩前水位調(diào)度過程、庫(kù)區(qū)沿程各水文站及水位站的水位流量過程分階段選取多個(gè)需要驗(yàn)證的流量級(jí)。選取要驗(yàn)證的流量級(jí)時(shí)考慮的因素主要有:

1)壩前調(diào)度階段實(shí)測(cè)水位與計(jì)算起始水位對(duì)應(yīng);

2)所選驗(yàn)證流量－水位與要計(jì)算的流量－水位盡量接近;

3)考慮到本次計(jì)算目的，故需分析計(jì)算河段沿程主要控制水文站的水位、流量過程，根據(jù)水文特征找出次歷時(shí)洪水過程;

4)考慮到數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性，需選擇多組洪水過程驗(yàn)證對(duì)比。經(jīng)過反復(fù)篩選，從2008年實(shí)測(cè)水位、流量中選定8組次洪水過程進(jìn)行驗(yàn)證，見表1。

表1 驗(yàn)證時(shí)間選取Tab.1 The verification time selected

針對(duì)表1所選取的8個(gè)接近于175～145～155 m正常運(yùn)行期驗(yàn)證時(shí)間段洪水過程一一進(jìn)行了庫(kù)區(qū)沿程共25個(gè)水位站水位的驗(yàn)證，圖2為三峽庫(kù)區(qū)沿程水面線驗(yàn)證結(jié)果圖，表2為庫(kù)區(qū)沿程部分站點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證差值和驗(yàn)證所確定的河段糙率。

圖2 計(jì)算與實(shí)測(cè)水位驗(yàn)證Fig.2 The water level verification between calculated values and measured

表2 沿程水位驗(yàn)證差值及糙率Tab.2 The longitudinal water level verify and the roughness /m

對(duì)所有具有實(shí)測(cè)水位的25個(gè)站進(jìn)行了實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位的對(duì)比和分析，兩者差值較小，偏差在正負(fù)10 cm，所以數(shù)學(xué)模型計(jì)算水位與實(shí)際情況吻合較好。

1.2.5 驗(yàn)證糙率系數(shù)分析

分析各次驗(yàn)證洪水的糙率，發(fā)現(xiàn)糙率與沿程河段位置具有較好的相關(guān)關(guān)系，趨勢(shì)一致，固定河段的糙率值相差不大。汛期洪水條件下，由驗(yàn)證水位確定的糙率值與沿程河段關(guān)系見圖3。可以看出，驗(yàn)證糙率分布緊致，說明在洪水期沿程河段糙率較為相近。所以認(rèn)為驗(yàn)證糙率的平均值在計(jì)算時(shí)具有一定的代表性?？紤]采用各時(shí)期驗(yàn)證洪水水面線的糙率的平均值作為本次計(jì)算的糙率系數(shù)值用于水面線的計(jì)算。

圖3 驗(yàn)證洪水糙率－河段關(guān)系Fig.3 The longitudinal verify roughness in reach

2 成果分析

在確定了各計(jì)算的水位，流量及選定的糙率值后。選取了洪水期壩前調(diào)度水位145 m條件下于萬(wàn)州流量40 000 m3/s進(jìn)行計(jì)算，所得值與2008年的接近于選取流量的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)際吻合良好。認(rèn)為采用的糙率合理，可用于計(jì)算。

根據(jù)長(zhǎng)江科學(xué)院成果［6－7］，對(duì)于洪水期，壩前調(diào)度條件下特征洪水5%洪水考慮“淤積0年”所得的計(jì)算值，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)在涪陵以下部分，水面線吻合程度較好，涪陵到重慶段差值較涪陵以下段增大。根據(jù)長(zhǎng)科院資料中站點(diǎn)對(duì)比，站中最大差值在長(zhǎng)壽位置，差值為－0.283 m，最小差值在寸灘位置，差值為0.181 m。

枯水期，壩前調(diào)度水位175 m時(shí)，5%計(jì)算結(jié)果與長(zhǎng)科院同條件考慮“淤積0年”計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析［8］，對(duì)比站中差值最大地點(diǎn)為涪陵，差值為 －0.256 m，最小差值在萬(wàn)州，差值為－0.097 m。但是發(fā)現(xiàn)本次計(jì)算值總體要略小于長(zhǎng)科院計(jì)算成果。

由分析發(fā)現(xiàn)，二者計(jì)算總體一致。由于本次是采用接近175 m成庫(kù)后地形計(jì)算。所以認(rèn)為長(zhǎng)科院成果合理。能反映成庫(kù)后正常調(diào)度情況下的沿程水位特點(diǎn)［9］。

對(duì)于本次計(jì)算，我們是以驗(yàn)證糙率的平均值作為計(jì)算值。這種分析方法還不具有一定的代表性。可能會(huì)給計(jì)算帶來一定的誤差，還需要在以后的工作中繼續(xù)總結(jié)分析。

3 結(jié)語(yǔ)

1)鑒于目前恒定流計(jì)算比較成熟，筆者采用長(zhǎng)河段一維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)整個(gè)河段進(jìn)行分段恒定流模擬。以2007年和2008年實(shí)測(cè)地形、水位和流量(1985—2008年)資料，根據(jù)壩前水位典型調(diào)度方案中的水文過程，驗(yàn)證出沿程河段的綜合糙率系數(shù)。

2)通過分析沿程糙率關(guān)系后，采用沿程河段平均糙率的方法，以特征洪水流量和典型壩前調(diào)度水位，計(jì)算出175～145～155 m蓄水運(yùn)行階段下各頻率洪水的沿程水面線。

3)采用長(zhǎng)科院計(jì)算成果和局部河段的實(shí)測(cè)水位資料分別對(duì)本次計(jì)算成果進(jìn)行分析，根據(jù)水位對(duì)比，二者結(jié)果基本一致。認(rèn)為長(zhǎng)科院成果合理，具有一定的代表性。

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