三峽水庫運用對壩下游干流河道水文情勢的影響研究

黃 悅，姚仕明，盧金友

（長江科學(xué)院a.河流研究所；b.院長辦公室，武漢 430010）

三峽水庫運用對壩下游干流河道水文情勢的影響研究

黃 悅a，姚仕明a，盧金友b

（長江科學(xué)院a.河流研究所；b.院長辦公室，武漢 430010）

三峽水庫調(diào)度運用改變壩下游水沙條件，會對壩下游河道水文情勢產(chǎn)生影響。利用壩下游長河段一維水沙數(shù)學(xué)模型計算分析了豐水年、平水年與枯水年情況下三峽水庫調(diào)度運用對壩下游干流河道沿程流量、水位及輸沙量的影響。結(jié)果表明：枯水期與泄水期出庫流量增加，壩下游沿程枯水位相應(yīng)抬高；蓄水期下泄流量減少，同時期沿程水位下降；遇枯水年，水庫蓄水使得壩下游來流量過小（10月下旬大通站平均流量小于9 000 m3／s）；遇平水年蓄水期，中下游水位下降較多，沿程水位下降1.71～3.68 m，對壩下游河道的航運及供水等帶來一定的影響。

三峽工程；典型水文年；水文情勢；數(shù)學(xué)模型

三峽工程于2003年6月開始蓄水運用，汛期按135 m、枯季按139 m水位運行；2006年汛后水位抬升至156 m，汛期水位則按144～145 m運行；2008年汛后，三峽工程進入175 m試驗性蓄水階段，2010年10月26日三峽水庫成功蓄水至175 m水位運行，正在發(fā)揮防洪、發(fā)電、通航及補水等綜合效益。

三峽水庫調(diào)度運用后，下泄的水沙條件已較自然條件下發(fā)生了較大變化，影響壩下游干流河道的水文情勢，進而對壩下游河道防洪、航運、供水及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生影響，故開展三峽水庫調(diào)度運用對壩下游干流河道水文情勢的影響研究具有十分重要的實際意義。本文利用壩下游長河段一維水沙數(shù)學(xué)模型計算分析了典型水文年條件下三峽水庫運用對壩下游干流河道流量、水位與輸沙量的影響，提出了三峽水庫蓄水運行對壩下游干流河道水文情勢影響的定量成果，可供三峽水庫調(diào)度與壩下游河道治理參考。

1 一維水沙數(shù)學(xué)模型補充驗證

本文采用已建立的三峽工程壩下游長河段一維水沙數(shù)學(xué)模型［1］，并利用新的實測資料對模型開展進一步驗證。

1.1 驗證計算條件

驗證計算河段為宜昌至大通，全長約1 123 km（圖1）。計算起始地形采用長江委水文局2002年、2003年施測的1／10 000水道地形圖。計算時段為2003年至2009年，一天一個時段。進口水沙條件：長江干流進口水沙由宜昌站相應(yīng)時段的逐日流量、含沙量控制，干流區(qū)間支流清江、漢江入?yún)R以及洞庭湖和鄱陽湖出流水沙均采用同期的實測資料；下游出口控制水位采用大通站水位流量關(guān)系插值確定；荊江三口分流分沙按口門水位預(yù)分流試算確定。

1.2 長江干流河段沖淤驗證

根據(jù)長江委水文局公布資料，2003年至2009年宜昌－湖口河段累計沖刷量實測值8.802億m3，其中宜昌－枝城河段沖刷1.19億m3，上荊江河段沖刷1.865億m3，下荊江河段沖刷2.596億m3，城陵磯－武漢河段沖刷0.798億m3，武漢－湖口沖刷2.353億m3（表1）。

表1 宜昌至湖口河段2003－2009年沖淤量驗證Table 1 Verification of erosion and siltation volume from Yichang to Hukou during 2003－2009

三峽水庫蓄水運用至2009年，數(shù)學(xué)模型計算宜昌－湖口河段累計沖刷量8.501億m3，較實測值略小，相對誤差－3.4%。其中，宜昌－枝城河段累計沖刷計算值為1.055億m3，相對誤差為－11.4%；上荊江河段累計沖刷計算值為1.914億m3，相對誤差為2.6%；下荊江河段累計沖刷計算值為2.544億m3，相對誤差為－2.0%；城陵磯至武漢河段累計沖刷計算值為0.836億m3，相對誤差為4.8%；武漢－湖口河段累計沖刷計算值為2.152億m3，相對誤差為－8.6%。

計算結(jié)果表明：各分段計算沖淤性質(zhì)與實測一致，除宜昌－枝城河段和武漢－湖口河段的沖刷量計算誤差偏大外，其他河段的計算誤差均小于5%以內(nèi)。本次驗證的宜昌－枝城河段和武漢－湖口河段沖刷量計算誤差偏大，其主要原因是實測值中包括了河道采砂量，若扣除這部分量，模型計算誤差就比較小了。

1.3 主要站水位流量關(guān)系對比

以2006年、2008年宜昌、沙市、螺山、武漢、九江5站實測資料點繪水位流量關(guān)系曲線，同時標出計算的水位流量關(guān)系點，兩者對比結(jié)果見圖2。由圖可知：沙市站的計算點除流量在10 000～20 000 m3／s之間，水位值較實測值略低0.1～0.2 m外，武漢站的計算點除流量在20 000～30 000 m3／s之間，水位值較實測值略低0.1～0.2 m外，其他的基本上都在實測點帶之內(nèi)；宜昌、螺山、九江站的計算水位值與實測值吻合較好，基本上都在實測點帶之中；流量大于35 000m3／s以上，除螺山站的計算點在實測點帶的上緣或稍偏大外，其他站計算點均在實測點帶的范圍內(nèi)，符合較好。

圖1 長江干流宜昌至大通河道示意圖Fig.1 River channel from Yichang to Datong in Yangtze river mainstream

2 三峽水庫運用對壩下游干流河道水文情勢的影響

三峽水庫按正常蓄水調(diào)度方式運用，下泄水量隨水庫調(diào)度方式運用改變壩下游水沙過程的年內(nèi)分布，不同自然水文年經(jīng)三峽水庫的調(diào)度運用，其出庫水沙過程也不一樣，從而對壩下游干流河道水文情勢的影響也不同。為了揭示三峽工程調(diào)度運用對不同典型年壩下游干流河道水文情勢的影響，特以豐水、平水及枯水年份為對象，研究三峽水庫調(diào)度運用對壩下游干流河道水文情勢的影響。

2.1 豐平枯水文年確定

長江中下游入流量主要來自宜昌以上及兩湖（洞庭湖、鄱陽湖）兩江（清江、漢江）入?yún)R，其下游大通站為主要控制站，宜昌以上來水量占大通站總來水量的48%，洞庭湖四水和鄱陽湖五河來水量分別占大通站總量的23%、17%，清江、漢江來水量分別占大通站總量的5%和7%。由于受各區(qū)域的降水分布及程度的影響，沿程主汛期不一，選用同一水文年代表全程的豐、平、枯水平年份存在一定的難度。

為了定量研究三峽水庫運用對壩下游干流河道水文情勢的影響，采用長江中下游宜昌至大通段主要水文站長系列年徑流量實測資料，計算各站的經(jīng)驗頻率曲線，然后比較中下游各站同頻率代表年的差異，綜合分析適合全河段豐、平、枯的代表年［2］。宜昌、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、大通各站選用的年份系列超過50年，均能滿足《水文計算規(guī)范》概率統(tǒng)計的要求。經(jīng)統(tǒng)計分析，因1998年在各站中出現(xiàn)的頻率均小于3.6%，且資料齊全，故以1998年作為長江中下游河段內(nèi)的豐水年比較合適；沿程各站頻率大于90%的枯水年出現(xiàn)機率較多，去掉最枯年份2006年、1972年和1978年，沿程各站均出現(xiàn)頻率大于90%（監(jiān)利站除外），監(jiān)利站主要是受當(dāng)時下荊江中洲子、上車灣兩處人工裁彎和沙灘子自然裁彎的影響，改變了下荊江的過流能力，使監(jiān)利站年徑流量頻率受到影響。故以1972年和1978年代表長江中下游河段內(nèi)的枯水年比較合適。長江中下游沿程各站多年平均徑流量值處于各自的計算頻率為44%～53%，而各站計算頻率為40%～55%的年份較多，但某一平水年年份同時出現(xiàn)在各站的情況很少，而1977年除沙市站外其它各站均出現(xiàn)。1977年各站的年徑流量值與各自的多年平均徑流量值比較看，偏差較大的是沙市站，宜昌站次之，其它站偏差小于±4.4%。因此選1977年代表長江中下游河段內(nèi)的平水年較為合適。

經(jīng)統(tǒng)計分析，長江中下游宜昌至大通河段內(nèi)豐水、平水、枯水代表性水文年見表2：豐水年由1998年代表，除沙市站計算頻率小于2%以外，其它各站的計算頻率在3.3%左右，相當(dāng)于30年一遇的水文年頻率；中（平）水年由1977年代表，除沙市站外，沿程各站的計算頻率為40%～55%之間，相當(dāng)于2年一遇的水文年頻率；枯水年選用2個典型年，城陵磯以上由1972年代表，城陵磯以下由1978年代表，沿程各站的計算頻率基本大于95%（除監(jiān)利站外），即枯水年保證率為94%～98%。

圖2 水位流量關(guān)系比較Fig.2 Stage-discharge relations at different hydrological stations

表2 長江中下游不同典型年與計算頻率比照表Table 2 Contrast of different typical years and calculation frequencies in them idd le and lower Yangtze River

2.2 三峽水庫調(diào)度運用后壩下游干流河道流量變化

2.2.1 水庫調(diào)度后壩下游多年平均流量變化

水庫按正常蓄水175 m方式運行時（2009年9月以后），由于水庫調(diào)度特點，汛期（6月11日至9月底）一般年份水庫基本敞泄，大通站來水量變化不大。汛后水庫開始蓄水，下泄流量減小，大通站流量隨出庫流量減小而減小，10月份平均流量相對建庫前減小8 200 m3／s?？菟?至4月水庫為滿足航運要求，蓄水位不低于枯季消落水位155 m運用，故1至3月份出庫流量普遍增加，大通站月平均流量相應(yīng)增加1 080～1 790m3／s。由于6月中旬庫水位要降到防洪限制水位145 m，5月份出庫流量加大，大通站月平均流量比建庫前月平均值增大3 710 m3／s（表3）。

表3 三峽水庫運用后大通站年內(nèi)流量變化（175－145－155 m運用方式）Table 3 Changes of annual flow runoff after TGP’s operation at Datong hydrological station

表4 三峽水庫運用后大通站流量變化表Table 4 Changes of discharge after TGP’s operation at Datong hydrological station m3／s

2.2.2 水庫調(diào)度后壩下游豐平枯水平年流量變化

上述分析是考慮大通站多年平均情況。大通站天然年來水量變化復(fù)雜，影響因素多，牽涉面廣，故選擇豐、平、枯典型年進行初步預(yù)估。三峽水庫初設(shè)階段的調(diào)度方式，在枯水期是一月調(diào)一次，因此在以下分析中，枯水期（11，12，1－5月）以月平均進行統(tǒng)計。

根據(jù)大通站1951－1999年實測資料分析，大通站年來水量為9 050億m3，1977年型接近多年平均水平，代表平水年；豐水年以1998年型代表；枯水年份較多，考慮枯期1－3月及蓄水期10月，枯水年選擇1978年型代表。三峽水庫調(diào)度運用后，大通站流量根據(jù)相應(yīng)年份水庫調(diào)度后的計算值與平、豐、枯水平年對應(yīng)，比較情況見表4。

平水年：水庫調(diào)度運用后蓄水期流量減少，枯水期流量增加。蓄水期10月平均流量比建庫前平水年減少7 620m3／s，其中10月上旬平均流量減小最多約8 470 m3／s；枯水期1－3月平均流量比建庫前平水年增加420～1 520 m3／s，其中2月份平均流量增加較多；汛前5月份為了騰空防洪庫容下泄流量增加，5月的平均流量增加較多，約增加6 220 m3／s。平水年大通站月平均最小流量大于10 580m3／s，出現(xiàn)在3月份。

豐水年：水庫調(diào)度運用后大通站蓄水期10月平均流量比建庫前豐水年減少6 780m3／s，其中10月中旬平均流量減小最多約8 460m3／s；枯水期1－3月平均流量比建庫前豐水年增加1 630～2 640 m3／s，其中2月份平均流量增加較多。豐水年大通站月平均最小流量大于11 300 m3／s，出現(xiàn)在12月份。

枯水年：水庫調(diào)度運用后大通站蓄水期10月平均流量比建庫前枯水年減少6 240 m3／s，其中10月上旬平均流量減小最多約6 690 m3／s；枯水期1－3月平均流量比建庫前枯水年增加1 780～3 060 m3／s，其中3月份平均流量增加較多?？菟甏笸ㄕ驹缕骄钚×髁? 970 m3／s，出現(xiàn)在10月下旬。

由表4看出，三峽水庫蓄水運用后，水庫調(diào)度對豐水年的來水情況影響相對較小，而平、枯水年的枯水期流量相對增加較多，改善了壩下游枯水期流量小的不利條件。但水庫蓄水期（10－11月份）下泄流量減少，特別是10月下旬流量減少較多，且小于11月份平均流量26%～33%，縮短了壩下游河道淺灘段的走沙過程，對通航產(chǎn)生不利影響，同時枯水期時段延長以及河道沖刷，對壩下游的供水將帶來新的影響。另外，汛前5月為了防洪下泄流量增加，對壩下游的春汛排澇也帶來新的影響。因此，需在考慮壩下游支流水系來水的具體情況下，對三峽水庫采取動態(tài)與科學(xué)合理的調(diào)度，盡可能減少對壩下游的不利影響。

2.3 水庫調(diào)度運用后長江中游主要站水位變化

三峽水庫運用后，水庫調(diào)度即蓄水期和泄水期改變了壩下游來水過程及年內(nèi)水量分布，沿程水位也相應(yīng)發(fā)生變化（表5）：蓄水期（10月）沿程水位下降，泄水期（5月）和枯水期（1－3月）沿程水位抬高。另外壩下游河床沖刷對中游河段的中枯水位下降也有一定的影響。三峽工程蓄水后壩下游沿程水位變化主要以沙市、監(jiān)利、螺山、漢口和九江站蓄水前后的水位進行對比分析，典型年采用前面確定的豐平枯水平年?？紤]壩下游河段的水位變化一致性，枯水年統(tǒng)一選用1978年，豐水年和平水年不變，仍為1998年和1977年。

計算結(jié)果表明，三峽工程按正常蓄水位175－145－155m方式蓄水運用后，長江中下游沿程水位變化明顯?？菟冢?－3月）水庫下泄流量增加，壩下游水位相對蓄水前普遍抬高，其中枯水年受益較大，沙市至九江段各站月平均枯水位抬高1.96～0.57 m；泄水期（5月）水庫加大泄量，下游水位相對抬高，其中平水年受影響較大，沿程各站月平均水位相對抬高1.75～1.06 m；蓄水期（10月）水庫下泄流量減少5 200～8 500 m3／s，下游沿程旬平均水位相對下降1.25～3.68 m，其中平水年的水位下降較多。

綜上所述，三峽水庫運用后，壩下游沿程枯水期水位均有所抬高，其中枯水年水位抬高較多，豐水年次之，平水年抬高相對較少，遇枯水年時枯水期水位抬高0.57～1.96 m；沿程水位變化為：荊江河段水位抬高較多，城陵磯－漢口河段次之，漢口以下水位抬高相對較少。但蓄水期壩下游沿程水位均受到不同程度的下降，其中平水年水位下降較多，豐水年次之，枯水年水位下降較小。平水年時，蓄水期旬平均水位下降1.71～3.68 m，一般10月中下旬的水位下降較多，主要與來水條件相關(guān)，如果水庫蓄水期適當(dāng)提前，可緩解壩下游10月中下旬的低水位問題。

2.4 三峽水庫調(diào)度運用后壩下游主要站輸沙量變化

三峽工程2003年蓄水運用至2006年，水庫入庫沙量偏少，2003－2006年入庫輸沙量（寸灘＋武隆）分別為2.2，1.84，2.74，1.12億t，宜昌相應(yīng)來沙量分別為0.98，0.64，1.1，0.091億t。對于小水少沙年或者大水豐沙年情況時，長江中下游輸沙量如何，本文根據(jù)計算系列年中的小水少沙年及大水豐沙年各站輸沙量進行相似比較分析。

在計算系列年中，三峽水庫出庫（宜昌站）年來沙量較小的年份有1969年型、1994年型，年來沙量較多的年份有1964年型、1968年型、1998年型。三峽工程蓄水運用至2012年和運用至2018年，宜昌站年輸沙量較少的1994年型為0.89，0.66億t，1969年型為0.9，0.98億t。上述少沙典型年的年輸沙量與三峽工程蓄水后2003－2005年的來沙情況基本相近，而長江中下游螺山、漢口、大通站相對應(yīng)的年輸沙量分別為1.35～2.08億t、1.71～2.72億t和1.72～2.93億t，比蓄水后3年年輸沙量分別減少45%～57%，20%～36%，25%～38%（表6），其中螺山站減少較多，漢口、大通2站減少較少。對少沙年而言，上游下泄沙量少，中下游輸沙量也相應(yīng)減少。三峽工程蓄水運用初期漢口至大通河段呈微沖微淤狀態(tài)，而漢口以下段因支流、湖泊入?yún)R的沙量不變，故水庫下泄沙量減少的影響比上段要小些。

三峽工程蓄水運用后對于出庫年輸沙量較多的有1998年型2.76億t和2.82億t、1968年型2.47億t和2.59億t、1964年型2.22億t（宜昌站），相應(yīng)長江中下游螺山、漢口、大通站年輸沙量分別為3.41～3.91億t、4.71～4.97億t和4.48～4.87億t，與實際年來沙量比較：1964年型3站年輸沙量分別減少23%，14%，30%；1968年型3站年輸沙量分別減少26%，8%，23%；1998年型3站年輸沙量則增加，約增加8%，32%，21%。對多沙年而言，上游下泄沙量多，中下游輸沙量也相應(yīng)增多，且九江至大通河段還會出現(xiàn)淤積。

表5 三峽水庫運用后中下游主要站典型年水位變化表Table 5 Changes of water level in typical years atmain stations in m iddle and lower Yangtze River after the operation of TGP m

表6 三峽水庫運用初期主要站典型年來沙量變化Table 6 Changes of incom ing sediment during the initial operation of TGP in typical years at 4 main stations

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

根據(jù)50多年實測資料統(tǒng)計，長江中下游宜昌至大通河段內(nèi)豐水、平水、枯水代表性水文年分別為1998年、1977年和1972年（或1978年）。根據(jù)三峽水庫下游長河段一維水沙數(shù)學(xué)模型對壩下游干流河道水文情勢變化的計算分析，可知：枯水期與汛前增泄期三峽水庫出庫流量增加，其下游沿程水位較自然條件下相應(yīng)抬高；蓄水期下泄流量減少，同時期沿程水位下降；若遇枯水年，水庫蓄水使得下游來流量過?。?0月下旬大通站平均流量小于9 000 m3／s），平水年蓄水期，壩下游水位下降較多，沿程水位下降1.71～3.68 m，給其航運與供水等帶來不利影響；三峽水庫運用后，因三峽大壩攔蓄，不同水文情勢下進入壩下游泥沙均大幅度減少，沿程各站輸沙量也相應(yīng)減少（除1998年型外），但因壩下游河床沖刷補給及支流入?yún)R，年輸沙量沿程遞增，因此城陵磯以下河段輸沙量減少相對較小。

3.2 建 議

當(dāng)三峽水庫下游支流水系遇較枯的水文年，三峽水庫應(yīng)采取動態(tài)與科學(xué)合理調(diào)度的方法，盡可能減少對壩下游的不利影響；一般年份水庫蓄水期可適當(dāng)提前，以便緩解10月中下旬壩下游的低水位問題。

［1］ 潘慶燊.三峽工程泥沙研究［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.（PAN Qing-shen.Research on Sedimentation of TGP［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，1997.（in Chinese））

［2］ 詹道江，葉首澤.工程水文學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.（ZHAN Dao-jiang，YE Shou-ze.Engineering Hydrology［M］.Beijing：China Water Power Press，2000.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Impact of TGP Operation on the Hydrologic Regime in the Downstream M ain Channel of the Dam

HUANG Yue，YAO Shi-ming，LU Jin-you
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The operation of Three Gorges Project（TGP）changes the flow and sediment conditions in the downstream river channel of the dam，and will further affect the hydrologic regime of its downstream river channel.Using one-dimensionalmathematicalmodels of flow and sediment，the changes of flow，water level and sediment load influenced by TGPoperation along the downstream main river during high，average and low flow years are respectively calculated and analyzed.Results reveal that the flow increases during low-water and water-discharging seasons，and the downstream streamwise low water level of the dam rises accordingly.During storage period the discharge flow decreases and streamwisewater level drops.During a low-flow year，the impoundmentof the reservoir causes an excessively small inflow into the downstream river channel of the dam（with the average discharge at Datong hydrometric station less than 9 000 m3／s in late October）.Whereas during the storage period of an average flow year，the water level atmiddle and lower Yangtze River drops substantially with the streamwise water level drop in the range of1.71-3.68m，which influences the navigation and water supply in the downstream river channel of the TGP dam.

TGP；typical hydrological years；hydrologic regime；mathematicalmodel

TV146.1

A

1001－5485（2011）07－0076－06

2010-04-18

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目（KZCX1－YW－08－01－02）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（200901004）

黃 悅（1956-），女，湖南長沙人，教授級高級工程師，主要從事河流數(shù)值模擬研究，（電話）027-82829871（電子信箱）yuehuang5688＠hotmail.com。