三峽水庫運行對支流水庫影響分析

胡 鵬，楊勝發(fā)，付旭輝

（1.長江航道規(guī)劃設計研究院，武漢430011；2.重慶交通大學河海學院，重慶400074）

三峽工程歷經7 a三期蓄水，現已正式進入（175-155-145 m）調度方式運行階段。水庫在175 m蓄水時，回水末端直至重慶江津花紅堡附近［1］。三峽庫區(qū)支流眾多，由于長江干流蓄水原因，支流水庫的壩前水位及其調度方案將受到一定影響。本文以重慶龍盛水庫為例，探討龍盛水庫的水位運行調度與三峽水庫運行間關系。圖1為三峽水庫壩前典型調度水位示意圖。

龍盛水庫位于重慶市兩江新區(qū)龍盛片區(qū)御臨河下游河段，壩址下游距離御臨河與長江的匯合口約2.7 km，是一座以城市供水和灌溉為主兼有農村人畜飲水等綜合利用效益的中型水利工程。壩址控制集雨面積為3 853 km2，多年平均來水量20.21億m3，水庫正常蓄水位為172.20 m，正常庫容1 794.2萬m3，校核洪水位為177.02 m，總庫容為4 271.2萬m3。工程采用重力壩與泄洪沖沙閘（由導流明渠改建）布置方案。

圖1 三峽水庫壩前典型調度水位示意圖Fig.1 Upstream water level of the Three Gorges Reservoir

1 數學模型及驗證

1.1 基本方程

三峽水庫典型調度方式下，對應御臨河口長江水位以一維數學模型計算。

由于所研究的問題為長河段、長時段內發(fā)生的，在實際計算中對一維水流運動方程和連續(xù)方程進行簡化。將整個計算時段劃分為小的計算時段，將長河段劃分為若干個短河段，可按恒定非均勻流考慮［2-3］，水流運動變?yōu)?/p>

式中：Z2、Z1為計算段上、下游斷面水位；V2、V1為計算段上、下游斷面平均流速；α2、α1為計算段上、下游斷面的動能修正系數，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（1）和式（2）算出河道斷面的各水力要素。

1.2 水頭損失計算

1.2.1 沿程水頭損失

沿程阻力損失主要決定于均勻流的坡降，可表示為

式中：χ1、χ2分別為計算段上、下游斷面濕周；Α1、Α2分別為計算段上、下游斷面過水面積；n為斷面綜合糙率。

斷面綜合糙率采用Einstein的阻力疊加法確定［4-8］（圖 2）。

式中：χw、χb分別為計算斷面的河岸濕周和河床濕周；

nw、nb分別為計算斷面的河岸糙率和河床糙率。

1.2.2 局部阻力損失

局部阻力損失主要包括斷面突然擴縮引起的局部水頭損失和彎道平面形態(tài)引起的水頭損失［2］。

（1）斷面突然擴縮引起的局部水頭損失。

斷面突然擴縮局部阻力系數與河槽形態(tài)、收縮或放寬的比例以及水流情況有關，局部水頭hj損失可按下式計算

圖2 Einstein的阻力疊加法參數示意圖Fig.2 Parameters of Einstein′s resistance superposition method

收縮時（A1＜A2，V1＞V2）

擴寬時（A1＞A2，V1＜V2）

式中：ξj1為斷面突然擴縮局部阻力損失系數；β值在缺乏實測資料情況下可取β=0.1～0.5。

（2）彎道平面形態(tài)引起的水頭損失。

彎道附加的局部阻力損失可參考下式計算

式中：R為水力半徑；r為河段彎曲半徑；l為河彎長度；C為謝才系數。

1.3 模型驗證

三峽庫區(qū)近幾年的原型觀測，為本次試驗提供了可靠的驗證資料。根據2007年、2008年、2009年庫區(qū)實測水位（共25個水位站），以及朱沱、寸灘、清溪場、萬州水文站的每日平均流量數據進行分析。選取了具有代表性的8組流量過程對模型進行驗證。

由驗證各站的實測值與計算值對比，兩者偏差均在正負10 cm之內。表1給出了沿程驗證水位的差值及沿程糙率值，符合《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》要求。亦認為數學模型計算符合實際情況。

表1 沿程水位驗證差值及糙率表Tab.1 Longitudinal water level verification and roughness m

2 干、支流水庫關系分析

2.1 計算時段劃分

此次計算時段劃分與長江科學院采用的典型水沙系列年（1961～1970年）的劃分時段相同。分為10個時段，每個時段劃分80組數據。根據御臨河實測流量數據，劃分后對應時段流量如圖3所示。

圖3 對應時段劃分后流量過程線Fig.3 Discharge hydrograph of period division

2.2 關系影響分析

以長江1981年7月的洪水過程為代表，寸灘站洪水起漲流量為35 000 m3/s。按此流量相應三峽水庫壩前調度143.3 m，計算得到御臨河河口水位為167.96 m。由此，本次試驗以168.0 m作為龍盛水庫洪水期運行水位。

當長江來流量小于洪水起漲流量時，龍盛水庫可按正常蓄水位172.2 m運行。若三峽水庫在此回水水位高于172.2 m時，則龍盛水庫壩前水位應為三峽庫區(qū)回水水位；若三峽回水水位低于172.2 m（此水位即為龍盛水庫壩后水位），壩前水位應以各時段御臨河來流量和同時段計算所得壩后水位（根據泄流形式）計算得到。

當長江來流量大于洪水起漲流量時，龍盛水庫壩前調度采用168.0 m運行。壩前水位確定與172.2 m調度確定水位方法相同。

最后計算出劃分10個時段的三峽壩前水位調度曲線，同時段御臨河河口水位曲線以及同時段龍盛水庫調度壩前水位曲線如圖4所示。

圖4 同時段三峽水庫調度與龍盛水庫調度曲線示意圖Fig.4 Dispatch curves of the Three Gorges Reservoir and Longsheng reservoir in same duration of time

3 小結

為分析處于三峽水庫變動回水區(qū)的支流水庫與三峽水庫調度之間存在的關系，首先采用一維數學模型，以庫區(qū)實測資料進行驗證，按照三峽水庫（175-155-145 m）典型調度方式，計算得到了劃分時段后相應流量的龍盛水庫壩后水位。

其次，根據時段劃分后御臨河的來流量，與計算得到的壩后水位關系，推求出了同時段運行條件下龍盛水庫壩前水位。為龍盛水庫的調度提供了理論依據。

最后，計算得到同時段下三峽壩前水位調度曲線，以及對應的御臨河河口水位曲線和龍盛水庫壩前水位曲線圖。

［1］楊勝發(fā)，胡江，胡鵬.一維數學模型計算報告［R］.重慶：重慶交通大學，2010.

［2］楊勝發(fā)，許光祥，李昌志.嘉陵江合川樞紐調蓄及泥沙淤積計算［J］.重慶交通學院學報，2002，21（4）：101-105.YANG S F，XU G X，LI C Z.Calculation of store floodwater&sediment deposition on the Hechuan Reservoir in the Jiangling River［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2002，21（4）：101-105.

［3］吳持恭.水力學上冊［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］王興奎，邵學軍，王光謙.河流動力學［M］.北京：科學出版社，2004.

［5］王開，魏加華，王光謙.大型渠道糙率系數設計取值的不確定性及影響分析［J］.應用基礎與工程科學學報，2008，16（6）：870-878.WANG K，WEI J H，WANG G Q.Uncertainty in Design Value of Roughness Coefficient for Large Scale Channel and Effects Analysis［J］.Journal of basic science and engineering，2008，16（6）：870-878.

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［7］黃悅.三峽水庫運用后變動回水區(qū)最低通航水位計算分析［R］.武漢：長江水利委員會長江科學院，2004.

［8］黃煜齡，黃悅.三峽水庫變動回水區(qū)最低通航水位計算分析［R］.武漢：長江水利委員會長江科學院，1995.