三峽庫(kù)區(qū)（175 m運(yùn)用初期）設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算方法研究

朱代臣,佘俊華,樊書剛

（長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院,重慶 401147）

三峽庫(kù)區(qū)（175 m運(yùn)用初期）設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算方法研究

朱代臣,佘俊華,樊書剛

（長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院,重慶 401147）

文章結(jié)合三峽蓄水運(yùn)行實(shí)踐綜合分析了三峽工程蓄水以后庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位的主要影響因素和計(jì)算的難點(diǎn)及解決方案,并在2004版《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)樞紐上游河段設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算方法的符合性規(guī)定基礎(chǔ)上,分析和總結(jié)了三峽庫(kù)區(qū)（175 m運(yùn)用初期）設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算方法,加強(qiáng)了方法的針對(duì)性和操作性。

設(shè)計(jì)最低通航水位；影響因素；計(jì)算方法；三峽庫(kù)區(qū)

Biography：ZHU Dai?chen（1981-），female，engineer.

三峽庫(kù)區(qū)屬于川江中下段,自從三峽工程2003年開始蓄水,壩前水位抬高,流速減緩,庫(kù)區(qū)河段航道條件與河床演變開始發(fā)生極大變化。蓄水至今,三峽水庫(kù)共經(jīng)過了135～139 m圍堰發(fā)電期和144～156 m初期運(yùn)行期,2008年9月底進(jìn)入175-145-155 m試驗(yàn)性蓄水階段,并在2010年10月26日成功蓄至175 m,首次達(dá)到工程設(shè)計(jì)的最高蓄水位。隨著蓄水進(jìn)度的推進(jìn),回水末端逐漸上延,最終到達(dá)江津紅花磧河段,之下共約670 km河段全部進(jìn)入了三峽庫(kù)區(qū)［1］。

設(shè)計(jì)最低通航水位（簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)水位”）是航道規(guī)劃與整治設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)水位的高低直接關(guān)系到航道整治工程的投資,定低了,整治工程投資大,對(duì)行船安全有利,定高了,工程投資小,但船舶安全通航保證率低。設(shè)計(jì)水位的合理性取決于計(jì)算方法的合理性。目前,國(guó)內(nèi)外計(jì)算設(shè)計(jì)水位大都是對(duì)具有良好一致性的長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究對(duì)象以沒有水利樞紐影響的天然河流為主,常用的計(jì)算方法大致分為算術(shù)平均法、綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法三類［2］,而對(duì)受水利樞紐影響的庫(kù)區(qū)通航水位的研究較少。在我國(guó),近期隨著各流域水電開發(fā)的快速發(fā)展,對(duì)受水利樞紐影響的庫(kù)區(qū)河段的通航水位確定方法思考逐漸增多［3-5］。2004版《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)確定樞紐上游河段通航水位有一定的原則性規(guī)定［6］,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總體上是科學(xué)的,但從三峽工作實(shí)踐看,庫(kù)區(qū)通航水位影響因素眾多,尤其是變動(dòng)回水區(qū),水位變化復(fù)雜,設(shè)計(jì)水位對(duì)變動(dòng)回水區(qū)航道的整治與維護(hù)又非常重要和敏感。因此有必要在2004版《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)樞紐上游河段設(shè)計(jì)最低通航水位確定方法的符合性規(guī)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析研究,使得方法更具有針對(duì)性和操作性。

1 設(shè)計(jì)水位影響因素

與蓄水前的天然河流相比,蓄水后的庫(kù)區(qū)河段設(shè)計(jì)水位不僅與來流量有關(guān),還與壩前水位有關(guān),在水庫(kù)達(dá)到?jīng)_淤平衡之前,還要受累積性淤積影響。

（1）壩前水位的影響。三峽蓄水以后,壩前水位受人為調(diào)控,汛期基本保持在一定的低水位運(yùn)行（防洪限制水位期）,汛后逐漸減小下泄流量,抬高庫(kù)水位（水位抬升期）,冬季枯水期又基本保持在一定的高水位運(yùn)行（正常蓄水期）,到了次年又開始逐漸增加下泄流量,降低庫(kù)水位至防洪限制水位（消落期）。

天然河流的水位主要取決于來流量的大小,而蓄水以后受人為調(diào)控的壩前水位成為重要的影響因素。枯水期高水位運(yùn)行改變了蓄水前絕對(duì)的大流量高水位、小流量低水位規(guī)律,須分時(shí)段和河段區(qū)別看待。常年庫(kù)區(qū),由于水流平緩,水位主要取決于壩前水位的高低;變動(dòng)回水區(qū),隨著回水末端的變動(dòng),壩前水位的影響范圍不斷發(fā)生變化,在回水影響范圍內(nèi),水位主要受雍水影響,脫離回水影響則取決于來流量的大小,而在回水末端,水位受壩前水位和來流量的雙重影響。根據(jù)三峽175 m正常運(yùn)行方案,壩前水位基本在175 m和145 m之間變動(dòng),因此常年庫(kù)區(qū)的設(shè)計(jì)水位接近145 m,出現(xiàn)在防洪限制水位期;正常蓄水期（11～12月）壩前水位基本保持175 m的高水位運(yùn)行,又因這個(gè)時(shí)期來流量不大,變動(dòng)回水區(qū)也基本保持175 m,消落期（1～6月上旬）變動(dòng)回水區(qū)逐漸脫離壩前雍水的影響,又因是枯水時(shí)期,流量小,所以消落期是變動(dòng)回水區(qū)出現(xiàn)年最低水位的時(shí)期,但不同的河段出現(xiàn)年最低水位的具體時(shí)間又是不一樣的,因此變動(dòng)回水區(qū)的設(shè)計(jì)水位最難以把握。

（2）入庫(kù)流量的影響。盡管蓄水后壩前水位成為了庫(kù)區(qū)河段設(shè)計(jì)水位的重要影響因素,但來流量的影響仍然存在。變動(dòng)回水區(qū)在完全脫離壩前水位影響期間同天然河道,水位仍取決于來流量大小,遵循水位流量關(guān)系;受壩前水位影響的河段則既有壩前水位的影響也有入庫(kù)流量的影響,尤其是回水末端兩者的作用都非常重要。

（3）庫(kù)區(qū)泥沙淤積。由于大壩攔水,庫(kù)區(qū)河道流速減緩,在正常運(yùn)行前期容易形成累積性淤積,通過目前三峽庫(kù)區(qū)原型觀測(cè)知,某些河段已經(jīng)發(fā)生了較嚴(yán)重的累積性淤積,尤其是某些灘險(xiǎn)河段。產(chǎn)生累積性淤積后在相同來流量下淤積河段水位有所抬高,甚至引起上下游水面線的變化。因此嚴(yán)格意義上的設(shè)計(jì)水位是在隨著河床的淤積而發(fā)生變化的。

2 設(shè)計(jì)水位的計(jì)算難點(diǎn)及解決方案

通過分析,三峽庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算存在以下幾方面的困難：

（1）若采用天然河道設(shè)計(jì)最低通航水位的統(tǒng)計(jì)方法,則需要同一站點(diǎn)多年觀測(cè)的水位資料,通常不少于20 a,并且要求具有良好一致性。但在水庫(kù)運(yùn)行初期,運(yùn)行時(shí)間短,實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)少,運(yùn)行方案也不穩(wěn)定,自然缺乏具有良好一致性的長(zhǎng)系列年水文觀測(cè)數(shù)據(jù)。在這種情況下,若一定要得到所需的水位數(shù)據(jù),則需借助目前應(yīng)用較多的數(shù)學(xué)模型手段。

（2）庫(kù)區(qū)河段水位受到入庫(kù)流量和壩前水位的雙重影響,而入庫(kù)流量具有隨機(jī)變化性,壩前水位受人為調(diào)控,盡管有一定的調(diào)度方案,但調(diào)度方案偏于原則性,往往因?yàn)闊o法估計(jì)的自然因素,計(jì)劃的調(diào)度方案被打破,具體到每天的控制水位更存在較大的不確定性。因此,必須同時(shí)考慮入庫(kù)流量與壩前水位,采用兩者的對(duì)應(yīng)組合。

（3）三峽水庫(kù)經(jīng)歷了圍堰發(fā)電期、初期運(yùn)行期和試驗(yàn)運(yùn)行期,于2010年10月底成功蓄至175 m,庫(kù)區(qū)泥沙累積性淤積逐漸體現(xiàn)。三峽水庫(kù)正常運(yùn)行才剛剛開始,不管是變動(dòng)回水區(qū)還是常年庫(kù)區(qū),泥沙淤積還將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到?jīng)_淤平衡。如何反映庫(kù)區(qū)累積性淤積引起的設(shè)計(jì)水位變化,也是確定三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法所遇到的難題之一。解決這一難題的方法要么是較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出將來的沖淤變化量,要么通過定期校核設(shè)計(jì)水位成果來實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)水位。鑒于目前河流泥沙模擬技術(shù)尚不成熟,模擬結(jié)果不一定可靠,所以本文推薦采用最新實(shí)測(cè)資料定期復(fù)核的方式來解決庫(kù)區(qū)泥沙淤積引起的設(shè)計(jì)水位變化的問題。

3 設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法

我國(guó)經(jīng)過制定和多次修訂“內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)”,在2004版“內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)樞紐上游河段的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算方法作出了較明確的規(guī)定：“樞紐上游河段設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的多年歷時(shí)保證率（即Ⅰ、Ⅱ級(jí)航道多年歷時(shí)保證率不小于98%，Ⅲ級(jí)航道取98%）的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合,以及壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合,得出多組回水曲線,取其下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位,并應(yīng)計(jì)入河床沖淤可能引起的水位變化值”,簡(jiǎn)稱該方法為下包絡(luò)線法。

下包絡(luò)線法綜合考慮了前文分析的設(shè)計(jì)水位主要影響因素,也通過計(jì)算多條壩前水位與入庫(kù)流量組合下的水面線解決了缺乏具有一致性的長(zhǎng)系列年水位數(shù)據(jù)的難點(diǎn)。但具體到受某一特定水利樞紐影響河段,設(shè)計(jì)水位確定方法的步驟、組合情況及某些參數(shù)選擇等還需進(jìn)一步明確。對(duì)于長(zhǎng)江三峽水利樞紐上游庫(kù)區(qū)河段的設(shè)計(jì)水位確定方法,則要緊密結(jié)合三峽運(yùn)行實(shí)際情況和庫(kù)區(qū)河段的水沙與航道條件,研究確定更具針對(duì)性和操作性的計(jì)算方法。

（1）計(jì)算手段。時(shí)段保證率流量與相應(yīng)壩前低水位組合下的水面線是人為構(gòu)造的一條時(shí)段內(nèi)較低的水面線,水庫(kù)運(yùn)行過程中不一定會(huì)出現(xiàn),不太可能通過實(shí)際觀測(cè)得到,但是可以借助數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算得到。目前一維、二維水流數(shù)學(xué)模型在水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)中應(yīng)用廣泛,技術(shù)也比較成熟,可以用于計(jì)算上述特定的水庫(kù)回水曲線。

（2）入庫(kù)流量。考慮三峽水庫(kù)的區(qū)間匯流和沿程支流入?yún)R,入庫(kù)流量宜采用分段控制。目前庫(kù)區(qū)有寸灘和萬州兩個(gè)水文站,庫(kù)尾上游最近的水文站為朱沱水文站。庫(kù)區(qū)主要有兩大支流入?yún)R,嘉陵江在朝天門入?yún)R,烏江在涪陵入?yún)R。因此,根據(jù)主要支流入?yún)R情況,水文站流量控制河段范圍如下：江津到朝天門河段用朱沱流量控制,朝天門到涪陵用寸灘流量控制,涪陵以下用萬州流量控制。

根據(jù)下包絡(luò)線法的規(guī)定,入庫(kù)流量取規(guī)定的多年歷時(shí)保證率流量。從水沙條件變化分析知,三峽蓄水前后,長(zhǎng)江上游來流量的大小及年內(nèi)分配沒有發(fā)生明顯的變化,近期流量資料具有良好的一致性。因此,套用天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算時(shí)的資料取用條件,入庫(kù)流量系列取近期不少于20 a的日平均流量數(shù)據(jù)系列。

時(shí)段內(nèi)流量的保證率與航道等級(jí)對(duì)應(yīng)確定。重慶九龍坡—三峽大壩目前航道等級(jí)已經(jīng)達(dá)到Ⅱ級(jí),規(guī)定多年歷時(shí)保證率不小于98%,在航道工程實(shí)踐中,一般取98%;九龍坡到江津航道等級(jí)為Ⅲ級(jí),對(duì)應(yīng)通航保證率為98%。

（3）壩前水位。根據(jù)三峽蓄水以來三峽—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程及運(yùn)行實(shí)踐情況,各運(yùn)行階段都有相對(duì)穩(wěn)定的調(diào)度方案,三峽正常蓄水以后也會(huì)制定并不斷優(yōu)化相應(yīng)的調(diào)度方案。目前,根據(jù)三峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)制定的175-145-155 m水位運(yùn)行方案,結(jié)合2008年9月以來的175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行方案和系列優(yōu)化研究,確定三峽水庫(kù)正常運(yùn)用期壩前水位典型調(diào)度過程為：9月1日開始蓄水,10月31日蓄至175 m,11月1日至12月31日按175 m運(yùn)行,次年1月1日開始消落,2月28日消落至165 m,5月25日消落至155 m,6月10日前消落至汛限水位145 m,至9月1日按145 m運(yùn)行。設(shè)計(jì)水位計(jì)算時(shí),壩前水位應(yīng)根據(jù)計(jì)算當(dāng)時(shí)的運(yùn)行調(diào)度規(guī)程和防洪調(diào)度方案具體分析確定。

（4）入庫(kù)流量與壩前水位的組合關(guān)系。已知了入庫(kù)流量和壩前水位過程,按照下包絡(luò)線法規(guī)定,最重要的是確定兩者的組合關(guān)系。顯然兩者應(yīng)按時(shí)間對(duì)應(yīng),消落期的入庫(kù)流量與壩前消落水位組合,壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的入庫(kù)流量組合。然而消落期是1月1日～6月10日,歷時(shí)長(zhǎng),壩前水位消落幅度也大,因此,對(duì)整個(gè)消落期再進(jìn)行時(shí)段劃分才更接近實(shí)際情況,尤其是5月25日～6月10日消落速度快,日均消落0.6 m,時(shí)段劃分要更細(xì)。壩前145 m水位期間,則無需細(xì)分,因壩前水位相同時(shí),水面線取決于入庫(kù)流量的大小,構(gòu)成下包線的水面線一定是入庫(kù)流量最小的那一條。

各時(shí)段的壩前水位依據(jù)典型調(diào)度過程線,建議取時(shí)段內(nèi)最低消落水位,因入庫(kù)流量極小時(shí)要保證水庫(kù)下游的供水,壩前水位很可能低于典型調(diào)度線運(yùn)行。

入庫(kù)流量取時(shí)段內(nèi)98%保證率流量。時(shí)段內(nèi)保證率流量的統(tǒng)計(jì)與多年歷時(shí)保證率水位計(jì)算方法類似：取每年某個(gè)時(shí)段（如每年的1月1日～1月31日）的逐日平均流量資料,作為一個(gè)集合,分級(jí)統(tǒng)計(jì),并繪成曲線,即綜合歷時(shí)曲線,從曲線上查出通航保證率對(duì)應(yīng)的流量。

（5）河床沖淤。三峽水庫(kù)的河床沖淤調(diào)整是一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的變化過程,對(duì)水位的影響尤其是低水位的影響將比較明顯。數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算河床沖淤,但目前水沙數(shù)學(xué)模擬技術(shù)還不成熟,模擬結(jié)果的精度不能保證,因此,建議數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)計(jì)水位時(shí)不計(jì)算泥沙,而是通過采用當(dāng)時(shí)實(shí)際地形計(jì)算并定期復(fù)核計(jì)算成果或重新計(jì)算的方式,以消除河床沖淤對(duì)設(shè)計(jì)水位的影響,時(shí)間期限可以是3～5 a,具體年限視河床沖淤引起的水位變化程度而定,這樣還有助于減少調(diào)度方案變化和其他不確定因素的影響。

總結(jié)起來,三峽庫(kù)區(qū)（175 m運(yùn)用初期,江津～三峽大壩河段）設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算方法步驟如下：

①根據(jù)三峽正常運(yùn)行期水庫(kù)調(diào)度規(guī)程及調(diào)度實(shí)踐總結(jié),確定三峽壩前水位典型調(diào)度過程;②將典型調(diào)度過程中的消落期劃分為多個(gè)時(shí)間段（消落越快,時(shí)段劃分越細(xì)）;③選取入庫(kù)和庫(kù)區(qū)水文站（朱沱、寸灘、萬州）近期具有一致性、不少于20 a的逐日平均流量資料,計(jì)算消落期各個(gè)時(shí)段和防洪限制水位期（壩前145 m）多年歷時(shí)保證率98%的流量,用朱沱站控制江津到朝天門河段流量,寸灘站控制朝天門到涪陵河段流量,萬州站控制涪陵以下河段流量;④基于最新淤積地形,采用水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算手段,計(jì)算每個(gè)時(shí)段壩前消落最低水位與保證率流量組合時(shí)的回水曲線,取這些回水曲線的下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位;⑤每隔3～5 a進(jìn)行一次計(jì)算成果復(fù)核或者重新計(jì)算,及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)水位,以消除河床沖淤變化、調(diào)度方案調(diào)整以及上游水沙條件變化等因素的影響。

4 結(jié)語

三峽成庫(kù)以后,原天然山區(qū)河道成為河道型水庫(kù),其設(shè)計(jì)水位由受來流量單一影響發(fā)展成受壩前水位、來流量大小以及累積性淤積等多重因素影響。在缺乏具有一致性的長(zhǎng)系列水位觀測(cè)資料的情況下,提出采用水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算手段,在“04內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)”下包絡(luò)線法的基礎(chǔ)上,結(jié)合三峽水庫(kù)175 m正常運(yùn)行規(guī)程和調(diào)度實(shí)踐,較詳細(xì)地分析和總結(jié)了用于三峽庫(kù)區(qū)175 m運(yùn)用初期具有較強(qiáng)針對(duì)性和操作性的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算方法。

［1］長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.三峽工程航道泥沙原形觀測(cè)2003-2010各年度分析報(bào)告［R］.重慶：長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2003.

［2］邱大洪.工程水文學(xué)：港口航道及海岸工程專業(yè)用［M］.北京：人民交通出版社,2004：120-126.

［3］張幸農(nóng),吳建樹.樞紐及其上下游河段通航設(shè)計(jì)水位確定若干問題探討［J］.水道港口，2005（S）：130-132.

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［4］黃村顯,周麗云,潘明煌,等.郁江西津樞紐上游航道設(shè)計(jì)最低通航水位的分析［J］.水運(yùn)工程,2005（10）：67-69.

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［5］白金嘉.水口電站庫(kù)區(qū)回水變動(dòng)段最低通航水位分析［J］.水運(yùn)工程,2005（6）：57-62.

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［6］GBJ50139-2004,內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）

ZHU Dai?chen,SHE Jun?hua,FAN Shu?gang
（Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute,Chongqing401147,China）

A method of calculating the designed lowest navigable stage is the key to obtain the exact value.Based on implementation of the Three Gorges Reservoir,the main influencing factors,calculation difficulties and solutions of the designed lowest navigable stage were analyzed in this paper.On the basis of the 2004 edition ofNavigation standards of inland waterway,the computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）is put forward and studied,which is more practical and operational.

designed lowest navigable stage;influencing factor;computational method;the Three Gorges Reservoir

U 617.9；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0171-04

2012-12-03;

2013-01-05

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（201132854810）

朱代臣（1981-）,女,重慶云陽(yáng)人,工程師,主要從事河流動(dòng)力學(xué)及航道整治的設(shè)計(jì)與研究工作。