三峽工程運行后長江中下游河道設(shè)計頻率水文年泥沙模擬研究

李振青，吳昌洪，李會云，杜曉陽

(長江科學院 a.河流研究所, b.空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

三峽工程運行后長江中下游河道設(shè)計頻率水文年泥沙模擬研究

李振青a，吳昌洪a，李會云a，杜曉陽b

(長江科學院 a.河流研究所, b.空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

三峽水庫運行以來，長江水沙發(fā)生很大的變化，為今后泥沙模型計算與試驗水文條件的仿真性提供保證和依據(jù),統(tǒng)計分析了三峽水庫建庫以來長江中下游泥沙的變化情況，并針對泥沙模型計算與試驗中常選取的頻率水文年的泥沙問題，做了詳細的分析與研究。提出了泥沙模型中設(shè)計頻率水文年所要模擬的沙質(zhì)泥沙部分的處理方法與途徑，即床沙質(zhì)的輸沙率過程采用流量輸沙率關(guān)系推求設(shè)計洪水對應(yīng)的沙量過程。并出于工程安全的考慮，采用流量輸沙率關(guān)系的下包線作為沙量過程確定的依據(jù)。該方法較好地反映了三峽水庫蓄水后泥沙量減少條件下的頻率水文年泥沙模擬實際情況。

三峽工程;長江中下游;泥沙模型;床沙質(zhì)；設(shè)計頻率水文年

1 研究背景

三峽水庫運行以來，長江中下游河段內(nèi)水沙發(fā)生了很大的變化。其主要變化是，長江中下游來沙明顯減少，受水庫攔沙的影響，水庫運行初期長江中下游泥沙減少幅度超過50%[1-2]。泥沙模型中(無論是實體物理模型還是數(shù)學泥沙模型)設(shè)計頻率水文年的沙量設(shè)計，也必須考慮這種真實的影響。由于受一些條件的制約，泥沙模型中模擬的泥沙往往不是全部的泥沙，而是模擬長江來沙中參與造床作用的沙質(zhì)部分的泥沙，而對懸沙中大量的沖瀉質(zhì)不予考慮。

在長江中下游河段內(nèi)關(guān)于涉河工程，或河道整治工程研究中，往往需要采用實體物理模型和數(shù)學泥沙模型進行工程河段內(nèi)河道沖淤模擬試驗研究[3]。而在模型試驗水文條件選取中，又往往需要進行模擬設(shè)計頻率水文年，如設(shè)計100 a一遇或300 a一遇水文年，以研究設(shè)計頻率水文年下河道的沖淤情況。在設(shè)計頻率水文年中，如何考慮三峽建庫后對泥沙中沙質(zhì)泥沙的影響，需要根據(jù)三峽水庫運行以來的來沙情況和歷史上長江泥沙的基本情況，做出分析研究，為泥沙模型提供真實的模擬依據(jù)。

2 三峽水庫運行以來長江水沙變化情況

由于三峽水庫運行以來，長江水沙發(fā)生了明顯的變化，按三峽水庫蓄水運行前后分別統(tǒng)計的大通水文站流量和泥沙特征值見表1和表2。

表1 三峽水庫蓄水運行前大通水文站流量和泥沙特征值統(tǒng)計Table 1 Statistics of flow and sediment eigenvalues atDatong Hydrological Station before Three GorgesReservoir impoundment

由大通水文站實測泥沙資料統(tǒng)計，2006，2007年年平均輸沙量分別為0.85億t，1.34億t，占多年平均輸沙量的20.8%，32.8%；2008年年平均輸沙量為1.3億t，2009年則為1.13億t。從表2統(tǒng)計比較可知，自三峽水庫蓄水以后，上游來沙量進一步減少，三峽建庫后壩下游年均輸沙量由4.3億t減少為1.51億t，減少幅度達64.8%；年均含沙量由0.479 kg/m3減少為0.172 kg/m3，減少幅度達64.1%。

3 模型中設(shè)計頻率水文年泥沙模擬的問題研究

泥沙模型計算與試驗中常常進行100 a一遇和300 a一遇典型水文年的模擬。如以1998年作為典型年，模擬100 a一遇和300 a一遇2個典型水文年洪水過程，按洪峰流量放大法進行放大，即按100 a一遇和300 a一遇洪峰流量與1998年最大洪峰的比值關(guān)系放大1998年汛期來水過程。圖1即為1998年洪水過程線以及按1998年放大的100 a和300 a一遇洪水過程線。

圖1 洪水過程線Fig.1 Flood hydrograph

在1998典型水文年沙量情況的基礎(chǔ)上，100 a一遇和300 a一遇2個典型水文年的年輸沙量和年內(nèi)沙量的分配，需考慮長江上游建壩的影響。其減沙方案根據(jù)三峽工程建成后長江中下游實際沙量的變化，通過分析整理原型資料，找出來沙的變化規(guī)律，按一定規(guī)律關(guān)系確定不同沙量的分配。

對于沙量過程，以往的研究均根據(jù)一維模型計算結(jié)果進行確定。其中模型計算分別采用了20世紀60年代和90年代系列年過程。表3列出了三峽工程蓄水運用后大通水文站輸沙量計算值與實測值的對比情況，可見無論是輸沙量還是粒徑大于0.1 mm(表示為>0.1 mm,下同)的床沙質(zhì)輸沙量，模型計算值都較實測值偏大，因此不能采用模型計算值作為參考。

表3 三峽工程蓄水運用后大通站輸沙量計算值與實測值對比Table 3 Comparison between calculated and measuredsediment loads at Datong Hydrological Station afterThree Gorges Project impoundment

泥沙模型中對于河床沖淤問題的研究，其沙量過程的確定將重點放在參與河床變形的床沙質(zhì)上?？聽柋萚4]認為在缺乏實測床沙顆粒級配時，取泥沙的下限粒徑0.062 5 mm作為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑；黃才安[5]統(tǒng)計了長江中下游各個河段的床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑為0.03～0.11 mm。因此本文作者將0.062 5 mm作為長江中下游河段床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑。在此，分別點繪了水庫蓄水運用前1990—2003年、水庫蓄水運用后2004—2010年大通水文站流量和床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)的相關(guān)關(guān)系(圖2)。由圖2可見，三峽水庫蓄水運用后大通水文站流量與床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)的關(guān)系與蓄水前較為相似。三峽水庫蓄水運用后，大通水文站同流量下床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)較建庫前有所減小，但隨著流量的增大，床沙質(zhì)輸沙率(>0.062 5 mm)也有所增大逐漸在恢復(fù)。因此可以考慮采用流量輸沙率關(guān)系推求設(shè)計洪水對應(yīng)的沙量過程。出于模型計算和試驗研究安全的角度考慮，采用圖2中流量輸沙率關(guān)系的下包線作為沙量過程確定的依據(jù)。

圖2 大通水文站流量與床沙質(zhì)輸沙率(粒徑>0.062 5 mm)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between flow and transport rate of bed material load (particle size larger than 0.0625mm) at Datong Hydrological Station

圖3為1998年床沙質(zhì)含沙量過程線(>0.062 5 mm)以及圖2確定的下包線推求的100 a

和300 a一遇床沙質(zhì)含沙量過程線(>0.062 5 mm)。圖3中顯示了100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙質(zhì)含沙量(>0.062 5 mm)過程線與1998年并不對應(yīng)，產(chǎn)生差異的主要原因是1998年洪峰過程與沙峰過程存在一定的錯動，而這里確定的100 a一遇和300 a一遇的床沙質(zhì)含沙量過程(>0.062 5 mm)是考慮了水庫蓄水運用后床沙質(zhì)的恢復(fù)特性，由于主要依賴于河床補給，流量越大，從河床上沖起的泥沙也就越多，相應(yīng)的含沙量也就越大。也就是說，1998年實際沙峰落后于洪峰約6 d的時間，而在設(shè)計100 a一遇和300 a一遇的床沙質(zhì)含沙量過程(>0.062 5 mm)時，考慮了水庫蓄水運用后床沙質(zhì)的恢復(fù)特性，使得沙峰與來流量正相關(guān)，這是因為考慮了水量越大，相應(yīng)的床沙質(zhì)含沙量也就越大。因此最終使得設(shè)計的100 a一遇和300 a一遇頻率洪水年的沙量過程與水量過程達到一致，這是有別于1998年實際沙量過程的根本原因。

圖3 床沙質(zhì)含沙量過程線(粒徑>0.062 5 mm)Fig.3 Process curves of sediment concentration of bed material load (particle size larger than 0.0625mm)

根據(jù)上述確定的100 a和300 a一遇床沙質(zhì)含沙量過程線(>0.062 5 mm)，在1998年總輸沙量(>0.062 5 mm)0.55億t的基礎(chǔ)上，100 a一遇和300 a一遇設(shè)計洪水下相應(yīng)的沙量分別為0.398億t和0.438億t。沙量的年內(nèi)分配也按上圖過程線予以確定。

根據(jù)以上研究，在確定的考慮三峽工程近期運行以來，物理模型或數(shù)學模型研究中關(guān)于設(shè)計頻率水文年的泥沙模擬問題及處理方法，基本符合實際情況。

4 結(jié) 語

對于三峽建庫后模型計算與試驗中設(shè)計頻率水文年中泥沙問題的模擬問題，本文做了詳細的研究，給出了問題的處理方法。該方法把粒徑0.062 5 mm作為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑，以統(tǒng)計出長江大通水文站歷年中實測的床沙質(zhì)含沙量的下包線為依據(jù)，推求出100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙質(zhì)含沙量，來最終代表模擬三峽大壩建成后設(shè)計頻率洪水年的床沙質(zhì)泥沙，較好地反應(yīng)了泥沙的減少程度。該項研究成果在南京市緯三路長江隧道物理模型與數(shù)學模型計算中得到了應(yīng)用[6]。在馬鞍山二期河道整治研究中應(yīng)用該處理方法模擬的100 a一遇洪水年的計算與模型試驗成果為專家認可。是現(xiàn)階段三峽工程運行初期較好的處理方法，比較能夠反映現(xiàn)階段的實際情況。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Study on the Simulation of Sediment in Hydrological Year ofDesigned Frequency in the Middle-Lower Reaches of Yangtze Riverafter the Three Gorges Project Operation

LI Zhen-qing1, WU Chang-hong1, LI Hui-yun1, DU Xiao-yang2

(1.River Research Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The water flow and sediment in Yangtze River have changed remarkably since the operation of Three Gorges Reservoir. To provide guarantee and basis for the simulation of hydrological conditions in sediment model calculation, we statistically analysed the variation of sediment in the middle-lower Yangtze River since the Three Gorges Reservoir impoundment. On this basis, we carried out detailed research on the sediment problem of hydrological year of designed frequency which is often selected in sediment model calculations and tests. We proposed the method and approach of dealing with sandy sediment in sediment model which is to deduce the sediment process of designed flood according to the relationship between flow rate and sediment transport rate. Moreover, in consideration of project safety, we proposed to take the lower enveloping curve of flow rate versus sediment transport rate as the basis of determining sediment process. Through this method, the sediment condition in hydrological year of designed frequency when sediment load decreases could be well reflected.

Three Gorges Project；middle-lower reaches of Yangtze River; sediment model; bed material load;hydrological year of designed flood frequency

2013-10-11;

2013-11-22

李振青(1963-)，男，河南泌陽人，教授級高級工程師，主要從事河道治理研究，(電話)13971064580(電子信箱)heliusuo@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.003

TV147

A

1001-5485(2015)02-0011-03

2015,32(02):11-13,19