重慶小南海樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段水位變化研究

黃建成， 黃 悅

( 長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

重慶小南海樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段水位變化研究

黃建成， 黃 悅

( 長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

為了分析小南海樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段河道水位的變化特性，基于物理模型試驗和一維泥沙數(shù)學(xué)模型計算，研究了小南海樞紐運(yùn)用初期和運(yùn)用20 a末，不同特征流量條件下，壩下游近壩段河道水位的變化過程，以及引起水位變化的主要原因。研究表明：小南海樞紐運(yùn)用后，壩下游約4 km河段范圍內(nèi)，水位較建壩前有不同程度下降，壩下游0.4 km處水位最大下降約1.47 m，出現(xiàn)在樞紐運(yùn)用初期的枯水流量時；壩下游4 km以下河段水位，在樞紐運(yùn)用初期下降甚少， 隨著三峽水庫運(yùn)行年限增加，庫區(qū)泥沙淤積增多，水位逐漸高出初期水位，在樞紐運(yùn)用20 a末，壩下游8.2 km處水位較初期水位最大升高約0.6 m；引起壩下游近壩段河道水位變化的主要原因是施工期壩下游河床的開挖和三峽水庫調(diào)度及泥沙淤積。

小南海樞紐； 壩下游近壩段； 水位； 物理模型；數(shù)學(xué)模型

1 研究背景

擬建的小南海樞紐工程位于長江上游宜賓至重慶主城區(qū)河段，是《長江流域綜合利用規(guī)劃報告》推薦梯級開發(fā)方案的重要樞紐，是三峽水利樞紐的上游銜接梯級。壩址位于珞璜鎮(zhèn)下游約1.0 km處，上距江津區(qū)約28.5 km，下距重慶主城區(qū)約40 km。樞紐正常蓄水位197 m，死水位195 m，庫區(qū)防洪控制水位193 m，總庫容13億m3，總裝機(jī)容量2 030 MW。樞紐主要建筑物分別布置在大中壩江心洲兩側(cè),從左至右依次為：左岸連接段、船閘壩段、左溢流壩段、左電廠壩段、右電廠壩段、右溢流壩段、右岸連接段[1](圖1)。

圖1 小南海樞紐平面布置

水利樞紐修建后，壩下游近壩段河道中、枯水期同流量的水位較建壩前有不同程度的降低，如丹江口樞紐下游6.0 km處黃家港站水位下降1.3 m(1960—1967年，相應(yīng)流量1 000 m3/s), 萬安樞紐下游2.3 km處西門站水位下降1.04 m(1986—1996年，相應(yīng)流量165 m3/s)，葛洲壩樞紐下游6.0 km處宜昌站水位下降0.8 m(1981—1992年，相應(yīng)流量4 000 m3/s)，水位下降幅度與近壩段河道的河床開挖、采砂、壩下游河道局部沖刷和長距離沖刷等因素有關(guān)[2-4]。由于小南海樞紐處于三峽水庫變動回水區(qū)的上段，樞紐運(yùn)用后同流量壩下游水位不僅受上述因素的影響，同時還受三峽水庫調(diào)度和庫區(qū)泥沙淤積的影響，水位問題十分復(fù)雜。因此，在小南海樞紐可研階段開展對樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段水位的研究，搞清楚水位變化規(guī)律，對確定船閘下閘首門檻設(shè)計高程，保證壩下游中、枯水期航道船舶航行安全，充分發(fā)揮樞紐的航運(yùn)效益具有重要的意義。

2 河道概況

小南海樞紐壩區(qū)河段上起大貓峽進(jìn)口，下至漁洞溪，全長約14 km。河道平面形態(tài)微彎，大中壩沙洲將長江分為左汊和右汊，左汊為主汊，寬約900 m，右汊為支河，寬約350 m；壩址位于大中壩中偏上部(圖2)。該河段洪水時江面最窄處約300 m(大貓峽段)，最寬處可達(dá)2 000 m(大中壩分汊段)；河道兩岸多為低山丘陵和階地組成，岸線穩(wěn)定；河床則多為砂卵石覆蓋，抗沖性較好，多年來河道灘槽位置相對固定，年際間河床沖淤變化較小，河勢較穩(wěn)定。

據(jù)該河段上游約100 km處的朱沱水文站50 a水沙資料統(tǒng)計(1954—2004年)，該站多年平均流量8 610 m3/s，多年平均徑流量2 687億m3，其中5—10月徑流量2 120億m3，為年徑流量的79%，實(shí)測最大流量為53 400 m3/s(1966年9月)，最小流量為1 910 m3/s(1999年3月)；朱沱站多年平均輸沙量為3.03億t，含沙量為1.13 kg/m3，中值粒徑為0.012 mm，沙卵石推移質(zhì)輸沙量為26.4萬t，卵石推移質(zhì)中值粒徑為52.1 mm。1991年以后，朱沱站徑流來量變化不大，但泥沙來量有所減少，1991—2004年平均輸沙量較多年平均減少了9%。

圖2 小南海樞紐壩區(qū)河段河勢

3 研究方法

3.1 物理模型

利用小南海樞紐壩區(qū)河工模型研究樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段水位變化，該模型模擬的河段范圍全長約18.5 km，模型上起銅罐驛河段的貓港(壩址上游10.0 km)，下至魚洞河段的王家溪(壩址下游8.5 km)。模型按幾何相似、水流運(yùn)動相似、泥沙運(yùn)動相似和河床沖淤變形相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。模型平面比尺αL=150，垂直比尺αh=150，為幾何正態(tài)。模型沙選用株洲精煤，其密度為1 330 kg/m3。

模型采用2007年4月該河段實(shí)測地形制模，進(jìn)行了水面線、斷面流速分布和河床沖淤變化的驗證。結(jié)果表明，各項驗證指標(biāo)均符合《河工模型試驗規(guī)程》(SL99—2012)要求，模型設(shè)計、選沙及各項比尺的確定基本合理，能夠保證正式試驗成果的可靠性[5]。

3.2 數(shù)學(xué)模型

為配合物理模型試驗，需進(jìn)行三峽水庫泥沙淤積和回水水位的長系列年計算，為物理模型試驗提供出口邊界條件。三峽水庫泥沙沖淤計算采用以不平衡輸沙理論為基礎(chǔ)建立的一維水沙數(shù)學(xué)模型，該模型經(jīng)過實(shí)測資料的驗證，在三峽工程論證和設(shè)計階段發(fā)揮了重要作用。本次計算采用1991—2000年典型系列年長江干流朱沱站、嘉陵江北碚站、烏江武隆站的水沙資料作為三峽入庫控制條件，同時考慮上游干流溪洛渡、向家壩水庫蓄水?dāng)r沙的影響和支流嘉陵江亭子口水庫攔沙的影響，出庫流量及壩前水位按三峽樞紐調(diào)度原則控制[6-8]。

3.3 試驗條件

(1) 試驗流量：為研究樞紐運(yùn)用后壩下游近壩段水位變化，試驗共選取洪、中、枯9級典型流量作為試驗特征流量，分別是2 300 m3/s(最低通航流量)，4 000 m3/s(枯期流量)，8 610 m3/s(多年平均流量)，14 320 m3/s(電站額定流量)，20 000 m3/s(汛期流量)，25 000 m3/s(汛期流量)，35 000 m3/s(最大發(fā)電流量)，42 600 m3/s(最大通航流量)，526 000 m3/s(20 a一遇洪水流量)。

(2) 試驗控制水位：壩前控制水位及樞紐開啟方式按設(shè)計提供的樞紐調(diào)度原則控制。模型出口(尾門)水位由三峽水庫一維水沙數(shù)學(xué)模型提供的計算成果控制。

(3) 試驗河床地形：小南海樞紐運(yùn)用初期試驗河床地形，采用2007年4月長江水利委員會水文局實(shí)測的該河段地形；樞紐運(yùn)用20 a末試驗河床地形，采用小南海樞紐運(yùn)用20 a系列河工模型試驗成果，以樞紐運(yùn)用至20 a末壩區(qū)河段模型測量地形作為試驗地形。

3.4 試驗方案

根據(jù)小南海樞紐設(shè)計方案，工程建設(shè)中將對大中壩洲體及壩址下游2.6 km長河段河床進(jìn)行較大范圍的開挖(圖1)。其中大中壩左汊原河床高程165～173 m,枯水期河寬550 m，開挖后河床高程降為156～170 m,枯水期河寬擴(kuò)展至700 m；大中壩右汊開挖成導(dǎo)流明渠原河床高程170～173 m,枯水期河寬200 m，開挖后河床高程降為166～168 m,枯水期河寬擴(kuò)展至350 m。

根據(jù)小南海樞紐壩區(qū)河工模型試驗成果[3]，樞紐運(yùn)用20 a末，水庫排沙比已達(dá)98.0%，壩區(qū)河段河床基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，壩下游8.5 km河段范圍內(nèi)河床累積沖刷量為686.7萬m3，其中，大中壩左汊段累積沖刷量162.3萬m3，右汊段累積淤積量11.4萬m3，大中壩洲尾—王家溪淺灘段累積沖刷量535.8萬m3。

鑒于上述情況，在模型試驗中擬定了2個不同控制水位與河床地形方案來研究壩下游近壩段水位的變化，分別是小南海樞紐運(yùn)用初期河床地形及相應(yīng)的模型出口控制水位方案，小南海樞紐運(yùn)用20a末河床地形和相應(yīng)的模型出口控制水位方案。

4 壩下游水位變化成果分析

4.1 壩下游0.4 km處水位變化

在樞紐船閘設(shè)計中，下閘首門檻高程的確定與壩下游0.4 km處水位變化關(guān)系密切，它直接影響到船閘的通行能力,試驗結(jié)果見表1。小南海水庫運(yùn)用初期，壩下游0.4 km處，枯水期流量2 300～4 000 m3/s時，水位較建壩前最大下降1.23～1.47 m，出現(xiàn)在三峽水庫消落期；中水期流量8 610～14 320 m3/s時，水位較建壩前最大下降0.86～0.93 m, 也出現(xiàn)在三峽水庫消落期；洪水期流量20 000～52 600 m3/s時，水位較建壩前下降0.22～0.76 m。

表1 壩下游0.4 km處水位變化試驗成果

小南海水庫運(yùn)用20 a末，壩下游0.4 km處水位變化規(guī)律與水庫運(yùn)用初期相似，但水位下降幅度小于水庫運(yùn)用初期，枯水期流量2 300～4 000 m3/s時，水位較建壩前最大下降1.14～1.39 m；中水期流量8 610～14 320 m3/s時，水位較建壩前最大下降0.68～0.81 m；洪水期流量20 000～52 600 m3/s時，水位較建壩前下降0.02～0.32 m。

由于壩下游2.6 km河段是樞紐工程建設(shè)中河床開挖的主要區(qū)域，因此壩下游0.4 km處水位的下降主要是由于河床開挖所至。

4.2 壩下游3.3 km處水位變化

小南海樞紐壩區(qū)河段為卵石夾砂河床，床沙粒徑范圍0.25～250 mm,中值粒徑d50為70.2 mm，河床抗水流沖刷能力較強(qiáng)。根據(jù)物理模型試驗結(jié)果，樞紐運(yùn)用20 a末，壩下游8.5 km河段范圍內(nèi)河床累積沖刷量僅為686.7萬m3，主要沖刷段在大中壩洲尾-王家溪長6.0 km河段[3]。因此壩下游3.3 km處水位變化主要是受三峽水庫回水的影響，試驗結(jié)果表明(表2)，小南海水庫運(yùn)用初期，壩下游3.3 km處，枯水期流量2 300～4 000 m3/s時，水位較建壩前最大下降0.09～0.12 m，出現(xiàn)在三峽水庫消落期；中水期流量8 610～14 320 m3/s時，水位較建壩前最大下降0.05～0.11 m，仍出現(xiàn)在三峽水庫消落期；洪水期流量20 000～52 600 m3/s時，水位較建壩前下降0.04～0.09 m。

表2 壩下游3.3 km處水位變化試驗成果

小南海水庫運(yùn)用20 a末，壩下游3.3 km處，枯水期水位下降值較水庫運(yùn)用初期有所減小，流量2 300～4 000 m3/s時，水位較建壩前最大下降0.05～0.07 m；中、洪水期水位較建壩前有不同程度的升高，流量8 610～14 320 m3/s時，水位較建壩前升高0.02～0.36 m；流量20 000～52 600 m3/s時，水位較建壩前升高0.20～0.37 m。主要原因是小南海樞紐運(yùn)用20 a末，相應(yīng)三峽水庫運(yùn)行40 a末(樞紐工程按2015年開工建設(shè)，施工工期8 a計算[1]，三峽工程運(yùn)行時間按2003年初期蓄水開始計算)，三峽水庫庫尾水位受庫區(qū)泥沙淤積增加的影響較初期有不同程度的上升。

4.3 壩下游8.2 km處水位變化

小南海樞紐壩下游8.2 km處水位是本次試驗中模型出口的控制水位，由三峽水庫一維長系列年泥沙數(shù)學(xué)模型計算提供，計算中考慮了三峽水庫調(diào)度和庫區(qū)泥沙淤積對小南海樞紐壩下游水位的影響。計算結(jié)果表明(表3)。小南海樞紐運(yùn)用20 a末，壩下游8.2 km處水位較樞紐運(yùn)用初期有不同程度的升高，枯水期流量2 300～4 000 m3/s時，在三峽水庫消落期，水位升高0.12～0.14 m，蓄水期水位變化不大；中水期流量8 610～14 320 m3/s時，在三峽水庫消落期水位升高0.24～0.48 m，蓄水期水位升高0.20～0.32 m，汛期水位升高0.63 m；洪水期流量20 000～52 600 m3/s時，水位升高0.31～0.68 m?？梢?，受三峽水庫調(diào)度和庫區(qū)泥沙淤積影響，小南海樞紐運(yùn)用20 a末壩下游8.2 km處水位較樞紐運(yùn)用初期有不同程度升高，其中汛期升幅最大，中水期次之，枯水期影響最小。

表3 壩下游8.2 km處水位變化試驗結(jié)果

綜上所述，小南海樞紐壩下游近壩段水位的變化，主要受壩下游河床開挖和三峽水庫回水變化的影響。在壩下游約4.0 km范圍內(nèi)，水位以下降為主，最大下降值出現(xiàn)在樞紐運(yùn)用初期枯水流量時，隨著三峽水庫運(yùn)行年限的增加，水庫泥沙淤積增多，水庫回水位有所升高，該河段內(nèi)水位降幅有所減?。粔蜗掠?.3 km以下河段，樞紐運(yùn)用初期水位較建壩前有所下降，隨著三峽水庫泥沙淤積的增加，水庫回水位的上升，該處水位將逐漸升高，并高于樞紐運(yùn)用初期水位。因此，小南海樞紐壩運(yùn)用后，壩下游河段同流量下水位的降低主要出現(xiàn)在壩下游約4.0 km長的河段范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

(1) 小南海樞紐修建后，壩下游近壩段水位較建壩前發(fā)生一定程度的變化，其變化幅度與施工期壩下游河床開挖、三峽水庫調(diào)度與泥沙淤積、樞紐清水下泄河床沖刷等因素有關(guān)，其中前2個因素是造成壩下游近壩段水位變化的主要原因。

(2) 小南海樞紐運(yùn)用后，壩下游約4 km河段范圍內(nèi)，水位較建壩前有不同程度下降，壩下游0.4 km處水位最大下降為1.47 m；壩下游4 km以下河段水位, 在樞紐運(yùn)用初期水位下降甚少，隨著三峽水庫運(yùn)行年限增加，庫區(qū)泥沙淤積的增多，河段水位逐漸升高并高于樞紐運(yùn)用初期水位，壩下游8.2 km處樞紐運(yùn)用20 a末水位較初期最大升高約0.6 m。

(3) 鑒于問題的復(fù)雜性和敏感性，建議下一階段應(yīng)加強(qiáng)對小南海樞紐河段原型水位觀測，進(jìn)一步分析三峽水庫運(yùn)用對該河段水位的影響。

[1] 陳鴻麗，顏家軍，張 風(fēng),等.重慶長江小南海水電站可行性研究報告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2011.(CHENG Hong-li，YAN Jia-jun，ZHANG Feng，etal. Report of Feasibility Research on Xiaonanhai Hydropower Project in Chongqing[R]. Wuhan: Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research,2011. (in Chinese))

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[8] 長江水利委員會.三峽工程泥沙研究[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社， 1997.(Changjiang Water Resources Commission. Research on Sediment of Three Gorges Project[M]. Wuhan: Hubei Publishers of Science and Technology, 1997. (in Chinese))

(編輯：曾小漢)

Fluctuation of Water Level in the Downstream River Course Near Damafter Operation of Xiaonanhai Hydropower Project in Chongqing

HUANG Jian-cheng, HUANG Yue

(River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010，China)

Through physical model and one-dimensional mathematical model, we analysed the water level variation under different characteristic discharges and the causes of the variation in the downstream river course near Xiaonanhai Hydropower Station in its initial operation stage and at the end of 20-year operation. The modeling results show that after the operation of Xiaonanhai station, water level decreased in the range 4km downstream of the dam compared with the natural status, the maximum decrease (1.47m) happened at 0.4km downstream from the dam during dry season in the initial operation stage. In the initial stage, no obvious water level drawdown happened in the downstream of the 4km range, but with the accumulated sedimentation in Three Gorges Reservoir (TGR), water level will rise higher than that in the initial stage. After 20 years of operation, the maximum increase (0.6m) of water level (compared with that in initial stage) happened at the position 8.2km downstream of the Xiaonanhai dam. The downstream river bed excavation in construction period and the sedimentation with TGR operation are both main causes of water level changing in the river course near Xiaonanhai Dam.

Xiaonanhai Hydropower Station;river course near dam;water level;physical model;mathematic model

2014-04-24；

2014-06-27

黃建成(1962-)，男，湖南長沙人，高級工程師，主要從事河流工程泥沙研究，(電話)027-82829873(電子信箱)1060912752@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.002

2015,32(05):6-10

TV143

A

1001-5485(2015)05-0006-05