清江來(lái)水對(duì)長(zhǎng)江宜昌站水位頂托影響分析

，，

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

宜昌水文站設(shè)立于1946年，屬國(guó)家一類基本水文站，是控制長(zhǎng)江中游干流基本水情的重要控制站、一類精度站、國(guó)家重要報(bào)汛站。幾十年來(lái)，宜昌水文站為葛洲壩和三峽兩大水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行以及水文、泥沙、水環(huán)境科研提供了大量原型觀測(cè)資料和研究成果。在長(zhǎng)江的治理開(kāi)發(fā)，特別是在長(zhǎng)江中下游防汛抗洪中，及時(shí)、準(zhǔn)確的水文測(cè)報(bào)資料發(fā)揮了重要作用。清江來(lái)水頂托是影響宜昌水文站報(bào)汛和預(yù)報(bào)精度的一個(gè)重要因素，本文重點(diǎn)探討如何利用已有的水文資料，評(píng)價(jià)清江出流對(duì)宜昌水文站水位的頂托影響程度。

1 工程概況

清江是長(zhǎng)江出三峽后的第一條大支流，發(fā)源于湖北省利川市，在宜昌水文站下游約38 km處的宜都市由右岸匯入長(zhǎng)江。清江干流全長(zhǎng)423 km，總落差達(dá)1 430 m，水能資源豐富。清江干流以恩施為界，恩施以下為清江中下游，分3級(jí)開(kāi)發(fā)，從上到下依次為水布埡水電站、隔河巖水電站、高壩洲水電站，均已建成。高壩洲水電站是清江干流最下游的一個(gè)梯級(jí)，位于隔河巖電站下游約50 km處，距下游宜都市約12 km(見(jiàn)圖1)。

圖1 清江入?yún)R長(zhǎng)江河道平面形勢(shì)

高壩洲水庫(kù)未蓄水之前，清江隔河巖下游至出口河段基本上以天然河道為主，位于隔河巖壩下的長(zhǎng)陽(yáng)站為清江主要控制站。2000年4月，隨著高壩洲水庫(kù)建成蓄水，原有天然河道逐漸演變?yōu)樗畮?kù)型河道，長(zhǎng)陽(yáng)站斷面控制作用減弱，隨后于2005年搬遷至高壩洲水庫(kù)壩址下游，改名為高壩洲站。

2 建庫(kù)前頂托影響分析

已有研究成果表明，清江來(lái)水流量在2 000 m3/s以上時(shí)對(duì)宜昌水文站水位可能有頂托影響。在清江流量匯入長(zhǎng)江約3 h后對(duì)宜昌水位產(chǎn)生頂托，使宜昌水文站水位流量關(guān)系發(fā)生扭曲，即同流量下水位抬高或同水位下流量減?。粚?duì)宜昌水位的頂托抬升值主要與清江流量有關(guān)，同時(shí)也受宜昌流量大小(或稱底水)的影響[1]。

2.1 清江頂托影響下宜昌水位流量關(guān)系

研究分別選擇了1982，1983，1986年和1990年清江長(zhǎng)陽(yáng)站4場(chǎng)較大的典型洪水過(guò)程，分析天然時(shí)期受頂托的宜昌水位過(guò)程線及水位流量關(guān)系變化情況，見(jiàn)圖2。

(1)清江1982年8月洪水。從8月22日08：00起漲，23：00達(dá)到峰頂，流量8 470 m3/s，見(jiàn)圖2(a)。此時(shí)，長(zhǎng)江宜昌洪水正處于峰頂偏后，流量約26 100 m3/s，見(jiàn)圖2(b)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值為 0.67 m，頂托過(guò)程持續(xù)時(shí)間約50 h，見(jiàn)表1。

(2)清江1983年9月洪水。從9月16日08：00起漲，17日02：00達(dá)到峰頂，流量達(dá)10 000 m3/s，見(jiàn)圖2(c)。此時(shí)，長(zhǎng)江宜昌洪水的落水面，流量約30 700 m3/s，見(jiàn)圖2(d)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達(dá)1.06 m，頂托過(guò)程持續(xù)時(shí)間約60 h，見(jiàn)表1。

(3)清江1986年7月洪水。從7月16日02：00起漲，21：00達(dá)到峰頂，流量為7 320 m3/s，見(jiàn)圖2(e)。此時(shí)，長(zhǎng)江宜昌洪水的峰頂前，流量約22 200 m3/s，見(jiàn)圖2(f)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達(dá)0.60 m，頂托過(guò)程持續(xù)時(shí)間約54 h，見(jiàn)表1。

(4)清江1990年6月洪水。從6月20日14：00起漲，22：00達(dá)到峰頂，流量為9 550 m3/s，見(jiàn)圖2(g)。此時(shí)，長(zhǎng)江宜昌洪水的漲水面，流量約19 700 m3/s，見(jiàn)圖2(h)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達(dá)1.17 m，頂托過(guò)程持續(xù)時(shí)間約51 h，見(jiàn)表1。

2.2 頂托影響的傳播時(shí)間分析

表1統(tǒng)計(jì)了4次典型工況頂托影響的特性成果，長(zhǎng)陽(yáng)出現(xiàn)洪峰后，當(dāng)宜昌水位達(dá)到最大時(shí)(此時(shí)即為頂托的最大水位抬升值)，頂托的傳播時(shí)間為6～13 h。為分析長(zhǎng)陽(yáng)至清江河口的傳播時(shí)間，選取高壩洲蓄水前長(zhǎng)陽(yáng)和毛家沱站(即蓄水后的高壩洲站)1987～1993年共21次洪水資料分析，傳播時(shí)間2～7 h，平均約4.4 h。長(zhǎng)陽(yáng)至毛家沱站距離約50 km，平均每1 km傳播時(shí)間約5.3 min，由此可推算出高壩洲站至河口的傳播時(shí)間約為1.1 h，長(zhǎng)陽(yáng)至河口的平均傳播時(shí)間約5.5 h。由表1平均頂托傳播時(shí)間成果(9 h)，結(jié)合長(zhǎng)陽(yáng)至河口的傳播時(shí)間(5.5 h)，可以推算出清江洪水入?yún)R長(zhǎng)江(即洪峰到達(dá)清江河口)影響宜昌水位的傳播時(shí)間平均為3.5 h，與以往結(jié)論接近。由此可推算出蓄水后，高壩洲出流對(duì)宜昌的頂托影響，傳播時(shí)間約 4.6 h。

2.3 頂托對(duì)宜昌水位的抬升值影響

選取高壩洲水庫(kù)蓄水前長(zhǎng)陽(yáng)站和宜昌水文站1969年、1982～1999年共42次洪水頂托資料分析，當(dāng)不考慮宜昌底水流量時(shí)，可建立清江長(zhǎng)陽(yáng)流量與宜昌水位最大抬升值擬合關(guān)系，見(jiàn)圖3，公式為

△Z宜=6×10-5×Q清1.0378

(1)

式中，△Z宜為宜昌水位最大頂托值，m；Q清為清江來(lái)水洪峰流量，m3/s。

3 建庫(kù)后頂托影響計(jì)算

2016年7月中下旬，清江流域發(fā)生特大洪水，清江水布埡水庫(kù)7月19日出現(xiàn)2007年建庫(kù)以來(lái)最大入庫(kù)流量13 100 m3/s，高壩洲水庫(kù)最大出庫(kù)流量達(dá)7 800 m3/s，使得宜昌水文站水位流量關(guān)系曲線明顯變形。圖4(a)中，關(guān)系曲線自節(jié)點(diǎn)①(水位47.69 m，相應(yīng)流量26 900 m3/s)開(kāi)始受到頂托影響，依次經(jīng)歷節(jié)點(diǎn)①至節(jié)點(diǎn)⑩(水位48.38 m，相應(yīng)流量29 500 m3/s)的變化過(guò)程，頂托影響隨著高壩洲站流量的消退而逐漸消失。

為進(jìn)一步分析經(jīng)梯級(jí)調(diào)度后的清江出庫(kù)流量對(duì)宜昌水文站的頂托過(guò)程及峰值變化與建庫(kù)前的差異，且考慮到清江梯級(jí)建成以后頂托年份資料較少，加之長(zhǎng)江干流河床的沖刷下切影響，擬采用DHI公司開(kāi)發(fā)的河道一維水流數(shù)學(xué)模型MIKE11計(jì)算研究[2-3]。

圖2 受清江頂托影響的宜昌水位流量關(guān)系

3.1 計(jì)算邊界條件

(1)模型計(jì)算范圍。選取長(zhǎng)江干流的上邊界為宜昌水文站，支流清江的上邊界為高壩洲水文站，下邊界為枝城水文站。干流河段長(zhǎng)約58 km，支流清江入流河段長(zhǎng)約12 km。

(2)河道斷面。宜昌水文站至枝城站采用2015年實(shí)測(cè)的64個(gè)橫斷面，清江高壩洲站至匯口采用2014年實(shí)測(cè)的12個(gè)橫斷面。

(3)上下邊界條件。長(zhǎng)江干流上邊界宜昌水文站和清江上邊界高壩洲站分別給定不同流量級(jí)入流的工況，下邊界枝城站水位由水位流量關(guān)系查算。

3.2 模型率定和檢驗(yàn)

為通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出2016年清江洪水過(guò)程對(duì)宜昌水文站的水位頂托影響，設(shè)計(jì)如表2所示的兩種計(jì)算工況，試圖還原得到高壩洲正常泄流情況下的宜昌水位過(guò)程，通過(guò)對(duì)比分析推求出高壩洲實(shí)際洪峰過(guò)程對(duì)宜昌水文站的水位頂托過(guò)程。

選取2016年7月1 ～ 18日的宜昌站和高壩洲站逐時(shí)報(bào)汛流量，以及枝城站的水位流量關(guān)系資料作為模型率定期，建立一維模型。再以2016年7月19 ～ 23日的相應(yīng)資料作為模型檢驗(yàn)期，以水位逐時(shí)誤差為目標(biāo)，進(jìn)行了糙率等參數(shù)的優(yōu)化率定。經(jīng)率定計(jì)算，宜昌水文站水位過(guò)程與實(shí)際報(bào)汛水位過(guò)程變化基本一致，對(duì)比如圖4(b)所示，最大誤差介于-0.34～0.26 m之間，模擬精度較高。說(shuō)明模型能較好地模擬宜昌水文站及高壩洲站不同流量級(jí)工況下的水位變化情況，作為頂托分析的依據(jù)。

表1 清江洪水對(duì)宜昌水位頂托影響典型工況

表3 高壩洲站和宜昌站不同流量級(jí)組合下對(duì)宜昌站水位的頂托值

圖3 宜昌水位抬升值與清江長(zhǎng)陽(yáng)流量的關(guān)系

圖4 數(shù)學(xué)模型計(jì)算2016年清江洪水頂托成果

計(jì)算工況干流上邊界清江上邊界下邊界備注1宜昌水文站實(shí)際流量過(guò)程高壩洲站實(shí)際流量過(guò)程枝城站H-Q關(guān)系模擬宜昌水文站實(shí)際水位過(guò)程2宜昌水文站實(shí)際流量過(guò)程高壩洲站1 000 m3/s恒定流過(guò)程枝城站H-Q關(guān)系模擬宜昌水文站還原水位過(guò)程

通過(guò)計(jì)算，水位最大頂托值達(dá)1.01 m，高壩洲站出現(xiàn)洪峰至宜昌水文站水位頂托達(dá)到最大時(shí)間約為5 h，與2.2節(jié)中通過(guò)分析歷史洪水得到的4.6 h基本一致，說(shuō)明模型較為可靠。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用已率定和驗(yàn)證的模型分別計(jì)算高壩洲站和宜昌水文站不同流量級(jí)組合情況下的頂托情況(見(jiàn)表3)，發(fā)現(xiàn)宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜不僅與高壩洲流量Q高有關(guān)，還與宜昌水文站流量Q宜相關(guān)。通過(guò)模型計(jì)算，整理出如圖5所示的ΔZ宜、Q宜、Q高三個(gè)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。由圖可知，高壩洲站流量相同時(shí)，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜與宜昌站流量成反比；當(dāng)宜昌站流量相同時(shí)，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜與高壩洲流量成正比。

圖5 ΔZ宜、Q宜、Q高 三個(gè)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

采用模型計(jì)算得到的3個(gè)參數(shù)相關(guān)圖，查算建庫(kù)前各次清江洪水的頂托值，再結(jié)合通過(guò)水位流量關(guān)系還原計(jì)算出的宜昌水位抬升值，對(duì)比分析建庫(kù)前后的頂托值差異，結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，采用3個(gè)參數(shù)相關(guān)圖查算出的宜昌水位抬升值較小，可能是由于三峽水庫(kù)蓄水后壩下河床沖刷下切及清江中下游梯級(jí)電站人工削峰調(diào)度的共同影響。

表4 各場(chǎng)次清江洪水頂托值成果

4 結(jié) 論

(1)清江中下游梯級(jí)水庫(kù)自建成以來(lái)，由于水庫(kù)的科學(xué)削峰調(diào)度，清江出流洪峰流量較天然情況下大幅減小，對(duì)宜昌水文站水位產(chǎn)生頂托的洪水場(chǎng)次隨之減少。采用實(shí)測(cè)水文資料與一維水流數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，可以解決頂托資料有限的問(wèn)題，并能詳細(xì)分析清江建庫(kù)后不同流量級(jí)出流對(duì)宜昌水文站的水位頂托影響。

(2)2016年7月清江洪水過(guò)程，高壩洲站出現(xiàn)洪峰至宜昌水文站水位頂托達(dá)到最大時(shí)間約為5 h，與建庫(kù)前通過(guò)分析歷史洪水推算出的4.6 h基本一致。通過(guò)3個(gè)參數(shù)相關(guān)圖反算宜昌站水位抬升值小于水位流量關(guān)系還原計(jì)算出的水位抬升值。

(3)研究成果可用于指導(dǎo)宜昌水文站水位流量關(guān)系定線工作，提高相應(yīng)流量報(bào)汛精度，還可精確評(píng)價(jià)水位頂托對(duì)宜昌水文站上游葛洲壩電廠發(fā)電水頭的影響值，為電站提高發(fā)電效率及科學(xué)調(diào)度提供參考。研究思路可供類似受支流來(lái)水頂托的水文站相關(guān)分析作參考。