三峽工程運(yùn)用后宜枝河段平灘流量調(diào)整特點(diǎn)

周美蓉，夏軍強(qiáng)，鄧珊珊，許全喜

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 長江水利委員會(huì) 水文局，武漢 430010)

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三峽工程運(yùn)用后宜枝河段平灘流量調(diào)整特點(diǎn)

周美蓉1，夏軍強(qiáng)1，鄧珊珊1，許全喜2

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 長江水利委員會(huì) 水文局，武漢 430010)

三峽水庫蓄水運(yùn)用后，清水下泄使得壩下游宜枝河段發(fā)生顯著沖刷，河道過流能力也相應(yīng)調(diào)整。宜枝河段(包括宜昌及宜都兩河段)斷面形態(tài)復(fù)雜，且過流能力沿程差異較大，河段平均的平灘流量更能反映其綜合過流能力。采用基于對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的幾何平均與斷面間距加權(quán)平均相結(jié)合的方法，分別計(jì)算了宜昌及宜都河段2002—2013年各年汛后的平灘流量，分析了河床沖淤變化對(duì)河段平灘流量的影響，同時(shí)還建立了兩河段平灘流量與前5 a汛期平均水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)河段沖刷時(shí)，平灘流量增大，反之則減??；宜昌河段平灘流量與水流強(qiáng)度相關(guān)性系數(shù)較低，為0.64，而在宜都河段為0.94，表明宜都河段對(duì)上游水沙條件變化的響應(yīng)較宜昌河段更為顯著。

三峽工程；水沙條件；河床沖淤；河段平灘流量；宜枝河段

1 研究背景

三峽工程運(yùn)用后， 清水下泄造成壩下游宜枝(宜昌至枝城)河段持續(xù)沖刷， 河槽形態(tài)改變， 平灘流量也相應(yīng)發(fā)生顯著調(diào)整。 平灘水位下河道的過流能力(即平灘流量)是防洪設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一， 也是衡量水流造床能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。 因此研究近期宜枝河段平灘流量的調(diào)整特點(diǎn)十分必要。

平灘流量指特定斷面水位與河漫灘齊平時(shí)該斷面所通過的流量， 其調(diào)整變化與上游來水來沙條件密切相關(guān)[1]。 楚萬強(qiáng)等[2]探討了重慶主城區(qū)河段造床流量變化對(duì)水沙條件的響應(yīng)， 發(fā)現(xiàn)其與多年平均的年流量及汛期流量之間存在較高的相關(guān)性。 吳保生等[3]通過分析1960—2002年黃河下游主要水文站的實(shí)測平灘流量資料， 并考慮含沙量的影響， 建立了平灘流量與前4 a滑動(dòng)平均汛期流量及來沙系數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。 吳保生[4]還根據(jù)河床調(diào)整速率與其當(dāng)前狀態(tài)和平衡狀態(tài)之間的差值成正比的基本規(guī)律， 提出了沖積河流平灘流量的滯后響應(yīng)模型， 闡明了前期水沙條件對(duì)平灘流量滯后影響的物理本質(zhì)。 需要說明的是， 此類方法多以特定水文斷面為研究對(duì)象， 計(jì)算得到的平灘流量不能代表整個(gè)河段的綜合過流能力。 目前計(jì)算河段尺度的平灘流量一般采用算數(shù)平均或幾何平均的方法。 梁志勇等[5]采用算數(shù)平均法計(jì)算了1973—1996年花園口—利津河段的平灘幾何特征參數(shù)， 然而該方法得到的河段平灘面積與相應(yīng)流速之積不等于河段平灘流量， 不滿足水流連續(xù)性條件。 Harman等[6]采用基于對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的幾何平均法來解決上述問題， 計(jì)算得到的平灘河槽形態(tài)參數(shù)可較好地滿足水流連續(xù)性要求， 但未考慮到斷面間距不等對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

基于以上考慮，本文采用將對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的幾何平均和斷面間距加權(quán)平均相結(jié)合的方法，計(jì)算了2002—2013年各年汛后宜昌及宜都河段的平灘流量，并分析了河床沖淤變化與河段平灘流量調(diào)整之間的關(guān)系，此外還建立了各河段平灘流量與前5 a汛期平均水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

2 河段概況

長江作為我國第一大河，發(fā)源于青藏高原，并自西向東注入東海，全長約6 300 km，分為上、中、下游，其中長江中游指宜昌到湖口之間的河段，長達(dá)955 km[7]。宜枝河段即位于長江中游，上起宜昌，下迄枝城，長約59 km，為三峽及葛洲壩工程下游的近壩段，其間有清江等小支流入?yún)R。以虎牙灘為界，可將該河段分為宜昌、宜都2個(gè)河段，其長度分別為19.4，39.6 km，如圖1所示。

圖1 宜枝河段示意圖Fig.1 Sketch of the Yichang-Zhicheng Reach

宜枝河段是山區(qū)河流到平原河流的過渡段，總體為寬谷型順直微彎河段，其中宜昌段河身基本順直，而宜都段相對(duì)蜿蜒[7]。三峽工程運(yùn)用前，宜枝河段主要為沙夾卵石河床，礫卵石所占比例自上而下遞減，其中宜昌段河床組成基本為細(xì)沙與礫卵石兩相，且沙質(zhì)覆蓋層較??；而宜都段河床組成以細(xì)沙為主，礫卵石和粗中沙為次，沙泓覆蓋層厚達(dá)10 m左右[8]。三峽工程運(yùn)用以來，宜枝河段總體呈持續(xù)沖刷趨勢，2003—2013年平灘河槽累積沖刷量達(dá)1.44×108m3，且主要集中在宜都河段，沖刷量占河段總沖刷量的88%[8]。在河床持續(xù)沖刷的過程中，宜枝河段床面泥沙不斷發(fā)生分選，河床逐漸粗化，2001年該河段床沙平均中值粒徑約為0.40 mm，截至2012年已增加到23.59 mm[8]。與此同時(shí)，河床糙率也隨著床沙粗化而增大，2009年該河段平均糙率較蓄水前(1980—2002年)增大了20%左右[8]。

宜枝河段的水沙主要來自長江上游，三峽工程運(yùn)用前(1950—2002年)，宜昌站多年平均汛期水量為3 456×108m3，而蓄水后(2003—2013年)減小到2 983×108m3，汛期來水量變化相對(duì)較小。然而，長江上游大型水庫的修建及水土保持工程的實(shí)施使得上游來沙量顯著減少，宜昌站多年平均汛期輸沙量由蓄水前的4.74×108t降低到0.46×108t，降幅達(dá)90%。

3 斷面及河段尺度平灘流量計(jì)算

3.1 平灘高程的確定方法

計(jì)算斷面平灘流量首先要確定平灘高程，主要是通過套繪相鄰年份各固定斷面的汛后地形，具體原則如下[1]：①當(dāng)主槽灘唇明顯時(shí)，以兩岸灘唇較低者為平灘高程；②當(dāng)主槽灘唇明顯，但與相鄰斷面的平灘高程差距較大時(shí)，需考慮相鄰斷面的灘唇高度，進(jìn)行綜合確定；③當(dāng)主槽灘唇不明顯時(shí)，則參考相鄰斷面及該斷面相鄰測次的平灘高程，盡可能使灘唇高度不發(fā)生大的變動(dòng)。

宜枝河段部分?jǐn)嗝娴臑┐轿恢貌幻黠@，如宜57斷面(見圖2(a))，此時(shí)需根據(jù)該斷面的實(shí)測地形及相鄰斷面的灘唇高度，綜合確定其平灘高程為49.42 m；而荊2斷面灘唇位置較為明顯，則可直接確定其平灘高程為47.08 m，見圖2(b)。兩岸灘唇的間距為平灘河寬(Bbf)，平灘水位與河床圍成的面積即為平灘面積(Abf)，而平灘水深則為面積與河寬的比值(Hbf)。

圖2 2013年典型斷面平灘高程的確定Fig.2 Identification of bankfull dimensions in 2013 at typical sections

3.2 斷面平灘流量的估算

平灘流量的估算采用一維水動(dòng)力學(xué)模型，主要控制方程有[9]：

連續(xù)方程

(1)

運(yùn)動(dòng)方程

(2)

式中：Q為斷面平均流量(m3/s)；Z，A分別為斷面平均水位(m)、過水面積(m2)；Jl為斷面局部阻力；Jf為斷面能坡；αf為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度(取9.81 m/s2)；x為距離。

采用有限差分法離散上述方程，并用二分法求解，計(jì)算得到河段內(nèi)各個(gè)斷面的平灘流量。該模型考慮到了斷面地形變化對(duì)水位-流量關(guān)系產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果較為合理[9]。具體計(jì)算過程如下。

(1) 給定邊界條件：利用汛后實(shí)測斷面地形資料作為河床邊界條件(不考慮河床沖淤變形)，每隔2 000 m3/s設(shè)定流量級(jí)作為進(jìn)口水沙條件(不考慮水流含沙量及清江等小支流入?yún)R)，并采用出口斷面實(shí)測的水位-流量關(guān)系作為下游邊界條件。如圖3(a)所示，根據(jù)枝城站2013年實(shí)測水位-流量關(guān)系曲線，可計(jì)算得到某一進(jìn)口流量下相應(yīng)的出口斷面水位，如2×104m3/s流量下枝城站水位為40.09 m。

(2) 率定沿程糙率：利用一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，率定各水文斷面間的糙率，依次使得上游水文斷面(宜都、紅花套、宜昌站)的水位-流量關(guān)系與實(shí)測情況能較好地符合，從而進(jìn)一步確定宜枝河段各個(gè)固定斷面的水位-流量關(guān)系，如圖3(b)所示。

(3) 確定平灘流量：依據(jù)各固定斷面的實(shí)測平灘高程，由各斷面水位-流量關(guān)系計(jì)算曲線上確定相應(yīng)平灘高程對(duì)應(yīng)的流量，即為平灘流量。

圖3 宜枝河段各水文斷面的水位-流量關(guān)系Fig.3 Stage-discharge curves at different sections

3.3 斷面平灘流量計(jì)算結(jié)果分析

采用上述方法可計(jì)算得到2002—2013年宜枝河段50個(gè)固定斷面的平灘流量，各斷面計(jì)算結(jié)果差異較大，個(gè)別斷面平灘流量超過10×104m3/s，而少數(shù)斷面則未達(dá)到5×104m3/s。斷面平灘流量主要取決于平灘面積及平灘水位下的斷面平均流速[9]。宜昌、宜都河段各固定斷面平灘河槽形態(tài)存在著顯著差異，且不同斷面所受的水流阻力、河床阻力各不相同，影響著斷面過流速度，這兩者使得各斷面平灘流量沿程變化較大。典型斷面平灘流量變化過程見圖4。

圖4 宜昌、宜都河段特定斷面及河段尺度的平灘流量變化過程Fig.4 Temporal variations in the reach and section-scale bankfull discharges of Yichang Reach and Yidu Reach

宜66斷面位于葛洲壩下游43.84 km處，2012年該斷面水位平灘時(shí)所能通過的流量為4.45×104m3/s，如圖4(b)所示。然而同年宜昌站日均流量超過4.60×104m3/s的天數(shù)達(dá)到了4 d，上游來水量超過了宜66斷面的過流能力，使其發(fā)生漫灘現(xiàn)象，威脅到了兩岸的防洪安全，因而研究平灘水位下斷面的過流能力具有實(shí)際意義。

3.4 河段平灘流量計(jì)算

(3)

式中：xi表示第i個(gè)斷面距大壩的距離；N為斷面數(shù)量，宜昌及宜都河段的計(jì)算斷面數(shù)分別為22，28個(gè)；L為計(jì)算河段的長度。

計(jì)算結(jié)果表明：河段平灘流量與特定斷面平灘流量之間存在較為顯著的差異。宜34斷面位于葛洲壩下游4.88 km處，2002—2013年該斷面平灘流量從5.33×104m3/s增加到6.22×104m3/s，增幅為16.7%；宜46斷面位于葛洲壩下游17.24 km處，其平灘流量在12 a間僅增加了0.5%；兩者與宜昌河段平灘流量6.2%的增幅均存在一定的差異，宜昌河段平均平灘流量尺度計(jì)算見圖4(a)。宜55斷面、宜66斷面分別位于葛洲壩下游30.48，43.84 km處，前者平灘流量在12 a間增大了2.2%，后者則增大了9.5%，而宜都河段平灘流量增幅為13.2%，變化幅度均大于上述特定斷面，宜都河段平均平灘流量尺度計(jì)算見圖4(b)。上述4個(gè)斷面間隔距離大致相等，基本貫穿整個(gè)河段，此外，選取的斷面均位于較為順直的河段(圖1)，沒有經(jīng)過江心洲等特殊地形位置，可較好地反映宜枝河段斷面平灘流量的基本情況。

4 河段平灘流量變化過程及分析

4.1 河段平灘流量與沖淤量的關(guān)系

平灘流量主要取決于平灘面積及平灘水位下的斷面平均流速[9]，而平灘面積又與河床沖淤變化密切相關(guān)，故平灘流量與其河段沖淤量之間必然存在一定的聯(lián)系。圖5給出了宜昌及宜都河段平灘流量與相應(yīng)累積沖淤量的變化過程，發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢基本相反：當(dāng)河段淤積時(shí)，平灘流量相應(yīng)減??；反之，平灘流量則增加。

圖5 宜昌、宜都河段平灘流量與相應(yīng)累積沖淤量的變化過程Fig.5 Temporal variations in the reach-scale bankfull discharges and the cumulative channel evolution volumes in different reaches

進(jìn)一步分析可知，平灘流量與河段累積沖淤量的線性相關(guān)性系數(shù)在宜都河段高達(dá)0.95，而相關(guān)程度在宜昌河段卻較低，相關(guān)系數(shù)僅為0.65。由此可知，宜昌河段平灘流量大小除受河道的沖淤變化影響之外，必然還受到其他因素的控制。初步分析表明：一方面是因?yàn)橐瞬佣魏哟泊只^快，沖刷量較?。涣硪环矫鎰t是由于宜昌河段受河床阻力增加及胭脂壩高灘壅水作用等因素的影響較大[11]。這些控制水位下降的作用與河床沖刷導(dǎo)致的水位下降發(fā)生了相互抵消，從而使得宜昌河段平灘流量與累積沖淤量的相關(guān)程度較低。

4.2 河段平灘流量與來水來沙條件的關(guān)系

在低含沙量河流上，如宜枝河段，一般可用水流沖刷強(qiáng)度參數(shù)來代表水沙條件[10]，則汛期平均的水流沖刷強(qiáng)度(Ff)可定義為

(4)

式中：Nf為汛期的總天數(shù)，宜枝河段水文年中汛期一般指5—10月份；Qj和Sj分別為汛期日均流量(m3/s)和懸移質(zhì)含沙量(kg/m3)。

(5)

式中：k為系數(shù)；為指數(shù)。

圖6 河段尺度平灘流量與F5f的關(guān)系Fig.6 Relationshipsbetweenthereach-scalebankfulldischargeandthefive-yearaveragefluvialerosionintensityduringfloodseasonsindifferentreaches

圖7 河段尺度平灘流量式(3)和式(5)計(jì)算值比較Fig.7 Comparisonsbetweenthereach-scalebankfulldischargescalculatedusingEq.(3)andthatcalculatedusingEq.(5)indifferentreaches

5 結(jié) 論

采用基于河段平均的方法，計(jì)算了三峽近壩段(宜昌及宜都河段)2002—2013年各年的平灘流量，增幅分別達(dá)到了6.2%及13.2%。并研究了近期河床沖淤及水沙條件變化對(duì)河段平灘流量的影響，得出如下結(jié)論。

(1) 分析了宜昌及宜都河段平灘流量與所在河段沖淤量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)河段發(fā)生沖刷時(shí)，平灘流量增大，反之則減小。但由于宜昌河段平灘流量受河床阻力增加、胭脂壩高灘壅水作用等因素的影響較大，兩者的相關(guān)程度低于宜都河段。

(2) 建立了宜昌及宜都河段平灘流量與前5 a汛期平均的水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明：宜昌河段平灘流量與水流沖刷強(qiáng)度的相關(guān)性較低，但在宜都河段相關(guān)程度高達(dá)0.94，可較好地反映平灘流量隨上游水沙條件的變化趨勢。

[1] 夏軍強(qiáng), 吳保生, 李文文. 黃河下游平灘流量不同確定方法的比較[J]. 泥沙研究, 2009, (3): 20-29.

[2] 楚萬強(qiáng), 李永麗, 謝 龍. 長江干流重慶主城河段造床流量計(jì)算[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 34(2): 69-72，117.

[3] 吳保生, 夏軍強(qiáng), 張?jiān)h. 黃河下游平灘流量對(duì)來水來沙變化的響應(yīng)[J]. 水利學(xué)報(bào), 2007, 38(7): 886-892.

[4] 吳保生. 沖積河流河床演變的滯后響應(yīng)模型-Ⅰ模型建立[J]. 泥沙研究, 2008, (6): 1-7.

[5] 梁志勇, 楊麗豐, 馮普林. 黃河下游平灘河槽形態(tài)與水沙搭配之關(guān)系[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2005, 24(6): 68-71.

[6] HARMAN C,STEWARDSON M,DEROSE R.Variability and Uncertainty in Reach Bankfull Hydraulic Geometry[J]. Journal of Hydrology, 2008, 351:13-25.

[7] 長江流域規(guī)劃辦公室. 長江中下游河道基本特征[M]. 武漢: 長江流域規(guī)劃辦公室水文局, 1983.

[8] 長江水利委員會(huì)水文局. 2013年度三峽水庫進(jìn)出庫水沙特性、水庫淤積及壩下游河道沖刷分析[R]. 武漢: 長江水利委員會(huì)水文局, 2014.

[9] 夏軍強(qiáng), 吳保生, 王艷平，等. 黃河下游河段平灘流量計(jì)算及變化過程分析[J]. 泥沙研究, 2010, (2): 6-14.

[10]XIA J Q, LI X J, LI T,etal. Response of Reach-scale Bankfull Channel Geometry in the Lower Yellow River to the Altered Flow and Sediment Regime[J]. Geomorphology, 2014, 213: 255-265.

[11]牛蘭花, 李云中, 杜林霞. 三峽工程壩下游河段控制節(jié)點(diǎn)演變及護(hù)底試驗(yàn)效果分析[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2014, 31(6):123-129.

(編輯：陳 敏)

Characteristics of Adjustment in Reach-scale Bankfull Discharge ofYichang-Zhicheng Reach after the TGP Operation

ZHOU Mei-rong1, XIA Jun-qiang1, DENG Shan-shan1, XU Quan-xi2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072, China; 2.Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

A sharp reduction in sediment load has caused a significant process of channel degradation along the Yichang-Zhicheng Reach after the operation of the Three Gorges Project (TGP), especially in the adjustment of flood discharging capacity. In view of the complicated cross-sectional profiles and the great longitudinal variability inflood discharging capacity, the reach-scale bankfull discharges in the reaches of Yichang and Yidu from 2002 to 2013 were estimated using a combination of geometric average and weighted average method. The effect of channel erosion and deposition on the reach-scale bankfull discharge in each reach was investigated. In addition, empirical relationships were established between the reach-scale bankfull discharge and the previous five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons for these two reaches, and it was found that bankful discharge increased with erosion, and decreased with deposition; the correlation between bankful discharge and flow intensity in Yichang was 0.64, whereas in Yidu it was 0.94, indicating that the response of bankfull discharge to the altered flow and sediment regime in the Yidu reach was more remarkable than that in the Yichang reach.

Three Gorges Project; flow and sediment regime; channel erosion and deposition; reach-scale bankfull discharge; Yichang-Zhicheng Reach

2015-08-31；

2015-10-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579186，51339001)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0402303)

周美蓉(1992-)，女，浙江衢州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹恿鲃?dòng)力學(xué)，(電話)13163385306(電子信箱)ZMR@whu.edu.cn。

夏軍強(qiáng)(1974-)，男，浙江紹興人，教授，博士，研究方向?yàn)楹恿鲃?dòng)力學(xué)，(電話)027-68774302(電子信箱)xiajq@whu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150725

2016,33(10):1-5,11

TV147

A

1001-5485(2016)10-0001-05