三峽水庫入庫洪水與壩址洪水關(guān)系研究

舒衛(wèi)民,李秋平,鮑正風(fēng),張雅琦

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司,湖北宜昌443133；2.長江三峽水文水資源勘測局,湖北宜昌443002)

0 引 言

三峽工程位于長江上游與中游交界處,控制流域面積約100萬km2,約占全流域面積的56%。

其壩址代表站為宜昌站,干流寸灘站、支流烏江武隆站是三峽水庫入庫代表站。干流寸灘站、支流烏江武隆站以下至宜昌稱為三峽區(qū)間[1-2],長約658 km,區(qū)間集水面積為5.59 km2,約占宜昌以上流域面積的5.6%。

三峽水庫于2010年蓄水至正常蓄水位175 m后,庫區(qū)的水文水力學(xué)特性發(fā)生了較大的改變,天然狀態(tài)下的產(chǎn)匯流規(guī)律也發(fā)生了變化。特別是,洪水傳播時間,從寸灘到壩址傳播時間由天然狀態(tài)下的約36 h,變?yōu)樾钏蟮募s6 h。水文情勢的變化主要表現(xiàn)在[3]：①庫區(qū)水位抬高、水面擴(kuò)大,蒸發(fā)量增大,降雨期水面直接徑流增大,庫區(qū)匯流加快；②水位抬高后,水深大幅增大,庫區(qū)內(nèi)洪水傳播由原先的動力波轉(zhuǎn)為以慣性波為主,洪水傳播時間縮短；③三峽水庫蓄水后,回水長度超過600 km,但平均庫寬僅1 km多,為典型的河道型水庫,庫區(qū)內(nèi)水面比降較大,動庫容影響明顯(如2010年7月洪水期間,庫區(qū)清溪場至壩前水面最大比降達(dá)14 m多,動庫容量為53億m3左右)；④三峽水庫庫區(qū)范圍大,由于來水組成的不同可能造成每場洪水特性不同,洪水演進(jìn)變化很大,其對水庫壩前水位的影響時間和程度都有較大差異。

三峽壩址洪水、入庫洪水過程是三峽水庫及長江中下游防洪調(diào)度的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)。因此,分析三峽水庫入庫洪水與壩址洪水關(guān)系,既能夠?yàn)槿龒{水庫防洪興利調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)；又在理論方法和實(shí)際應(yīng)用上對提高三峽水庫科學(xué)調(diào)度和管理水平、充分發(fā)揮三峽水庫的綜合利用效益具有重要的意義。

1 入庫洪水與壩址洪水

入庫洪水是指建庫后通過水庫周邊及庫面降雨同時進(jìn)入水庫的流量過程。主要由三部分組成：水庫形成后由水庫回水末端附近干支流水文站或某計(jì)算斷面以上流域產(chǎn)生的洪水；干支流各水文站以下到水庫周邊區(qū)間流域面積上產(chǎn)生的洪水；以及降水直接形成的庫面洪水。實(shí)際上,入庫洪水是以分散的形式進(jìn)入水庫的。但根據(jù)資料條件和調(diào)洪要求,入庫洪水有集中和分區(qū)兩種形式。傳統(tǒng)的水文學(xué)調(diào)洪演算時,將水庫作為一個整體,要求輸入一個總的入庫洪水過程,即所謂的集中入庫洪水。

近年來,隨著計(jì)算技術(shù)和調(diào)洪方法的發(fā)展,可采用非恒定流數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行調(diào)洪演算,要求給出各分區(qū)入庫洪水過程,即為分區(qū)入庫洪水。集中入庫洪水和分區(qū)入庫洪水兩者相輔相成。推求出各分區(qū)洪水過程與干支流入庫點(diǎn)洪水,即組成了水庫的分區(qū)入庫洪水；經(jīng)同時流量疊加,即為集中入庫洪水。壩址洪水是指通過水庫壩址斷面的流量過程。

由于水庫建成以后,原庫區(qū)天然河道的河道匯流轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮烊肓?入庫洪水與壩址洪水存在差別[4](見圖1),主要差異有：

(1)入庫洪水是在水庫周邊匯入,壩址洪水是在壩址斷面的出流,兩者的流域調(diào)節(jié)程度不同。建庫后,回水末端到壩址處的河道被回水淹沒成為庫區(qū),原河槽調(diào)蓄能力喪失,再加上干支流和區(qū)間陸面洪水常易于遭遇,使得入庫洪水的洪峰增高,峰形更尖瘦。

圖1 入庫洪水、壩址洪水比較

(2)庫區(qū)產(chǎn)流條件改變,使得入庫洪水的洪量增大。水庫建成后,上游干支流和區(qū)間陸面流域面積的產(chǎn)流條件相同；而水庫回水淹沒區(qū)(庫面)由原來的陸面變?yōu)樗?產(chǎn)流條件相應(yīng)發(fā)生了改變。在洪水期間庫面由陸地產(chǎn)流變?yōu)樗畮焖嬷苯映屑{降水,由原來的陸面蒸發(fā)損失變?yōu)樗嬲舭l(fā)損失；但一般情況下,洪水期間庫面的蒸發(fā)損失不大,可以忽略不計(jì)。因此,庫區(qū)水面產(chǎn)流比陸面產(chǎn)流大,同樣的降水量建庫后入庫洪量比建庫前洪量大。

(3)流域匯流時間縮短,入庫洪峰流量出現(xiàn)時間提前,漲水段的洪量增大。建庫前,流域匯流時間為坡面和河道(至壩址斷面處)的匯流時間。建庫后,洪水由干支流的回水末端和周邊入庫,因而流域總的匯流時間縮短,入庫洪峰流量出現(xiàn)的時間相應(yīng)提前。庫面降雨的洪量一般集中于漲水段。因此,入庫洪水漲水段的洪量占一次洪水總量的比重,一般較建庫前的壩址洪水增大。此外,由于流域匯流時間縮短,也造成了前述的干支流與區(qū)間陸面洪水常易于遭遇。

2 入庫洪水與壩址洪水的關(guān)系

2.1 峰現(xiàn)時間關(guān)系

為探討入庫洪水和壩址洪水峰現(xiàn)時間的關(guān)系,本文用Δt表示入庫洪水較壩址洪水的峰現(xiàn)時間提前量。即

Δt=t壩-t入

(1)

式中,t壩、t入分別為壩址洪水、入庫洪水的峰現(xiàn)時間。三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水峰現(xiàn)時間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2和表 1。

圖2 三峽入庫洪水與壩址洪水峰現(xiàn)時間提前天數(shù)

由圖2可以看出,三峽水庫入庫洪水洪峰出現(xiàn)時間均不晚于壩址洪水峰現(xiàn)時間,峰現(xiàn)時間最早提前4 d,最遲與壩址洪水峰現(xiàn)時間在同一天。

統(tǒng)計(jì)分析1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水峰現(xiàn)時間提前量Δt,分析結(jié)果見表1。

表1 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水峰現(xiàn)時間提前天數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出,55年中有32年峰現(xiàn)時間均提前2 d,占總年數(shù)的58%；其次有17年峰現(xiàn)時間提前1 d,占總年數(shù)的31%?？傮w來說,三峽水庫入庫洪水峰現(xiàn)時間較壩址洪水峰現(xiàn)時間多年平均提前1.8 d左右。

2.2 洪峰流量關(guān)系

一般經(jīng)驗(yàn)表明,入庫洪水與壩址洪水洪峰流量之間的關(guān)系可用簡單的線性關(guān)系加以描述[5]。即

Q入=αQ壩

(2)

式中,Q壩、Q入分別為壩址洪水、入庫洪水的洪峰流量。

根據(jù)三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大日流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見圖3和表2)可以看出,入庫洪水與壩址洪水年最大日洪峰的倍比均大于1,其中最大值為1.32,最小值為1.01。分別統(tǒng)計(jì)建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪峰倍比的均值,均為1.14,說明入庫與壩址洪水的洪峰倍比關(guān)系不存在突變,建庫前后系列一致性較好。

表4 三峽水庫入庫與壩址洪水年最大3 d、7 d 、15 d洪量比較 億m3

圖3 三峽水庫入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量過程

統(tǒng)計(jì)1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大日平均流量倍比值α,分析結(jié)果(見表3)顯示,55年中有11年α>1.2,有12年1.15≤α<1.2,有16年1.1≤α<1.15,剩下17年α<1.1,倍比分布較為均勻。

表2 三峽水庫入庫與壩址洪水年最大洪峰流量比較 m3/s

表3 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大洪峰流量倍比統(tǒng)計(jì)

2.3 時段洪量關(guān)系

一般經(jīng)驗(yàn)表明,入庫洪水與壩址洪水洪量之間的關(guān)系可用簡單的線性關(guān)系加以描述[6]。即

W入=αW壩

(3)

式中,W壩、W入分別為壩址洪水、入庫洪水的相應(yīng)時段洪量。

本次采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,根據(jù)三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大時段洪量,分別分析入庫洪水與壩址洪水的3、7 d和15 d的洪量關(guān)系。

(1)年最大3 d洪量關(guān)系。根據(jù)三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表4),可以看出入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量的倍比均大于1,但較洪峰倍比小,最大值為1.22,最小值為1.00。分別統(tǒng)計(jì)建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值約為1.10。統(tǒng)計(jì)1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大 3 d洪量倍比值α,分析結(jié)果(表5)顯示,倍比主要集中在1.05～1.15之間,55年中共有21年1.05≤α<1.10,有14年1.10≤α<1.15,剩下分別有10年α>1.15,10年α<1.05。

表5 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址洪水年最大3 d洪量倍比統(tǒng)計(jì)

(2)年最大7 d洪量關(guān)系。從三峽水庫1954年、1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大7 d洪量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表4)可以看出,入庫洪水與壩址洪水年最大7 d洪量的倍比值在1.00～1.08之間,建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均為1.03,較年最大3 d洪量倍比有所減小,說明隨著統(tǒng)計(jì)時段的延長,入庫洪量與壩址洪量逐漸接近。

(3)年最大15 d洪量關(guān)系。根據(jù)三峽水庫1954年、1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水年最大15 d 洪量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表4),可以看出入庫洪水與壩址洪水年最大15 d洪量的倍比值在1.00～1.03之間,建庫前、建庫后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均僅為1.01,入庫洪量逐步接近于壩址洪量。

表6 三峽水庫1960年～2014年入庫與壩址年最大洪水特征值

2.4 分析結(jié)果

本節(jié)分析了三峽水庫1960年～2014年長系列入庫洪水和壩址洪水統(tǒng)計(jì)特征值的關(guān)系,主要結(jié)論如下：①入庫洪水較壩址洪水的年最大洪水峰現(xiàn)時間多年平均約提前2 d(最長4 d,最短為0)。②入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量倍比α為1.01～1.32,多年均值為1.14。③入庫洪水與壩址洪水年最大3 d洪量、7 d洪量、15 d洪量倍比α分別約為1.10、1.03和1.01。

因入庫洪水與壩址洪水的年最大15 d洪量基本一致,符合水量平衡原理；因此,本次入庫洪水年最大15 d洪量直接采用壩址洪水年最大15 d洪量成果,不再對其插補(bǔ)。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)關(guān)系將入庫洪水與壩址洪水比較,入庫洪水具有以下特點(diǎn)：

(1)洪峰增高。入庫洪峰流量比壩址洪峰流量增高,1981年、1982年洪水,洪峰明顯增高,流量增大20%以上。

(2)洪峰出現(xiàn)時間提前。入庫最大流量比壩址洪峰流量提前出現(xiàn),一般約為2 d左右,但各年水情不同,提前時間稍有差別。1981年洪峰提前 48 h,因?yàn)檫@年洪水主要來自寸灘以上。

(3)洪量集中。根據(jù)水文資料計(jì)算,長江干流寸灘至宜昌區(qū)間河槽槽蓄量較大。如,1981年洪水最大槽蓄量達(dá)102.1億m3；1982年為58.5億m3。當(dāng)三峽水庫建成后,在庫區(qū)回水范圍內(nèi),天然河道被淹沒,原有的河槽調(diào)蓄作用消失。因此,入庫洪水比壩址洪水底寬縮短,洪水量更加集中。

3 入庫洪水與壩址洪水相關(guān)分析

為進(jìn)一步挖掘三峽入庫洪水與壩址洪水的深層次關(guān)系,本文采用線性回歸方法從洪峰、3d洪量以及7 d洪量3個方面展開研究。

根據(jù)三峽水庫1960年～2014年入庫洪水與壩址洪水洪峰、洪量統(tǒng)計(jì)值比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2和表4),采用線性回歸法分析入庫洪水與壩址洪水關(guān)系,繪制1960年～2014年入庫洪水和壩址洪水年最大洪峰和各最大時段洪量的相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖(見圖4～圖6)。從圖4～圖6中可以看出,各統(tǒng)計(jì)值均呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,年最大洪峰流量的相關(guān)系數(shù)及各時段洪量相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上,說明入庫洪水與壩址洪水各時段統(tǒng)計(jì)值整體具有一定的相關(guān)關(guān)系,且如表6所示,隨著統(tǒng)計(jì)時段的增長,相關(guān)系數(shù)基本呈現(xiàn)增加趨勢。但值得注意的是,隨著洪水量級的增大,洪峰點(diǎn)據(jù)更加分散,相關(guān)關(guān)系的單一性減弱,入庫與壩址洪峰相關(guān)關(guān)系的變化范圍加大。從線性回歸法分析的三峽水庫入庫洪水與壩址洪水的相關(guān)關(guān)系看以看出,最大洪峰、3 d洪量、7 d洪量的相關(guān)系數(shù)超過0.94,具有較好的相關(guān)關(guān)系。

圖4 入庫和壩址洪水年最大洪峰關(guān)系

圖5 入庫和壩址洪水年最大3 d洪量關(guān)系

圖6 入庫洪水和壩址洪水年最大7 d洪量相關(guān)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)值Q日W3dW7d相關(guān)系數(shù)0.9470.9660.993

3 結(jié) 論

本文結(jié)合洪峰、洪量及峰現(xiàn)時間等3個方面分析了1960年～2014年三峽入庫洪水與壩址洪水之間的關(guān)系,從分析結(jié)果可以看出,入庫洪水較壩址洪水的年最大洪水峰現(xiàn)時間多年平均約提前2 d(最長4 d,最短為0)；入庫洪水與壩址洪水年最大洪峰流量倍比α為1.01～1.32,多年均值為1.14。

采用線性回歸法分析了三峽水庫入庫洪水與壩址洪水的相關(guān)關(guān)系,從圖4～圖6可以看出,各統(tǒng)計(jì)值均呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,年最大洪峰流量的相關(guān)系數(shù)及各時段洪量相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.94以上,說明入庫洪水與壩址洪水各時段統(tǒng)計(jì)值具有較好的相關(guān)關(guān)系；且隨著統(tǒng)計(jì)時段的增長,相關(guān)系數(shù)基本呈現(xiàn)增加趨勢；而隨著洪水量級的增大,洪峰點(diǎn)據(jù)更加分散,相關(guān)關(guān)系的單一性減弱,入庫與壩址洪峰相關(guān)關(guān)系的變化范圍加大。

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