三峽蓄水后長江中游設計最低通航水位預報

馮小香，張 明

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

三峽蓄水后長江中游設計最低通航水位預報

馮小香，張 明

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

設計最低通航水位是長江航道系統(tǒng)整治的關鍵技術參數(shù)之一。依據(jù)歷史水文資料和水庫設計運行方式，推算了三峽單庫運行、三峽與上游控制性水庫聯(lián)合運行兩種情況下，長江中游宜昌至武漢河段的設計最低通航流量，采用一維泥沙數(shù)學模型預測了兩種情況下長江中游主要水文站的水位變化趨勢，結(jié)合近期三峽電站日調(diào)節(jié)對下游各站的影響情況，預報了三峽蓄水后20 a、30 a宜昌至武漢河段的設計最低通航水位。

三峽工程；長江中游；設計最低通航水位；設計最小通航流量；日調(diào)節(jié)

設計最低通航水位（簡稱設計水位，下同）是航道工程關鍵技術參數(shù)之一。對基本處于動態(tài)平衡、水文情勢沒有發(fā)生較大變化的天然河流，設計水位一般根據(jù)長系列的歷史資料直接進行計算。但對一些受人類活動影響較大、水文情勢發(fā)生較大變異的河段，尤其是短期尚無法恢復動態(tài)平衡的河流，為使航道工程在設計運行周期內(nèi)具有較好的效果，設計水位應具有一定的前瞻性，其變化趨勢研究就顯得十分必要。

三峽水庫蓄水后，長江中游河段枯水流量增加，出庫泥沙減少，河床出現(xiàn)了長距離持續(xù)沖刷現(xiàn)象［1-3］，2012年10月、2013年5月長江上游向家壩、溪洛渡等大型控制性水庫工程也先后進行試驗性蓄水，這將進一步影響三峽下游的水沙情勢，并對設計水位等航道整治參數(shù)產(chǎn)生影響。三峽及上游水庫運用后，長江中游設計水位將如何變化，關系到長江中游航道的系統(tǒng)治理效果，對長江黃金水道的進一步規(guī)劃與開發(fā)也有重要影響，因此是當前大家十分關心的問題［4-5］。鑒于此，本文采用資料分析、數(shù)學模型計算等手段，預報了三峽蓄水后20 a、30 a宜昌至武漢河段的設計水位，成果可為長江中游航道的整治及開發(fā)利用提供參考。

1 設計水位計算方法

《內(nèi)河通航標準》［6］（GB50139-2014）規(guī)定，樞紐下游河段設計最低通航水位應根據(jù)與航道等級相對應的多年歷時保證率，分析選定設計流量，并考慮河床沖淤變化和電站日調(diào)節(jié)的影響推算確定，水位和流量資料應選取近期不短于20 a的連續(xù)系列，且應具備良好的一致性。

三峽工程采用“一次建成、分期蓄水”的方式調(diào)度運行，自2003年6月蓄水以來，經(jīng)過135～139 m、144～156 m運行方式后，于2008年9月開始175-145-155 m的試驗性蓄水，2010年10月首次蓄水至175 m。由于三峽175 m蓄水運行時間較短，且向家壩、溪洛渡等上游控制性水庫工程對下游水情的影響尚沒有充分顯現(xiàn)，因此無法直接運用三峽蓄水后的已有實測資料來推求沿程設計流量。鑒于此，通過水庫調(diào)度數(shù)學模型，以水庫設計運行調(diào)度方案為基礎，在不考慮上游來流及區(qū)間來流變化的情況下，模擬計算三峽175 m蓄水運行條件下水庫的下泄流量過程，并得到沿程各控制水文站的流量系列。為反映現(xiàn)有調(diào)水工程及河網(wǎng)水情變化對河段的實際影響，模型考慮了引江濟漢工程的取水作用及江湖關系變化對三口分流的影響。在此基礎上，根據(jù)綜合歷時曲線法計算沿程各站的設計最小通航流量（簡稱設計流量，下同）。

采用一維水流泥沙數(shù)學模型，模擬計算長江中游宜昌至大通河段在新水沙系列下的河床沖淤變形情況，預測設計流量下沿程各站的水位變化趨勢。根據(jù)三峽175 m蓄水運行方式時、三峽電站日調(diào)節(jié)所引起的下游水位非恒定流波動規(guī)律，計算電站日調(diào)節(jié)對設計水位的影響。

根據(jù)基礎水平年（2012年）的水位流量關系，推求設計流量對應的水位，然后在考慮水位流量關系的遠期變化、電站日調(diào)節(jié)的影響等基礎上，預報設計水平年宜昌至武漢河段沿程各控制水文站的設計水位（圖1）。

圖1 三峽蓄水后長江宜昌至武漢河段基本站設計水位預報方法Fig.1 Prediction method of design lowest navigable stage for hydrologic stations in the Yichang to Wuhan reach of the Yangtze River after the Three Gorges Reservoir impoundment

2 設計通航流量的確定

選取1990～2012年作為典型系列，計算三峽單庫運行、三峽與溪洛渡和向家壩聯(lián)合運行兩種條件下宜昌至武漢河段的流量過程，采用綜合歷時曲線法計算各站保證率98%的流量，并與1990～2012年、2011～2012年實際流量系列的綜合歷時保證率98%流量比較。

表1可見，與三峽單庫運行相比，在建設溪洛渡、向家壩后，梯級聯(lián)合調(diào)度運行情況下，宜昌至武漢河段各站綜合歷時98%保證率的流量稍有增加，但差別不大?？紤]到三峽與上游梯級水庫間的聯(lián)合運行尚在研究階段，以三峽單庫運行時各站綜合歷時98%保證率的流量作為設計流量。

與三峽蓄水前1990～2002年系列比，各站的設計流量有明顯增加，增加幅度自上游向下游逐漸減小，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別增加2 221 m3/s、2 025 m3/s、1 674 m3/s、1 350 m3/s、1 716 m3/s、1 693 m3/s，增加幅度分別為66%、56%、44%、34%、30%、25%，可見，三峽175m蓄水后枯水期補水作用明顯。

2011年1月～2012年12月，宜昌站保證率98%流量的實測值為5 690 m3/s，比設計流量計算值大119 m3/s。從沿程變化來看，宜昌站、枝城站的實際變化規(guī)律與設計流量計算值基本相同；沙市站、監(jiān)利站，設計流量計算值自上游向下游減小的趨勢與實際運行情況略有不同，主要是因為模型計算中考慮了江湖關系變化以及引江濟漢工程的分流作用；螺山站、漢口站，設計流量計算值均比實際運行的要小，這可能與實際的水文系列年限較短有關，各支流近年來興建的梯級水庫枯水期的流量補償作用也有一定的影響。

3 水位變化預測

3.1 河床沖淤變形計算

采用一維河網(wǎng)數(shù)學模型計算長江中游宜昌至武漢河段的河床沖淤變化［7］，模型范圍自宜昌至大通，起始地形為2008年實測地形，出口大通站的水位流量關系假定不變；利用三峽175m蓄水方案對宜昌站2003～2012年（03系列）的來水來沙進行修正，其中三峽出庫泥沙根據(jù)是否考慮上游向家壩、溪洛渡水庫的影響，可得到上游無庫（三峽單庫運行）、上游建庫（梯級水庫聯(lián)合調(diào)度運行）兩種條件下的水沙過程。

表1 1990～2012年修正系列年98%的流量與實際運行比較Tab.1 Comparison of 98%guaranteed discharge between 1990-2012 revision series and the actual operation

對03系列水沙資料進行連續(xù)滾動計算，可獲得三峽蓄水后20 a、30 a長江宜昌至大通河段的沖淤情況。圖2可見，三峽建成運用后，宜昌至大通河段將出現(xiàn)自上而下的長距離沖刷，在上游建庫條件下，各河段沖淤主要有如下特點：

（1）宜昌—松滋口河段：河床由卵石夾沙組成，表層粒徑較粗，沖刷后河床粗化很快，經(jīng)過10 a沖刷，河床沖刷基本平衡。該河段30 a累積最大沖刷總量約為0.96億t，按平均河寬1 100 m計，累積平均沖深約1.15 m（沖淤量及河寬均以平灘河槽進行統(tǒng)計，下同）。

（2）松滋口—太平口河段：河床主要由卵石夾沙構成，經(jīng)過20 a沖刷，河床沖刷基本結(jié)束。30 a末該河段累積最大沖刷量約1.2億t，按平均河寬1 400 m計，累積平均沖深1.4 m。

（3）太平口—藕池口河段：該河段主要是沙質(zhì)河床，該河段沖刷相對上游沙卵石河段明顯增加。該河段30 a最大累積沖刷量約4.04億t，按平均河寬1 400 m計，累積平均沖深3.8 m。

（4）藕池口—城陵磯河段：蓄水后本河段處于持續(xù)沖刷狀態(tài)。該河段30 a累積最大沖刷量約15.57億t，按平均河寬1 600 m計，累積平均沖深5.71 m。

（5）城陵磯—武漢河段：蓄水后本河段在前10 a沖刷較少，10a末累積沖刷量1.79億t，隨著上游沖刷往下游傳遞，后期沖刷速率增大，30 a末累積最大沖刷量約6.58億t，按平均河寬1 800 m計，累積平均沖深1.58 m。

（6）武漢以下河段：由于距壩較遠，漢口以下河段在蓄水前30 a有沖有淤，以沖刷為主，總體沖淤幅度不大。前30 a最大累積沖刷量為2.36億t。

上游建庫與上游無庫相比，宜昌—大通河段的沖淤量差別不大。宜昌—大通全河段20 a、30 a末的累積沖淤量相差分別為0.33億t、0.43億t，僅占總量的1.5%左右。分河段來看，宜昌—太平口的沙卵石河段由于較快達到?jīng)_刷平衡，上游建庫和上游無庫條件下的沖刷總量基本一致；漢口以下河段由于距離大壩較遠，且沿程含沙量逐步恢復，其蓄水后30 a內(nèi)沖刷幅度不大，兩種情況下沖淤量差別也不大。上游建庫和上游無庫條件下的沖刷量的差異主要體現(xiàn)在荊江河段以及城陵磯—漢口河段。

圖2 03系列上游建庫條件分段累積淤積量變化圖Fig.2 Change of sectionalized accumulated deposition for 03 series under the upstream reservoirs existence condition

3.2 水位變化預測

表2可見，在不考慮上游建庫條件下，三峽蓄水后10～20 a，各站設計流量對應的水位，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別下降0.17 m、0.21 m、0.51 m、0.63 m、0.47 m、0.32 m，三峽蓄水后20～30 a，各站再次下降0.06 m、0.05 m、0.17 m、0.61 m、0.39 m、0.39 m。

與上游無庫相比，考慮金沙江溪洛渡、向家壩與三峽聯(lián)合運行條件下，各站相同流量下的水位下降值有小幅增大，但一般在0.05 m內(nèi)，表明建設溪洛渡和向家壩，對于三峽水庫下游河床的沖淤影響較小。

從三峽175 m蓄水后各站設計流量對應的水位變化來看，2008～2012年，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站分別下降0.46 m、0.15 m、0.69 m、0.41 m、0.25 m、0.13 m；各站水位變化與河段位置、河床質(zhì)組成、河道形態(tài)等有關，宜昌站距離壩址最近，蓄水初期影響最大，水位下降較為明顯；螺山站、漢口站距離較遠，水位下降不大；沙市站、監(jiān)利站位于沙質(zhì)河段，河床沖刷變形劇烈，水位降幅較大；枝城站由于受蘆家河淺灘河段的控制作用，水位下降較小。未來隨著清水沖刷逐漸向下游發(fā)展，近壩河段宜昌站的水位降幅逐漸減小，下游河段螺山站、漢口站水位降幅逐漸增大，沙市站、監(jiān)利站由于河床的沙質(zhì)覆蓋層較厚，在一段較長時間內(nèi)仍將呈現(xiàn)河床沖刷下切、枯水位下降態(tài)勢，枝城站受下游蘆家河淺灘控制性侵蝕基點的影響，水位總體變化不大。數(shù)學模型計算結(jié)果基本與三峽蓄水初期水位變化實際與清水沖刷發(fā)展的規(guī)律一致。

表2 設計流量下長江中游各站的水位下降預測值Tab.2 The predicted decline value of water level at hydrological stations in the middle reaches of Yangtze River under design minimum traffic flow

4 電站日調(diào)節(jié)對設計水位的影響

內(nèi)河航道設計水位一般是基于日平均水位的概念，電站下泄非恒定流引起的日內(nèi)水位變幅難以反映?？紤]到葛洲壩近壩段水位變幅較大，有可能影響通航，因而設計水位需要考慮電站日調(diào)節(jié)的影響。

圖3可見，從各站水位與宜昌站流量變化的關系來看，越向下游的站點，其水位變化與宜昌流量的相關關系越差，宜昌站、枝城站一定程度受電站日調(diào)節(jié)的影響，沙市站、監(jiān)利站受電站下泄非恒定流的影響較弱。

圖3 典型水文站時均流量及水位變化關系Fig.3 Relationship between time-average discharge and water level at typical hydrologic stations

根據(jù)2011年11月～2013年4月枯水期逐時資料統(tǒng)計，當宜昌站日均流量小于8 000 m3/s時，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分別為0.17 m、0.10 m；當宜昌站日均流量小于6 000 m3/s下，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分別為：0.11 m、0.07 m。從偏安全考慮，取宜昌站0.17 m、枝城站0.10 m作為電站日調(diào)節(jié)影響修正值。

5 設計水位預報

以2012年為基礎水平年，根據(jù)水位流量關系下包線，推算基礎水平年設計流量對應的水位，再計入設計水平年三峽下游因長距離沖刷調(diào)整所引起的水位變化，結(jié)合目前三峽175 m蓄水方案下的日調(diào)節(jié)影響情況，對設計水平年的設計水位進行預報。

表3可見，2022設計水平年，宜昌至武漢河段主要控制站的設計水位為：宜昌站38.79 m，枝城站37.41m，沙市站30.18 m，監(jiān)利站23.25 m，螺山站18.18 m，漢口站13.28 m。與長江中游現(xiàn)行使用的設計水位基面（82基面）相比，三峽蓄水運用20 a末，宜昌站、沙市站設計水位與82基面相差-0.56 m、-1.38 m，枝城站相差-0.02 m，監(jiān)利站、螺山站、漢口站相差0.19 m、1.43 m、1.28 m，可見，隨著長江中游宜昌至武漢河段枯水水情的變化，實際枯水情況與82基面設計水位已有不同程度的偏離。

表3 三峽蓄水后不同時段的設計水位預報值Tab.3 The predicted value of design lowest navigable stage at different points after the Three Gorges Reservoir impoundment

6 結(jié)論

（1）因三峽工程及上游大型水庫蓄水運用導致下游水情發(fā)生變異，應采用基于設計流量推求設計水位的方法，并考慮樞紐蓄水運用初期因河床長距離沖刷調(diào)整所引起的設計水位變化，樞紐壩下近壩河段，還應考慮樞紐下泄非恒定流所引起的設計水位變化。

（2）三峽單庫運行、三峽與上游控制性水庫聯(lián)合運行兩種情況下，長江中游宜昌至武漢河段各控制性水文站的設計流量及設計水位差別不大。

（3）在目前三峽175 m蓄水運用方式下，長江中游宜昌站、枝城站一定程度上受電站日調(diào)節(jié)影響，沙市站及下游基本不受電站日調(diào)節(jié)影響。因三峽壩下河床的沖刷調(diào)整，三峽蓄水20 a、30 a末，宜昌至武漢河段的設計水位還將有所下降。

［1］郭小虎，李義天，渠庚，等.三峽工程蓄水后長江中游泥沙輸移規(guī)律分析［J］.泥沙研究，2014（5）：11-17. GUO X H，LI Y T，QU G，et al.Analysis of Sediment Transport in Middle Yangtze River after filling of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Sediment Research，2014（5）：11-17.

［2］盧金友，黃悅，王軍.三峽工程蓄水運用后水庫泥沙淤積及壩下游河道沖刷分析［J］.中國工程科學，2011，13（7）：129-136. LU J Y，HUANG Y，WANG J.The Analysis on Reservoir Sediment Deposition and Downstream River Channel Scouring after Impoundment and Operation of TGP［J］.Engineering Science，2011，13（7）：129-136.

［3］班璇，姜劉志，曾小輝，等.三峽水庫蓄水后長江中游水沙時空變化的定量評估［J］.水科學進展，2014，25（5）：650-657. BAN X，JIANG L Z，ZENG X H，et al.Quantifying the Spatio-temporal Variation of Flow and Sediment in the Middle Yangtze River after the Impoundment of the Three Gorges［J］.Advances in Water Science，2014，25（5）：650-657.

［4］王秀英，李義天.長江中下游設計最低通航水位變化分析［J］.水運工程，2004（11）：70-74. WANG X Y，LI Y T.Variation of Design Lowest Navigable Water Level in Middle and Lower Reach of the Yangtze river［J］.Port& Waterway Engineering，2004（11）：70-74.

［5］李聰，鄧金運，韓劍橋.三峽水庫蓄水后長江中游航道設計水位變化研究［J］.水運工程，2013（5）：88-93. LI C，DENG J Y，HAN J Q.Variation of Design Navigable Water Level in Middle Reach of the Yangtze River after Impoundment of Three Gorges reservoir［J］.Port&Waterway Engineering，2013（5）：88-93.

［6］GB50139-2014，內(nèi)河通航標準［S］.

［7］交通運輸部天津水運工程科學研究所.長江上游水沙變化對中游航道影響研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2015.

Prediction of the design lowest navigable stage in the middle reaches of Yangtze River after Three Gorges Reservoir impoundment

FENG Xiao-xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

The design lowest navigable stage is one of key technical parameters for the systematic waterway regulation of the Yangtze River.Based on the historical hydrological data and the design operation of Three Gorges Project,the design minimum traffic flow under the condition of single operation of Three Gorges Project and joint operation with the upstream reservoirs was calculated in the middle reaches.And the change trend of water level corresponding to above situation was predicted by one-dimensional sediment mathematical model.Combined with daily regulations caused by the dam,the design lowest navigable stage after 20 a,30 a impoundment of Three Gorges Project was forecasted between Yichang and Wuhan reach.

Three Gorges Project;middle reaches of Yangtze River;design lowest navigable stage;design minimum traffic flow;daily regulation

TV 143；U 641

A

1005-8443（2017）01-0049-05

2016-06-17；

2016-07-18

馮小香（1977-），女，河南省人，副研究員，主要從事水力學及河流動力學、內(nèi)河樞紐、航道工程研究。

Biography：FENG Xiao-xiang（1977-），female，associate professor.