三峽水庫蓄水后宜昌站水位特性分析

，釋今，，

(1.長江水利委員會(huì)水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000；2.長江水利委員會(huì)水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434000)

三峽水利樞紐位于長江西陵峽中段，壩址在湖北省宜昌市三斗坪，控制流域面積100萬km2，多年平均年徑流量4 510億m3，多年平均年輸沙量 5.3億t。該工程1994年12月14日正式開工，1997年11月8日完成大江截流，2002年11月6日完成明渠截流。2003年5月25日開始關(guān)閘蓄水，形成水庫，6月10日壩前水位蓄至圍堰發(fā)電期水位135 m；10月25日三峽水庫再次蓄水，11月5日壩前水位蓄至139 m附近。2006年9月20日，三峽水庫開始156 m水位蓄水，10月27日，三峽水庫壩上水位達(dá)到156 m高程。2010年10月26日成功蓄水至175 m水位。三峽水庫屬于年調(diào)節(jié)水庫，總庫容393億m3，其中防洪庫容 221.5億m3，正常蓄水位175 m，汛期防洪限制水位145 m，枯水期消落水位155 m。水庫調(diào)洪可消減洪峰流量達(dá) 2.7萬～3.3萬m3/s，能有效控制長江上游洪水，增強(qiáng)長江中下游抗洪能力。

三峽水利樞紐具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益。①防洪。三峽大壩建成后形成巨大的水庫，滯蓄洪水，使下游荊江大堤的防洪能力由防御10 a一遇的洪水提高到抵御100 a一遇的大洪水，防洪庫容在73億～220億m3之間。②發(fā)電。三峽水電站是世界最大的水電站，總裝機(jī)容量1 820萬kW。電力主要供應(yīng)華中、華東、華南、重慶等地區(qū)。③航運(yùn)。三峽工程位于長江上游與中游的交界處，地理位置得天獨(dú)厚，對(duì)上可以渠化三斗坪至重慶河段，對(duì)下可以增加葛洲壩水利樞紐以下長江中游航道枯水季節(jié)流量，能夠較為充分地改善重慶至武漢間通航條件，滿足長江上中游航運(yùn)事業(yè)遠(yuǎn)景發(fā)展的需要。通航能力可以從每年1 000萬t提高到5 000萬t。另外，三峽水利樞紐工程在養(yǎng)殖、旅游、保護(hù)生態(tài)、凈化環(huán)境、開發(fā)性移民、南水北調(diào)、供水灌溉等方面均會(huì)發(fā)揮巨大效益。

宜昌站屬三峽水利樞紐工程的出庫控制站，對(duì)三峽水庫的調(diào)度進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也服務(wù)于三峽工程，為三峽水庫調(diào)度提供實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)。該站始建于1946年，從1877年開始有系統(tǒng)水文觀測資料，屬于國家級(jí)基本水文站，位于東徑111°17′，北緯30°42，集水面積約100萬km2，占全流域面積的55.9%；控制長江上游的來水量，同時(shí)也控制三峽水利樞紐和葛洲壩水利樞紐的出庫水量。宜昌水文斷面位于三峽水利樞紐下游44 km，葛洲壩水利樞紐下游6 km。測驗(yàn)河段長約3 km，尚順直。斷面呈偏“U”型，水面寬630～780 m，年水位變幅約17 m。右岸為山區(qū)與平原過渡地段，左岸為宜昌市城區(qū)，河段兩岸較為穩(wěn)定，近幾十年來河勢未有大的變化。三峽水利樞紐工程蓄水以后改變了宜昌基本水尺斷面的水位時(shí)空變化和行進(jìn)規(guī)律。

本文采用宜昌站2003～2016年實(shí)測水位資料，分析該站在三峽水利樞紐工程蓄水以后水位特性變化。

1 宜昌站水位觀測基本情況

宜昌站在2003年以前水位采用人工觀測，觀測段制根據(jù)水位級(jí)和水位變幅情況、報(bào)汛要求布置，以能測得完整的水位變化過程，滿足日平均水位計(jì)算、推算流量和水情拍報(bào)的要求為原則。2003年3月投產(chǎn)使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計(jì)，同年7月又安裝了一套梯調(diào)自記水位計(jì)，兩種儀器均可設(shè)置為5，10，30 min或1 h采集一個(gè)水位數(shù)據(jù)，滿足測量精度要求，使用良好，檢測合格，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，完整記錄了三峽水利樞紐蓄水后的宜昌斷面水位變化情況。

表1 宜昌站基本水尺斷面瞬時(shí)水位觀測誤差統(tǒng)計(jì)

注：分析中有3次受過船波浪影響較大的水位，因不屬個(gè)體差異因素影響而未參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

1.1 水位觀測精度

水位觀測精度主要指儀器或人工采集水位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性。影響水位觀測精度的因素較為復(fù)雜，如波浪、水位漲落率、觀測人員的個(gè)體差異、水位感應(yīng)器物理精度及消浪處理等。

采用人工觀測水位和自記采集水位的優(yōu)缺點(diǎn)有互補(bǔ)性和差異性，為研究同一測站使用兩種方法觀測水位精度及其對(duì)比性，調(diào)整觀測布置，進(jìn)一步提高水位測報(bào)的時(shí)效性，保證觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。根據(jù)《長江委水文局報(bào)汛自動(dòng)化實(shí)施方案》，選擇在水位變化過程中受水位漲落率、斷面沖淤變化、水利工程等影響較為突出的宜昌水文站開展了2005年宜昌水文站水位精度專題研究。

研究結(jié)果表明：去掉受過船波浪影響較大的水位后，誤差小于3 cm的水位保證率為100%，說明在正常情況下能夠保證水位觀測成果的質(zhì)量；宜昌站位于長江葛洲壩水利樞紐下游，處于宜昌港區(qū)，水流變化不均勻，來往船只較多，江面時(shí)常出現(xiàn)大小波浪，對(duì)數(shù)據(jù)采集精度造成一定的影響。實(shí)際情況表明，波浪越大，水位采集差值越大，一般情況下某瞬時(shí)水位與時(shí)段平均水位差異最大為2 cm，但過船時(shí)受波浪影響造成觀測差異最大達(dá)到4 cm。當(dāng)整點(diǎn)水位出現(xiàn)在漲水段，整點(diǎn)前的水位一般略高于整點(diǎn)后的水位，平均后誤差得以中和，退水段則正好相反。平均水位值與各瞬時(shí)采集值的誤差大小主要與漲落率有關(guān)，漲落率越大則誤差相對(duì)較大，但誤差均在允許范圍內(nèi)。三峽水庫調(diào)度加大后，水位突變對(duì)水位精度影響不大，水位精度滿足要求(見表1)。

1.2 水位級(jí)劃分

根據(jù)工程水文學(xué)和《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-93)中關(guān)于水位級(jí)的劃分方法，采用宜昌站歷年水位觀測資料對(duì)全年水位分級(jí)，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 宜昌站水位級(jí)劃分 m

2 水位逐時(shí)過程變化分析

宜昌水文斷面在1980年以前只受天然洪水傳播影響。1981年1月4日葛洲壩水利樞紐工程大江截流，同年6月蓄水至壩前水位達(dá) 59.39 m，天然時(shí)期的行洪規(guī)律受到人工影響，宜昌水文斷面水位改變未受上游水工程調(diào)度影響和天然洪水傳播影響。葛洲壩水利樞紐是低水頭徑流式電站,壩前水位基本穩(wěn)定，水庫不起攔蓄作用，來多少水泄多少水，故蓄水前后宜昌站的水位特征基本上無變化[1]。自2003年三峽水利樞紐工程蓄水以后，三峽水庫屬于年調(diào)節(jié)水庫，水庫調(diào)洪能力強(qiáng)，能有效控制長江上游洪水，增強(qiáng)長江中下游抗洪能力，使得基本水尺斷面受天然洪水傳遞影響不斷減弱，水工程調(diào)度影響相對(duì)增強(qiáng)，反映在水位過程中其主要特征為水位變化呈鋸齒狀波動(dòng)，局部水位受水工程調(diào)度影響而升高或下降[2]。

下面按水位級(jí)選擇幾個(gè)有代表性的時(shí)段的水位過程進(jìn)行分析。

2.1 低枯水期

低枯水期間每天水位沿某一均值上下波動(dòng)，較為規(guī)則，最低值出現(xiàn)在07：00～09：00之間，波動(dòng)最高值一般出現(xiàn)在19：00～22：00之間，波動(dòng)周期為10～14 h左右。說明三峽水庫調(diào)度在每日的07：00～09：00時(shí)開始開閘放水，19：00～22：00開始關(guān)閘蓄水。宜昌站2015年11月逐時(shí)水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計(jì)采集，每5 min采集一個(gè)水位數(shù)據(jù)，共有8 625個(gè)水位數(shù)據(jù))見圖1。圖1較明顯地反映出低枯水期不同水位的過程變化情況。從圖中可看出，水位在 40.00 m以下的水位(屬低枯水)波動(dòng)范圍為 0.2～0.3 m；水位在40.00～43.00 m的水位(屬低水)波動(dòng)范圍為0.3～1.4 m。

圖1 宜昌站2015年11月逐時(shí)水位過程線

2.2 中水期

宜昌站2014年7月逐時(shí)水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計(jì)采集，每10 min采集一個(gè)水位數(shù)據(jù)，共有4 465個(gè)水位數(shù)據(jù))見圖2。圖2反映出中水期受三峽水庫調(diào)度和天然洪水傳播影響情況下不同水位的變化過程。從圖中可看出，在中水期水位漲落幅度要大于低枯水漲落幅度，在水位漲落水過程中每日仍存在較為明顯的上下波動(dòng)，其波動(dòng)范圍略大于低枯水，為 0.2～1.4 m，日波動(dòng)峰谷值差與低水(水位為40.00～43.00 m)相近。波峰出現(xiàn)在19：00～22：00之間，波谷出現(xiàn)在次日07：00～09：00之間，波動(dòng)周期為10～14 h左右，有時(shí)在波峰(谷)附近有短時(shí)小鋸齒狀波動(dòng)。在水位急漲或急落時(shí)，在洪水傳播中影響因素相互抵消，水位波動(dòng)特征表現(xiàn)相對(duì)不明顯。

圖2 宜昌站2014年7月逐時(shí)水位過程線

2.3 高水期

宜昌站2014年9月逐時(shí)水位過程線(使用中澳CR510型氣泡壓力式水位計(jì)采集，每10 min或5 min采集一個(gè)水位數(shù)據(jù)，共有8 417個(gè)水位數(shù)據(jù))見圖3。圖3反映了高水期兩次洪水完整的水位變化過程。高水期主要發(fā)生在水位急漲或急落時(shí)，水位波動(dòng)特征在洪水傳播中表現(xiàn)不明顯。水位的波動(dòng)特征只是在水位變化幅度較小或水位相對(duì)平穩(wěn)時(shí)表現(xiàn)相對(duì)突出，洪峰附近水位波動(dòng)完全受水工程調(diào)度影響，范圍時(shí)大時(shí)小，與正常情況下的波動(dòng)特征略有差別。從圖中可看出，高水期水位漲落率較大，水位波動(dòng)周期短，為3～5 h左右，水位波動(dòng)范圍為 0.2～0.5 m。

圖3 宜昌站2014年9月逐時(shí)水位過程線

3 水位分布特征分析

3.1 水位月分布特征

基于宜昌站2003年以后的水位整編成果，進(jìn)行了時(shí)間系列的特征統(tǒng)計(jì)分析，并繪制了宜昌站2003～2016年月平均水位過程線，詳見圖4。從圖中可以看出，自三峽水庫蓄水以后宜昌站水位月分布特征仍然是在汛期(系指5月1日～10月15日)水位高，非汛期(系指10月16日至次年4月30日)水位低。但從年際變化來看每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趨勢，特別是2010年以后較為明顯；6～10月平均水位則有下降趨勢，出現(xiàn)下降趨勢的時(shí)間也是從2010年開始，這是三峽水庫調(diào)蓄的作用所導(dǎo)致。受人為控制三峽水庫水位的影響，每年1～5月、11～12月水庫下泄流量不斷加大，到2015年不小于6 000 m3/s[3]，宜昌水文斷面平均水位由此逐年抬高。其中1～3月和11～12月，由于三峽水庫補(bǔ)水，水位抬高0.6～0.8 m；4～5月三峽水庫消落期也造成宜昌水位抬高。6～9月是洪水頻發(fā)期，為有效減輕中下游防洪壓力，通過科學(xué)調(diào)度三峽水庫，在洪峰期間攔蓄洪量和削峰而使宜昌水位下降。9～10 月為三峽水庫蓄水期，平均攔蓄能力約5 200 m3/s，較天然情況宜昌平均水位也在降低。

圖4 宜昌站2003～2016年月平均水位過程線

3.2 水位年分布特征

宜昌站2003～2016年年特征水位值統(tǒng)計(jì)成果見表3。

表3 宜昌站2003～2016年年特征水位值統(tǒng)計(jì)

從表3中可以看出，受三峽水庫調(diào)度的影響，水位年分布出現(xiàn)以下變化：歷年最高水位有下降趨勢，排除2006年特枯水情外，從2005年開始?xì)v年最高水位下降趨勢明顯；歷年最低水位從2003年開始則出現(xiàn)逐年抬高趨勢，到2009年水位抬高了1.1 m，但從2009年以后每年抬高幅度不大，年變化為0～0.1 m，最低水位控制在39.20 m左右。從年平均水位變化看，沒有明顯的上升或下降趨勢，說明水位變化主要在局部時(shí)段或部分水位級(jí)。2003年前宜昌站多年平均水位為43.34 m(1981～2002年)，年最低水位為 38.30 m(1998年2月14日)，年最高水位 55.38 m(1981年7月19日)，水位最大變幅17.08 m。三峽水庫運(yùn)行后宜昌站多年平均水位為 42.45 m(2003～2016年)，年最低水位為 38.07 m(2003年2月9日)，年最高水位 53.98 m(2004年9月9日)，水位最大變幅15.46 m，年水位變幅在逐步縮小。

3.3 保證率水位

宜昌站2003～2016年年保證率水位統(tǒng)計(jì)成果見表4。從表4可以看出，2003年以后最高水位保證率為47.91～53.76 m，2008～2016年控制在52.60 m以下。第15天為 45.75～51.23 m，第30天為 44.61～49.67 m，第90天為 42.66～46.34 m，第180天為40.15～42.62 m，第270天為39.09～40.54 m，最低水位保證率為 38.11～39.51 m。特別是從2009年開始，斷面水位基本維持在39.20 m(相應(yīng)流量5 000 m3/s)，以后逐年遞增，到2015年水位維持在39.50 m(相應(yīng)流量6 000 m3/s)。豐水年高洪期斷面水位控制在 52.60 m(相應(yīng)流量45 000 m3/s)以下，說明通過三峽水庫調(diào)節(jié)，保證了汛期長江中下游防洪、枯水期航運(yùn)和生態(tài)需水量的需要。

表4 宜昌站2003～2016年年保證率水位統(tǒng)計(jì) m

4 三峽水庫蓄水前、后水位特性對(duì)比分析

水位是反映水體、水流變化的水力要素和重要指標(biāo)，其變化主要取決于水體自身水量的增減變化、約束水體條件的改變和水體受干擾的影響等因素。水位特性在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。依照宜昌站多年水位的變化，考慮受約束水體條件明顯改變的影響，將宜昌站水位變化分成兩個(gè)時(shí)間段，即三峽水庫蓄水前(1877～2002年)和三峽水庫蓄水后(2003～2016年)。三峽水庫蓄水前、后的水位變化特性具有相似的基本特征，也有不同點(diǎn)，見表5。

表5 三峽水庫蓄水前、后宜昌站水位特性及成因

5 水位監(jiān)測和資料整編控制措施

根據(jù)三峽水利樞紐蓄水以后宜昌基本水尺斷面水位變化情況，為提高水位成果質(zhì)量，保證水位資料準(zhǔn)確可靠、連續(xù)完整,建議從以下幾個(gè)方面采取措施。

(1)使用自記儀器采集的水位數(shù)據(jù)存在波動(dòng)性，特別是中低水期間水位的波動(dòng)變化較大，因而水位的校核較為關(guān)鍵，可以定期檢查儀器波動(dòng)情況的正確性。

(2)高水期間，當(dāng)波浪較大時(shí)，水位的瞬間數(shù)據(jù)采集存在一定誤差，建議有條件情況下做水面的靜水處理。

(3)在整理水位數(shù)據(jù)時(shí)，在保證水位數(shù)據(jù)完整的情況下要做好水位的平滑和濾波處理。其方法是在充分考慮水位變化的實(shí)際情況下，保證水位變化的連續(xù)性，減少水位鋸齒狀形態(tài)；特別是在對(duì)水位特征值的處理時(shí)，盡量要靠近，即平滑線要走上包線靠近最高水位，下包線盡量靠近最低水位。

(4)在滿足整編洪水摘錄和匯編刊印需要的情況下，盡量壓縮摘錄段次，不要過多增加洪水摘錄的時(shí)段。

6 結(jié) 論

通過對(duì)三峽水利樞紐蓄水以后宜昌站實(shí)測水位資料和整編資料分析，得出如下結(jié)論。

(1)2003年以后受上游水利工程調(diào)度和天然洪水傳播影響，水位波動(dòng)性增強(qiáng)，特別是中低水階段較為突出；水位在40.00 m以下的水位(屬低枯水)波動(dòng)范圍為 0.2～0.3 m；水位在40.00～49.00 m的水位(屬中低水)波動(dòng)范圍為0.3～1.4 m，波峰出現(xiàn)在19:00～22:00之間，波谷出現(xiàn)在次日07:00～09:00之間，波動(dòng)周期為10～14 h左右，有時(shí)在波峰(谷)附近有短時(shí)小鋸齒狀波動(dòng)。

(2)水位月分布特征仍是在汛期水位高，非汛期水位低，每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趨勢，6～10月平均水位則有下降趨勢，特別是2010年以后較為明顯。

(3)從年平均水位變化看，沒有明顯的上升或下降趨勢，說明水位變化主要在局部時(shí)段或部分水位級(jí)。歷年最高水位有下降趨勢，排除2006年特枯水情外，從2005年開始?xì)v年最高水位下降趨勢明顯；歷年最低水位從2003年開始則出現(xiàn)逐年抬高趨勢，到2009年水位抬高了1.1 m；2009年以后每年抬高幅度不大，年變化在0～0.1 m之間，最低水位控制在 39.20 m左右。中低水出現(xiàn)時(shí)間加長，高水時(shí)間相對(duì)變短，年水位變幅在逐步縮小。

(4)按照《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》，三峽水庫調(diào)度主要有防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、航運(yùn)調(diào)度和水資源(水量)調(diào)度。通過三峽水庫調(diào)節(jié)，保證了汛期長江中下游防洪、枯水期航運(yùn)、城鄉(xiāng)居民用水以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水的需要。2008年以后最高水位保證率控制在 52.60 m以下。2009年開始最低水位保證率從斷面水位基本維持在39.20 m，以后逐年遞增，到2015年水位維持在39.50 m。

總之，三峽水庫蓄水后對(duì)宜昌基本水尺斷面水位特性的影響較為突出，原有規(guī)律改變導(dǎo)致測驗(yàn)和整編方法的調(diào)整，只有通過對(duì)新規(guī)律的認(rèn)識(shí)，摸清宜昌站的水位新特性，并采取一定的控制措施，才能保證水文資料成果質(zhì)量，提高資料的代表性和精度。