丹江口水利樞紐工程蓄水對其上游各水文（位）站的綜合影響分析與評估

徐利永，張海波，徐新雪

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000）

水利水電工程工期短者3年～5年，時間長的可能10年以上，施工期間河道特性變化頻繁，水文各要素關系也隨之發(fā)生變化。施工結束后直接或間接的改變了水文站水文特性[1～2]。根據(jù)預建水利工程對水文測站的影響程度，水利工程對水文測驗的影響分析與探討的文章不少，但如何評價其影響大小，根據(jù)影響程度如何利用現(xiàn)有的技術條件解決水文測驗問題需要更深一步進行討論[3～5]。本文主要對水位、流量測驗項目進行了影響分析與評估。

1 研究區(qū)概況

1.1 水利工程概述

丹江口水庫作為南水北調(diào)中線的供水水源工程，也是漢江綜合利用開發(fā)治理的控制性水利樞紐，由丹庫和漢庫兩部分組成，涉及湖北和河南兩個區(qū)域。丹江口水利樞紐分初期規(guī)模和后期規(guī)模兩期興建，初期工程于1973年底建成，后期的大壩加高工程于2005年開工建設，2014年12月12日丹江口水庫正式向北方供水，標志著丹江口水庫后期全面轉入正常運行期。

丹江口水利樞紐工程大壩加高后，正常蓄水位由157 m提高到170 m，相應庫容達到290.5億m3，水庫任務為防洪、供水、發(fā)電、航運等。水庫運行調(diào)度方式為：5月初至6月21日，水庫水位逐漸降低到夏季汛限水位160 m；8月底逐漸抬高到秋季汛限水位163.5 m；10月1日以后，逐漸蓄水到正常蓄水位[6]。死水位150 m；極限消落水位145 m[7]。多年平均入庫水量為394.8億m3[8],多年平均氣溫為15.9℃，年均降水量約900 mm，年均水面蒸發(fā)量860 mm左右[9]。其上游各水文（位）距壩里程、梯級開發(fā)情況、主要匯入河流距壩里程具體見圖1、表1。

圖1 漢江主要水文（位）站、水電站距丹江口壩址里程統(tǒng)計及示意圖

表1 丹江口庫區(qū)主要匯入河流距壩里程統(tǒng)計表

1.2 水文站網(wǎng)概述

丹江口水庫供水對象包含漢江中下游、清泉溝及南水北調(diào)中線一期工程三部分。其供水調(diào)度關系到漢江中下游、清泉溝用水安全和南水北調(diào)中線工程的正常運行，關系到我國水資源優(yōu)化配置戰(zhàn)略格局，也關系到有效緩解華北地區(qū)缺水和改善生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)，成為學界高度關注的熱點和難點問題。

受丹江口大壩加高工程影響，其壩上有白河、油房溝、黃龍灘、磨峪灣、淅川共5個水文站，分布在漢江、堵河（漢江一級支流）、丹江（漢江一級支流）、老灌河（丹江一級支流）上。壩下黃家港水文站受其影響，水位～流量關系復雜；庫區(qū)內(nèi)布設有龍口、浪河、巡路口、窯溝4個專用水位站，壩前布設有龍王廟國家基本水位站。受影響的水位站主要分布在漢江干流鄖縣至白河區(qū)間范圍內(nèi)，其主要作用為監(jiān)測大壩加高前及加高后的蓄水緩沖區(qū)。各水文（位）站地理位置分布見圖2。

圖2 丹江口水利樞紐水文站網(wǎng)分布圖

2 受影響水文要素特性變化分析

水文特性變化一般是指通過斷面的水流形態(tài)發(fā)生變化，特別是流速、含沙量在垂線、斷面上的分布發(fā)生改變，導致已經(jīng)建立的測驗方案或者采用的測驗設施設備無法正常使用。具體為延斷面布設的垂線位置及數(shù)量、延垂線分布的測點位置及數(shù)量、各流速系數(shù)、單斷沙關系等均需重新分析確定，導致水文測驗成果質(zhì)量降低或者無法滿足使用。

2.1 水文站主要水文要素影響情況

2.1.1 流量測驗斷面影響分析

根據(jù)各水文站大斷面與丹江口水庫蓄水位對比分析（見圖3）可得：夏季汛限水位160 m對黃龍灘水文站會產(chǎn)生頂托影響，對白河、淅川、磨峪灣不會產(chǎn)生影響；秋季汛限水位163.5 m基本達到磨峪灣水文站斷面，影響程度需根據(jù)歷年水位～流量關系進一步分析；正常蓄水位170 m庫區(qū)尾水對白河站產(chǎn)生影響，影響程度目前還無實測資料進行分析，目前在建的孤山電站蓄水后對該站的影響較大，該站完全處于庫區(qū)之中。在正常蓄水位以下不會影響到淅川水文站。

圖3 各水文站大斷面與庫區(qū)蓄水位對照圖

2.1.2 水位過程受影響分析

黃龍灘水文站水位受頂托后在上游來水情況基本相同的情況下，水位變幅總體減小，但變動頻次提高。穩(wěn)定的測驗時機難以掌控，常規(guī)測驗無法滿足定線整編精度要求。見圖4、圖5。

圖4 受頂托前瞬時水文要素過程線圖

圖5 受頂托后瞬時水文要素過程線圖

2.1.3 水位～流量關系受影響分析

黃龍灘水文站受丹江口水庫回水頂托后水位～流量無穩(wěn)定關系，較歷年綜合分析關系明顯變化，之前每年為較穩(wěn)定的單一關系（見圖6）。應對措施為采用H-ADCP在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析指標流速關系進行整編推流。磨峪灣水文站分析2016年～2017年水位～流量關系（見圖7），其受斷面沖刷及上游來水特性影響較大，一定時期內(nèi)承單一臨時曲線，無明顯頂托影響。

圖6 黃龍灘站受頂托后與歷年水位～流量關系對比圖

圖7 磨峪灣站2016～2017水位～流量關系對比圖

2.2 水位站水文要素受影響分析

從鄖縣向漢江上游至白河1個水文站和9個水位站的水位均被抬升，基本水準點部分被淹，校核水準點、水尺基本全部被淹沒。水位被抬高以后造成多個站點地基不穩(wěn)，塌方。新設的各水準點、水尺高程變動頻繁，難以固定下來。被影響前水位過程主要受上游漢江蜀河電站調(diào)機影響，水位日變幅較大，受丹江口水庫蓄水及年調(diào)節(jié)影響水位日變幅減小，但年變幅增大。

以天河口水位站為例（見圖8），該站1955年設立，中間停測13年時間，已收集到50年水文系列資料，距壩里程165.5 km，2017年大壩加高蓄水前不受其任何影響。2016年該站未發(fā)生較大洪水過程，水位變幅僅5.65 m。2017年8月中旬開始受丹江口水庫蓄水影響，水位逐漸抬高，平水期水位變幅達6.76 m。

圖8 天河口水位站年過程線對照圖

在洪水期丹江口水庫蓄水對各站的水位有明顯的抬高影響，2017年9月下旬至10月中旬漢江出現(xiàn)較大來水過程，且頻次高，持續(xù)時間長。根據(jù)天河口水位過程線圖可知，水位被抬高約4m，與歷史系列資料發(fā)生了較大變化。根據(jù)分析將軍河至西流水位站水位近三年過程線圖（見圖9～圖11），可得丹江口水庫漢江回水已達到將軍河水位站附近，距壩里程184.7 km。

圖9 將軍河（二）水位站年過程線對照圖

圖10 靈牌石水位站年過程線對照圖

圖11 西流水位站年過程線對照圖

3 評估體系與方法

3.1 評估方法

綜合影響（S）以各測驗項目（見表2、表3）影響程度、影響時間（見表4）為主要因子確定權重系數(shù)，各主要因子根據(jù)數(shù)據(jù)分析及工程概況評估得分，根據(jù)分數(shù)及權重系數(shù)計算綜合影響程度。測驗項目主要包括水位（Z）、流量（Q），經(jīng)驗值初步確定所占權重分別為0.4、0.6。影響時間因子（Tx）根據(jù)各項目的影響時間長短確定。綜合影響得分計算見公式1，影響等級劃分見表5。

表2 水位（Z）受影響賦分表

表3 流量（Q）受影響賦分表

表4 時間因子權重表

表5 綜合影響層次劃分

水位（Z）受影響程度指水位受影響升高變幅與歷史最大變幅進行比較，如黃龍灘水文站受影響前最高水位176.52 m（相應流量11200 m3/s），最低水位158.79 m，變幅達17.73 m；受影響后水位已達到170.35 m，年水位變幅11 m，占歷史最大變幅的62%，受影響賦分為7分。如果再次出現(xiàn)11200 m3/s流量，水位必定會超歷史最高，受影響賦分可為9分。流量（Q）受影響賦分主要考慮在滿足整編定線精度要求下流量測次的增量，可與歷年流量測次均值進行對比。

3.2 綜合影響評估

通過以上評估方法，對丹江口水庫影響的各水文（位）站進行了影響等級評估（見表6、表7），根據(jù)受影響程度確定解決方案，已滿足各水文要素的推求。

表6 各水文站受影響等級評估

表7 各水位站受影響等級評估

3.3 影響評估驗證

在建孤山電站蓄水后將對白河水文站產(chǎn)生一定影響，根據(jù)其正常蓄水位（177.23 m）和白河水文站目前測驗情況，進行了評估，結果見表8。

表8 白河水文站受孤山電站蓄水影響評估

4 水文（位）受影響解決方案

4.1 水位站

水位站測驗項目單一，受影響后的解決方案一般較好確定。等級為輕微影響的測站在工作管理、人力資源上應增加投入，加強儀器設備維護，對基礎設施設備進行補充及改善。如增設水尺、水準點，更換水位自記儀探頭及存儲設備安置位置等，部分測站需要重新建設水位自記臺；等級為影響的測站，原基礎設施及設備基本廢棄，水尺、水準點、水位觀測平臺被淹沒，一般在原來站址的基礎上進行重建，特殊情況需要進行遷移，水位資料系列受到一定程度的影響，后期應用需進行資料還原；等級為顯著影響的測站，需要進行遷移重建，個別站失去水文測驗的必要性，水文資料無使用價值，進行停測或者撤銷。

4.2 水文站

水位項目可參考4.1條內(nèi)容，本條重點對流量測驗成果進行詳細分析。等級為輕微影響的測站，按照測站現(xiàn)有測驗設施設備能夠完成《水文測驗任務書》的測驗要求，測次會有所增加，水位～流量關系發(fā)生一定變化，目前整編方法可以繼續(xù)使用；等級為影響的測站，水文特性發(fā)生較大變化，水流狀態(tài)復雜化，測流時機控制難度系數(shù)大?，F(xiàn)有測驗設施設備及整編方法已經(jīng)無法滿足有關規(guī)范要求，不同水位級需要增設臨時測驗斷面，需要研制開發(fā)或引進先進的水文測驗設備、儀器；等級為顯著影響的測站，測驗數(shù)據(jù)代表性失真，水文測站需要遷移、改建、撤銷（包括部分項目停測）[10～11]。

不同等級影響的水文站主要解決方案是引進先進的設備，例如水平式聲學多普勒流速儀，流量自動監(jiān)測是解決受工程影響水文測驗的主要手段。發(fā)展方向為提高水文測驗的信息化水平和自動化水平，運用遙測系統(tǒng)、微機測流系統(tǒng)、固態(tài)存儲、超聲波水位計、計算機網(wǎng)絡技術進行水文測驗。新技術的運用，可以最大程度的降低錯誤率，保障了水文測驗工作的準確性和可靠性。同時也能夠減少勞動力，加強日常測驗與分析研究。

5 結論

通過以上評估體系的建立與對丹江口水利樞紐上下游附近各水文（位）站的分析與評估，基本建立了受工程影響水文測驗評估體系，可供廣大水文工作者借鑒和參考。水文成果是水利工程建設、水資源開發(fā)利用、科學研究和國民經(jīng)濟建設的基礎數(shù)據(jù)資料，水文單位應與水利工程建設單位有效溝通，協(xié)調(diào)發(fā)展，加強基礎設施建設與改善，研制開發(fā)或引進先進的水文測驗設備、儀器，提高水文測驗的科技水平以及水文測驗的準確性，更好的滿足水文事業(yè)的質(zhì)量要求，為我國經(jīng)濟社會的發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)的水文服務。