影響寸灘水位流量關(guān)系的水力因素探討

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010）

2020年汛期，長(zhǎng)江流域暴雨頻發(fā)、干支流洪水嚴(yán)重遭遇，干流發(fā)生5次編號(hào)洪水，上游干流寸灘站出現(xiàn)多次較大漲水過程。2020年8月11～17日發(fā)生的降雨過程為入汛以來(lái)長(zhǎng)江上游最強(qiáng)過程，嘉岷流域出現(xiàn)大范圍暴雨-大暴雨的強(qiáng)降雨過程，降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7 d，強(qiáng)降雨區(qū)范圍集中、極端性強(qiáng)，主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，面均雨量多在140 mm以上。

受強(qiáng)降雨影響，岷江發(fā)生超歷史洪水，沱江、涪江、嘉陵江、長(zhǎng)江干流朱沱至寸灘江段發(fā)生超保證洪水，干流寸灘站發(fā)生1次復(fù)式漲水過程。洪水期間，重慶主城區(qū)多處被淹，寸灘站最高水位191.62 m（超保證水位8.12 m），超過1981年最高水位191.41 m，但2020年最大流量（74 600 m3/s）較1981年（85 700 m3/s）偏小約11 100 m3/s，寸灘站水位流量關(guān)系的變化成為社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。本文以報(bào)汛資料為基礎(chǔ)，通過分析洪水過程中三峽庫(kù)區(qū)水面線、寸灘站斷面變化情況、洪水峰型及三峽水庫(kù)對(duì)寸灘站水位流量關(guān)系帶來(lái)的影響，總結(jié)規(guī)律并探討不同水力因素對(duì)寸灘站水位流量關(guān)系的影響。

1 三峽庫(kù)區(qū)水面線分析

“20·8”洪水中，寸灘站出現(xiàn)洪峰水位191.62 m時(shí)相應(yīng)流量為74 500 m3/s，依據(jù)寸灘站洪峰量級(jí)相近的原則，選擇1981，1984，1987，1998年作為典型洪水年，繪制各年寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)寸灘至壩址的水面線，見圖1，各站水位已統(tǒng)一換算至吳淞基面。通過三峽庫(kù)區(qū)水力學(xué)模型［1-2］，以“20·8”洪水中寸灘、武隆站實(shí)際來(lái)水過程為上邊界，假定三峽壩前水位分別維持145，155，160 m，計(jì)算并繪制當(dāng)寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)寸灘至壩址的水面線，見圖1。

由圖1可知，“81·7”洪水中，當(dāng)寸灘站出現(xiàn)洪峰水位191.41m時(shí)的寸灘至壩址水面線，與“20·8”洪水中寸灘站出現(xiàn)洪峰水位191.62 m時(shí)的寸灘至壩址水面線相比，水面線在寸灘至麻柳嘴河段基本重合，麻柳嘴至壩址河段水位因三峽水庫(kù)蓄水在“20·8”洪水中明顯抬高。當(dāng)三峽壩前水位維持在145 m時(shí)，計(jì)算得到寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)的寸灘至壩址水面線，與“20·8”洪水中寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)的寸灘至壩址水面線基本重合，在寸灘至麻柳嘴河段偏低幅度穩(wěn)定，在麻柳嘴至壩址河段偏低幅度隨距壩址距離變近而變大。

1984，1987，1998年洪水中寸灘站的洪峰量級(jí)均小于“20·8”洪水中寸灘站洪峰量級(jí)，當(dāng)寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)，同時(shí)刻寸灘至壩址水面線均比“20·8”洪水中寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)庫(kù)區(qū)水面線低，但寸灘至麻柳嘴河段水面線的變化趨勢(shì)與“20·8”洪水中的變化趨勢(shì)基本相同。

由此可知，“20·8”洪水中，三峽水庫(kù)庫(kù)尾麻柳嘴至寸灘站約50 km，表現(xiàn)為明顯的河道特征。當(dāng)寸灘出現(xiàn)洪峰水位時(shí)，三峽庫(kù)水位調(diào)洪運(yùn)用對(duì)寸灘水位有一定抬高影響，但當(dāng)寸灘現(xiàn)峰后，三峽水庫(kù)調(diào)蓄洪水對(duì)寸灘附近水位影響較小。

2 影響水位流量關(guān)系因素分析

2.1 洪水峰型

寸灘站的洪水過程有單次漲水過程和連續(xù)多次漲水過程的區(qū)別，洪峰表現(xiàn)為單峰型和多峰型。本文選取典型年寸灘站復(fù)式洪水過程，分析水位流量關(guān)系線的走勢(shì)。1981年和1998年為三峽水庫(kù)建庫(kù)前的典型年，次洪樣本見圖2。2012年和2020年為三峽水庫(kù)建庫(kù)后的典型年，次洪樣本見圖3。次洪樣本匯總見表1。

圖2 1981年和1998年洪水樣本

根據(jù)選取的典型年復(fù)式洪峰次洪，繪制三峽水庫(kù)建庫(kù)前和建庫(kù)后的寸灘站水位流量關(guān)系線，見圖4和圖5。

圖3 2012年和2020年洪水樣本

表1 典型年場(chǎng)次洪水樣本選取匯總

圖4 建庫(kù)前寸灘站復(fù)式洪水水位流量關(guān)系

圖5 建庫(kù)后寸灘站復(fù)式洪水水位流量關(guān)系

由圖4～5可知，三峽水庫(kù)建庫(kù)前、后寸灘站復(fù)式洪水水位流量關(guān)系基本處于綜合線附近。從各典型次洪來(lái)看，復(fù)式洪水后峰水位流量關(guān)系繩套中間線較前峰水位流量關(guān)系繩套中間線左偏［3-4］；2020年復(fù)式洪水后峰水位流量關(guān)系繩套中間線左偏幅度較其他典型年偏離更大。

當(dāng)發(fā)生復(fù)式洪水時(shí)，后峰在前峰影響后的河道上繼續(xù)發(fā)展，洪水過程洪量偏大，河道的槽蓄能力變小，宣泄能力不足，水面比降降低，表現(xiàn)為同流量下水位偏高。

2.2 洪水形態(tài)

以“81·7”洪水過程為原型，固定洪峰流量85 700 m3/s以及洪水過程起漲、結(jié)束時(shí)間，按不同的洪水形態(tài)擬定5組洪水過程。以洪峰胖瘦系數(shù)描述洪峰胖瘦程度，分析洪水形態(tài)對(duì)寸灘站水位流量關(guān)系的影響程度。洪峰胖瘦系數(shù)，即洪峰流量與洪水過程平均流量或過程總水量之比。本次計(jì)算采用洪峰流量與過程平均流量之比，洪峰流量相同情況下，系數(shù)越大，洪水峰型越瘦。擬定的5組洪水過程參數(shù)見表2，過程線見圖6，其中方案3為“81·7”實(shí)況洪水過程。

表2 洪水形態(tài)參數(shù)

圖6 不同形態(tài)洪水過程線

基于三峽庫(kù)區(qū)水力學(xué)模型，以擬定的5組寸灘洪水過程和武隆站實(shí)況過程作為模型上邊界條件，區(qū)間降雨均采用2020年實(shí)況降雨，下邊界三峽壩前水位維持145 m，分別計(jì)算5組寸灘站水位流量關(guān)系，見圖7。由圖7可知，流量在60 000 m3/s及以下時(shí)（漲水面相應(yīng)水位183m左右），洪水形態(tài)越胖，水位流量關(guān)系曲線帶寬越寬，且在漲水面流量越小時(shí)，水位流量關(guān)系越偏右；當(dāng)流量大于60 000 m3/s時(shí)，洪水形態(tài)越胖，水位流量關(guān)系曲線整體越偏左，即同流量下水位越高。

圖7 不同形態(tài)洪水對(duì)應(yīng)寸灘站水位流量關(guān)系

分析5組洪水?dāng)?shù)值模擬得出的洪峰水位與洪水洪峰胖瘦系數(shù)的相關(guān)性（見圖8）可知，當(dāng)洪峰流量一定時(shí)，洪峰水位與洪峰胖瘦系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即胖瘦系數(shù)越大，洪水峰型越尖瘦，洪峰水位越低。

圖8 洪峰胖瘦系數(shù)與洪峰水位相關(guān)關(guān)系

分析“20·8”寸灘洪水的胖瘦程度，考慮本次洪水為復(fù)式洪水，需先進(jìn)行洪水分割。對(duì)后峰進(jìn)行分割后計(jì)算洪峰胖瘦系數(shù)，約為1.45；小于“81·7”洪水的胖瘦系數(shù)為1.55，表明“20·8”洪水后峰整體峰型胖于“81·7”洪水峰型；當(dāng)洪峰流量相同時(shí)，“20·8”洪水洪峰水位較高。

由此可得出：當(dāng)洪水峰型較胖時(shí)，洪水過程的洪量也相應(yīng)增加，宣泄能力減弱，寸灘站水位偏高。

2.3 寸灘站河道斷面變化

寸灘站位于長(zhǎng)江與嘉陵江匯合口下游約7.5 km處，河段較順直，左岸較陡，右岸為卵石灘，左岸上游550 m處有砂帽石梁起挑水作用，中泓偏左岸，斷面基本穩(wěn)定。

以1981年為基準(zhǔn)，分析2003，2010，2012，2018年寸灘水文站實(shí)測(cè)大斷面形態(tài)及變化，見圖9。計(jì)算了不同水位條件下斷面面積的變化，見表3。由圖9可知，168 m以下寸灘水文站實(shí)測(cè)大斷面形態(tài)基本穩(wěn)定，不同水位條件下有一定的沖淤變化，但變化不大；168 m以上大斷面過水面積有所縮小，主要是2005年斷面右岸因修濱江路工程，在水位168 m以上修建了垂直高約11m的堡坎，且布置9條石梁。因此，當(dāng)寸灘站水位在180 m以上時(shí)，2010，2012，2018年實(shí)測(cè)大斷面面積較1981年偏小，偏小幅度穩(wěn)定在3.7%以內(nèi)，其中以2018年偏小值較大。

圖9 寸灘水文站實(shí)測(cè)大斷面形態(tài)變化對(duì)比

表3 建庫(kù)前后寸灘水文站實(shí)測(cè)大斷面面積變化統(tǒng)計(jì)

由表3可知，寸灘站水位在177 m以上時(shí)，2018年實(shí)測(cè)大斷面過水面積均小于1981年，當(dāng)斷面平均流速、過水?dāng)嗝婷娣e相同時(shí)，2018年寸灘斷面水位高于1981年。當(dāng)水位在191～192 m時(shí)，2018年斷面面積較1981年偏小3%左右。

綜上，相同水位下寸灘站的河道過流斷面面積減小降低了河道的行洪能力，是造成寸灘站水位偏高的另一個(gè)因素。

2.4 三峽水庫(kù)壩前水位

基于三峽庫(kù)區(qū)水力學(xué)模型，以“20·8”洪水中寸灘、武隆站實(shí)況來(lái)水過程作為上邊界，以2020年8月14日08：00為計(jì)算起始時(shí)間，實(shí)況三峽壩前水位153.09 m為起調(diào)水位，依據(jù)實(shí)況出庫(kù)范圍，從8月14日08：00起設(shè)置不同的三峽下泄方案，即：出庫(kù)流量按30 000～50 000 m3/s，每隔2 000 m3/s設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以此分析不同調(diào)洪水位對(duì)寸灘洪峰水位的影響。由于出庫(kù)流量維持在30 000～36 000 m3/s時(shí)三峽調(diào)洪水位超過175 m，本次分析僅采用38 000～50 000 m3/s之間的7組方案結(jié)果，見圖10。

由圖10可知，整體而言，當(dāng)壩前水位較高時(shí)，通過加大下泄流量降低三峽壩前水位，可降低寸灘洪峰水位，且隨著壩前水位的降低，寸灘洪峰水位的降低幅度逐漸減小。當(dāng)出庫(kù)流量由38 000 m3/s（相應(yīng)調(diào)洪水位169.05 m）加大至40 000 m3/s（相應(yīng)調(diào)洪水位166.65 m）時(shí)，可降低寸灘現(xiàn)峰時(shí)對(duì)應(yīng)三峽庫(kù)水位約2.4 m，降低寸灘洪峰水位約0.2 m；當(dāng)出庫(kù)流量由48 000 m3/s（相應(yīng)調(diào)洪水位159.40 m）加大至50 000 m3/s（相應(yīng)調(diào)洪水位157.40 m）時(shí)，可降低寸灘現(xiàn)峰時(shí)對(duì)應(yīng)三峽庫(kù)水位近2.0 m，降低寸灘洪峰水位約0.1 m。

圖10 三峽下泄流量、同時(shí)壩前水位與寸灘洪峰水位相關(guān)關(guān)系（圖中數(shù)字為對(duì)應(yīng)三峽壩前水位）

三峽水庫(kù)調(diào)洪水位的高低對(duì)河道水面比降的大小有一定影響，形成一定的頂托影響，進(jìn)而影響寸灘站的洪峰水位。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)寸灘站發(fā)生較大洪水年份的實(shí)測(cè)資料及模型研究，探討了不同水力因素對(duì)寸灘站水位流量關(guān)系的影響，得到以下結(jié)論。

（1）在“20·8”洪水中，寸灘站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)三峽水庫(kù)庫(kù)尾麻柳嘴至寸灘站約50 km，表現(xiàn)為明顯的河道特征；當(dāng)寸灘出現(xiàn)洪峰水位時(shí)，三峽水庫(kù)庫(kù)水位的高低對(duì)寸灘水位有一定頂托影響，但寸灘現(xiàn)峰后，三峽水庫(kù)調(diào)蓄洪水對(duì)寸灘附近水位影響較小。

（2）當(dāng)寸灘站發(fā)生復(fù)式洪水時(shí)，后峰水位流量關(guān)系繩套中間線較前峰偏左，洪水過程洪量偏大，前期洪水?dāng)D占河道槽蓄量，底水偏高，河道調(diào)蓄能力降低，是寸灘站高水位的影響因素之一。

（3）當(dāng)洪峰流量一定時(shí)，洪峰水位與洪峰胖瘦系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即胖瘦系數(shù)越大，洪水峰型越尖瘦，洪峰水位越低；“20·8”洪水的胖瘦系數(shù)較“81·7”偏小，洪水峰型偏胖，洪峰流量相同時(shí)，洪峰水位偏高。

（4）當(dāng)水位在191～192 m時(shí)，當(dāng)前寸灘站過流面積較1981年偏小約3%，相應(yīng)地減小斷面過流流量，在一定程度上抬高了寸灘斷面的水位。

（5）當(dāng)三峽壩前水位較高時(shí)，對(duì)寸灘水位有一定頂托影響，可通過增加三峽水庫(kù)的下泄流量降低寸灘現(xiàn)峰時(shí)的壩前水位，以減小對(duì)寸灘洪峰水位的影響，保障重慶市庫(kù)尾安全。