三峽庫水位對寸灘站庫尾水位頂托的影響

王俊鴻，郭 樂，張東杰

（1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133；2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443133）

2020年8月的長江第5號洪水和1981年7月相比，前者流量小于后者的情況下，水位反而更高[1，2]。針對此問題，有必要以寸灘水位流量關系作為切入點，研究分析三峽庫水位對包括寸灘在內的庫尾水位的頂托影響[3]。本文針對三峽庫區(qū)庫尾水位受三峽壩前水位頂托影響的復雜水動力學問題[4，5]，通過合理設置上游寸灘不同設計頻率洪水與不同庫水位的組合，采用一維水動力模型模擬分析。在此基礎上得到三峽庫區(qū)寸灘-壩址各斷面的水位變化過程，量化分析三峽庫區(qū)庫尾水位受三峽壩前水位洪水頂托的程度。研究成果可為大洪水期上游站點受洪水頂托影響數(shù)據失真時的水文預報工作提供重要指導，具有較好的工程應用和科技支撐價值，對其它類似流域的庫區(qū)洪水頂托研究也具有積極的推進作用[6-8]。

1 基礎資料

1.1 河道資料

由于“20.8”洪水主要來自長江上游干流，因此暫不考慮烏江及其他區(qū)間入流的影響。長江干流三峽庫區(qū)段的河道資料主要包含大斷面X-Y、斷面間距、斷面糙率。

其中大斷面X-Y表征河道某一位置的橫截面地形，X為從左岸某點為起始點到右岸某點的起點距，Y為高程。研究區(qū)域內共有長江干流斷面327個（斷面資料來源于長江委水文局，數(shù)據更新于2018年），其中三峽壩前大斷面、寸灘站大斷面作為控制斷面。

斷面間距指相鄰斷面之間的距離，用于計算洪水的傳播。由于三峽水庫全長約600余km，平均寬度不足2 km，為典型的河道型水庫，因此本研究將其概化為線型水庫，即不考慮細部轉角對洪水傳播的影響，因此斷面間距所涉的左邊界間距、中泓線間距、右邊界間距均擬為一致。長江干流各斷面間距統(tǒng)計表如表1所示。

表1 長江干流各斷面間距統(tǒng)計表m

糙率表征了河道斷面的地表粗糙程度，對洪水傳播中的水位頂托有一定影響。根據“天然河道糙率表”對各斷面糙率進行假定，并在模型率定環(huán)節(jié)對糙率進行適當調整（見2.2節(jié)表2）。

1.2 水文實況資料

水文實況資料包括水位和流量，目的是對模型進行率定，對結果進行驗證。選取三峽建庫以來洪峰流量大于35 000 m3/s的有一定代表性的38場洪水，摘錄寸灘站的水位-流量數(shù)據。并記錄各場洪水的實測高水連時序曲線，以“2020年長江第4/5號洪水”為例，如圖1所示。

圖1 2020年長江第4/5號洪水實測高水連時序曲線

1.3 水位頂托影響因素

水位頂托除受庫水位（下游水位）和流量的顯著影響外，還受洪水峰型和匯流比的影響。

1.3.1 庫水位

庫水位表征了三峽水庫的蓄水量，直接影響了上游庫尾水位的頂托。本次研究擬設定庫水位從死水位至正常蓄水位間的145 m、150 m、155 m、160 m、165 m、170 m、175 m共7組。

1.3.2 入庫流量

水位與入庫流量有直接關系，本次研究的入庫流量指寸灘站流量，即忽略了區(qū)間入流和烏江匯流量的壩址入庫流量。根據三峽入庫流量多年數(shù)據，擬設定10 000 m3/s，20 000 m3/s，30 000 m3/s，40 000 m3/s，50 000 m3/s，60 000 m3/s，70 000 m3/s，80 000 m3/s，90 000 m3/s共9組。

2 模型介紹

2.1 模型選擇

由于本次研究的區(qū)域為典型線型水庫的洪水傳播，本次采用Hec-RAS模型。由于天然河道底坡沿程有一定的變化，斷面形狀也不規(guī)則，河槽斷面寬窄不一，河底高低不平，因此洪水水面線推算通過河道非均勻流計算方法，以起始斷面，采用伯努利能量方程，向上游推算出各斷面不同頻率下的水面線，在求解方程過程中采用了遞次求近法。伯努利能量方程如下：

式中：Y1，Y2—斷面水深；Z1，Z2—主槽高程；V1，V2—平均流速（總流量/總過流面積）；α1，α2—速度加權系數(shù)；g—重力加速度；he—能量水頭損失。

2.2 模型率定

本次研究中對模型的率定主要是針對Hec-RAS所需的河道邊界糙率，糙率能夠一定程度上影響壅水。以實測及調查的歷史洪水水面線及各水文站水位—流量關系曲線作為率定庫區(qū)沿程糙率的依據。以寸灘水文站為主要研究對象，整理率定后的研究區(qū)各斷面糙率如表2所示。

表2 三峽庫區(qū)各斷面糙率率定表

2.3 模型合理性分析

以寸灘站兩場實況來水過程（2018年7月11日～16日、2020年8月17日～22日）作為上邊界，三峽庫水位作為下邊界，采用Hec-RAS模型模擬計算寸灘站水位，對比兩場洪水各自的數(shù)據差異，見表3。

表3 兩場洪水模擬差異性分析

由表3可以看出，兩場洪水的差異性分析中，平方和、均方均較小，而顯著性水平大于0.9，表明沒有顯著差異，模擬結果能夠反應真實情況。

同時兩場洪水繪制水位流量關系線與實測對比，如圖2、圖3所示。

圖2 模擬與實測對比（2018年7月11-16日）

圖3 模擬與實測對比（2020年8月17日～22日）

模型計算的水位流量關系線與實測模擬整體較好，擬合程度高，雖然從圖中可以看出在洪水漲水面，模擬數(shù)值會略偏高于實測結果，而退水面模擬數(shù)值略偏低于實測結果，這是由于Hec-RAS模型本身的歸一性程序架構所致，不過這種偏差對水位變幅的影響極小，可忽略不計。因此，本次研究采用Hec-RAS模型一維模塊是合理可行的。

3 成果分析

3.1 基本理論

寸灘站位于長江干流上游，本次僅研究寸灘站以上來水穩(wěn)定流量與三峽庫水位對寸灘站水位頂托的共同影響，這也是造成水位頂托最直接最重要的兩個因素。根據三峽建庫以來大洪水期寸灘站流量和庫水位，可將寸灘站流量設置為10 000～90 000 m3/s（步長10000）；庫水位設置為145～175 m（步長為5），并進行寸灘站流量與庫水位之間的兩兩組合，計算寸灘站水位。

3.2 數(shù)值實驗與分析

根據Hec-RAS模型模擬計算當來水為穩(wěn)定流時，設置三峽不同壩前水位，計算寸灘站水位。根據模擬結果，以三峽庫水位為參數(shù)，繪制三峽不同壩前水位下寸灘站水位流量線，如圖4所示。

圖4 三峽不同壩前水位寸灘站水位流量關系線（模擬穩(wěn)定流）

由圖4可知，當上游寸灘站出現(xiàn)洪峰水位，三峽庫水位低于155 m時，三峽調蓄洪水對寸灘水位流量關系影響較小；當三峽庫水位在160 m以上時，寸灘站水位流量關系明顯左偏，即同流量下寸灘水位偏高，且偏高幅度隨三峽壩前水位抬高而加大。將各水位差情況下的水位頂托分別繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 不同壩前水位差的寸灘站水位頂托曲線

從圖5能夠更直觀清楚地看出，隨著壩前水位的抬升，水位頂托效應均勻上漲，且寸灘流量小于40 000 m3/s時，流量越小，庫水位越高，頂托作用越明顯；寸灘流量大于40 000 m3/s時，頂托效應隨流量的增大逐漸變緩，即頂托效應與來水流量成負相關。這一定程度上說明了汛期寸灘站初始水位流量關系曲線的非一一對應性，導致誤判寸灘站真實水位流量關系曲線和報汛曲線之間的轉換。

4 結論

本文以Hec-RAS水動力模型分別對寸灘站采用入庫流量和壩前水位等主要因素，來探究大洪水期三峽壩前水位對庫尾寸灘站水位的頂托影響，得到以下主要結論：

（1）采用Hec-RAS模型一維模塊求解三峽庫區(qū)的水動力問題是可行的;

（2）大洪水期三峽壩前水位對庫尾寸灘站水位存在線性頂托影響;

（3）頂托效應與寸灘來水流量成負相關。