三峽水庫典型運(yùn)用過程庫區(qū)水面線變化特點研究

袁玉　魯軍　胡挺　肖揚(yáng)帆　李肖男

摘要：隨著三峽水庫運(yùn)用條件和調(diào)度方式的變化，庫區(qū)水面線的沿程特性發(fā)生了一定程度的變化。為了探求水面線的時空變化規(guī)律，選取三峽水庫典型洪水調(diào)度過程及典型瞬時水面線進(jìn)行各庫段水面線特性研究。結(jié)果表明：壩前至巴東段不受寸灘流量影響。巴東至白沙沱段受壩前水位與寸灘流量雙重影響，寸灘流量40 000 m/s以下時，此段水面線主要受壩前水位的影響;寸灘流量30 000 m/s以下且壩前水位達(dá)到165 m時，此段水面線基本不受寸灘流量的影響。白沙沱至寸灘段受寸灘流量與壩前水位綜合影響，壩前水位150 m以下、寸灘流量50 000 m/s以下時，此段水面線與寸灘流量相關(guān)。壩前水位達(dá)到165 m后，回水影響至寸灘河段。

關(guān)鍵詞：水庫運(yùn)行; 典型洪水調(diào)度; 水面線; 壩前水位; 寸灘流量; 三峽水庫

中圖法分類號：TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.015

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0089 - 06

0 引 言

隨著長江上游干支流梯級水庫群陸續(xù)建成運(yùn)行，三峽水庫來水來沙條件發(fā)生明顯變化。根據(jù)朱沱、北碚、武隆3個站點監(jiān)測的三峽水庫入庫輸沙量，及黃陵廟站監(jiān)測的三峽水庫出庫輸沙量，三峽水庫2008年試驗性蓄水以來至2020年，淤積泥沙累積約19.77億t[1]，入庫泥沙的淤積使庫區(qū)的河道地形發(fā)生了一定程度的變化[2-4]。同時，流域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對三峽水庫防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水、生態(tài)等綜合調(diào)度提出了更高需求。對三峽水庫防洪調(diào)度、汛期運(yùn)行水位、汛末提前蓄水、汛前消落等方面的調(diào)度運(yùn)行方式均進(jìn)行了優(yōu)化。調(diào)度運(yùn)行方式的改變使水庫汛期運(yùn)行水位常高于初步設(shè)計階段的汛期運(yùn)行水位，在遭遇不同頻率洪水時，庫區(qū)淹沒的風(fēng)險加大[5-6]。隨著三峽水庫運(yùn)用條件和調(diào)度方式的變化，庫區(qū)水面線的沿程特性發(fā)生了一定程度變化。在汛期防洪調(diào)度時，為避免庫區(qū)水面線超過初步設(shè)計階段確定的移民遷移線和土地淹沒線，水庫運(yùn)行管理部門常面臨較大的調(diào)度決策壓力。

目前，對于庫區(qū)水面線的研究主要集中于對計算方法的探討[7-11]，亦有學(xué)者基于水庫調(diào)度運(yùn)行階段的實測水面線特性開展分析。其中，胡鵬等[12]驗證分析了三峽水庫正常蓄水運(yùn)行階段特征洪水的沿程水位;謝靜紅等[13]分析了三峽水庫蓄水后荊江段低水期水面線變化;肖中等[14]重點研究了寸灘河段的水面線特性?？偟膩砜?，目前對三峽水庫運(yùn)行以來的庫區(qū)水面線特性分析和規(guī)律探討相對薄弱。三峽水庫調(diào)度運(yùn)行資料和庫區(qū)主要測站水文資料的積累，為水庫實際運(yùn)行階段庫區(qū)水面線的特性分析與規(guī)律探討提供了有利條件。本文基于三峽水庫典型洪水調(diào)度過程的實測水面線資料，分析了庫區(qū)不同河段的水面線特性，以期探求水面線的時空變化規(guī)律，為實時調(diào)度決策提供一定支撐。

1 研究區(qū)概況

三峽水利樞紐工程位于湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，下距宜昌站約40 km。樞紐正常蓄水位175 m，枯季消落低水位155 m，防洪限制水位145 m。三峽庫區(qū)范圍為105°44′E～111°39′E，28°32′N～31°44′N，面積約5.8萬km。初步設(shè)計階段，三峽水庫5 a一遇洪水回水末端在距壩址574 km的大塘坡;20 a一遇洪水回水末端在距壩址580 km的彈子田[15]。

三峽水庫2008年汛末進(jìn)入175 m試驗性蓄水運(yùn)用階段，入庫流量參考站主要為干流寸灘站、烏江武隆站等。尤其是寸灘的流量、水位成為三峽水庫調(diào)度的重要參照。已有研究成果表明：入庫流量（寸灘流量、武隆流量等）、區(qū)間支流流量、壩前水位、庫區(qū)地形條件等對庫區(qū)水面線均會產(chǎn)生一定程度的影響，其中，以寸灘流量、壩前水位的影響最為顯著[16]。三峽水庫2008年試驗性蓄水以來，庫區(qū)地形條件總體未發(fā)生顯著變化。區(qū)間流量主要對庫區(qū)洪峰的水面線產(chǎn)生一定程度影響，需展開定量模擬研究[17]。因此，本文主要基于三峽水庫典型運(yùn)用過程的實測資料，在日尺度下，研究寸灘流量、壩前水位對三峽庫區(qū)水面線的影響。受限于庫區(qū)觀測站點和實測資料，本文不對區(qū)間支流流量展開評述。三峽水庫庫區(qū)干支流河道及水文站位置圖見圖1。

2 數(shù)據(jù)選取

2.1 典型洪水調(diào)度過程水面線

2020年汛期，三峽水庫入庫流量峰值與壩前水位最高值均為實際運(yùn)行以來之最。2018年7月上中旬入庫流量較大;2014年蓄水期三峽水庫入庫流量峰值為歷年蓄水期最大，且發(fā)生了2場較大洪水，相應(yīng)壩前水位為歷年同期最高。因此，選取2014年蓄水期、2018年汛期和2020年汛期典型洪水調(diào)度過程（圖2～4）進(jìn)行庫區(qū)水面線變化分析。

2.2 瞬時水面線

選取壩前水位相近（壩前水位變幅在±0.5 m以內(nèi)）、寸灘流量不同，寸灘流量相近（流量變幅在±2 000 m/s以內(nèi)）、壩前水位不同兩類工況下的水面線，分析庫區(qū)水面線變化的規(guī)律。圖5為壩前水位145，155，165 m時，3組不同量級寸灘流量的實測庫區(qū)水面線。圖6為寸灘流量30 000，40 000，50 000 m/s量級時，3組不同壩前水位對應(yīng)的庫區(qū)水面線。

3 分析與討論

3.1 典型洪水調(diào)度過程庫區(qū)水面線變化

3.1.1 2014年蓄水期

（1） 由圖2（a）可知，2014年9月17～23日庫水位處于緩慢抬升狀態(tài)，壅水段主要出現(xiàn)在清溪場（距大壩447.9 km）至白沙沱（距壩437.3 km）段、巫山（距壩126.7 km）至巴東（距壩71.0 km）兩個峽谷段，寸灘流量越大，此兩段的水面坡降越大，壅水作用越顯著。清溪場以上水面線主要受流量影響，白沙沱以下水面線呈水庫特性（主要受壩前水位影響）。

（2） 由圖2（b）可知，2014年10月1～31日壩前水位較高且處于持續(xù)抬升狀態(tài)，寸灘流量較小，巫山至巴東和清溪場至白沙沱兩峽谷段均無明顯壅水，庫區(qū)水面線接近水平。

2014年9月23日，壩前水位168.47 m，寸灘流量19 300 m/s，巫山至巴東和清溪場至白沙沱兩個峽谷段基本無壅水。由此推測，在蓄水期壩前水位高于168.0 m的前提條件下，寸灘流量低于20 000 m/s，且不發(fā)生區(qū)間特大洪水時，巫山至巴東和清溪場至白沙沱兩個峽谷段基本不壅水。

3.1.2 2018年汛期

由圖3可知，2018年7月13～21日寸灘流量變化范圍為27 400～59 200 m/s，壩前水位變化范圍為146.66～156.76 m，壩前水位的變幅為10.10 m。從水面比降看，由于寸灘流量較大，清溪場至白沙沱段和巫山至巴東段兩處峽谷段洪水位明顯壅高。

3.1.3 2020年汛期

由圖4可知，7月13日壩前水位153.20 m，寸灘流量21 400 m/s;8月14日，壩前水位153.09 m，但寸灘流量為53 500 m³/s，此時巫山至巴東段、清溪場至白沙沱段的水面坡降均高于7月13日的水面坡降，說明壩前水位不變時，庫區(qū)水面比降與流量呈正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)合圖2（a），2014年9月19日壩前水位166.64 m、寸灘流量44 700 m/s，清溪場與白沙沱的水位差為1.44 m，巫山與巴東的水位差為1.11 m;2020年8月17日壩前水位157.49 m、寸灘流量48 700 m/s，但清溪場與白沙沱的水位差為2.30 m，巫山與巴東的水位差為1.42 m。說明寸灘流量不變時，庫區(qū)水面比降與壩前水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

結(jié)合圖3，2018年7月14～21日與2020年7月8～15日壩前水位上升范圍（148～156 m）基本一致，只是前者寸灘流量變化范圍（27 400～59 200 m/s）顯著大于后者的流量變化范圍（16 000～23 100 m/s）。兩者白沙沱以下的水位波動范圍均與壩前水位波動范圍相近，但前者清溪場以上朱沱沿程的水位波動范圍顯著大于后者相應(yīng)點的水位波動范圍，說明清溪場至白沙沱段以上水面線主要受流量影響，寸灘流量越大水面線越高，以下的水面線則主要受庫水位影響。

根據(jù)上述結(jié)果，可將三峽水庫庫區(qū)劃分為壩前至巴東段、巴東至白沙沱段、白沙沱至寸灘段，分析壩前水位與寸灘流量對各河段水面線的影響規(guī)律。

3.2 寸灘流量對庫區(qū)水面線影響

（1） 由圖5（a）可知，壩前水位145.24 m、寸灘流量由30 200 m/s增加至46 000 m/s時，壩前至巴東段水位基本維持在145 m;巴東至白沙沱段寸灘流量增加至46 000 m/s時，水位差由5.00 m增大到7.58 m，表明此段水面線開始受寸灘流量的影響，寸灘流量越大，影響程度相對越大;白沙沱至寸灘段水面線則明顯隨寸灘流量增大而抬高。

（2） 由圖5（b）可知，壩前水位155 m、寸灘流量由21 000 m/s增加至41 000 m/s，壩前至巴東段水位基本為155 m，說明此段水面線受寸灘流量影響很小。而巴東至白沙沱段的水位差在寸灘流量21 000 m/s時為1.70 m，流量28 100 m/s時為3.06 m，流量41 000 m/s時為5.24 m，相較于壩前水位145 m、同級寸灘流量的水位差小。即壩前水位155 m時，巴東至白沙沱段的水面比降受寸灘流量的影響比壩前水位145 m時弱。白沙沱至寸灘段的水位差在寸灘流量21 000 m/s時為12.95 m，寸灘流量28 100 m/s時為15.02 m，寸灘流量41 000 m/s時為18.36 m，其中，白沙沱至清溪場段，水面線與坡降均隨寸灘流量增大而增加，說明寸灘流量增加對水面線的影響程度提高，庫區(qū)水面線呈現(xiàn)明顯的河道特性。

（3） 由圖5（c）可知，壩前水位165 m條件下，寸灘流量由20 500 m/s增加至39 000 m/s，壩前至巴東段水位基本為165 m，說明此段水面線基本不受寸灘流量影響;巴東至白沙沱段，當(dāng)寸灘流量30 000 m/s以下時，水面線受寸灘流量的影響甚微;白沙沱至寸灘段，寸灘流量20 500 m/s時水位落差6.09 m，寸灘流量29 900 m/s時水位落差10.33 m，寸灘流量39 000 m/s時，水位落差11.56 m，說明壩前水位越高，回水影響越遠(yuǎn)，壩前水位165 m時，回水至寸灘河段。

總體而言，壩前水位145，155 m和165 m在不同寸灘流量量級下，壩前至巴東段水面線不受寸灘流量影響。巴東至白沙沱段相同壩前水位時，寸灘流量越大，水面線受流量影響越顯著;相同寸灘流量時，壩前水位越低，水面線受流量影響越顯著。白沙沱至寸灘段主要受寸灘流量的影響。

3.3 壩前水位對庫區(qū)水面線影響

（1） 由圖6（a）可知，寸灘流量30 000 m/s時，壩前水位由145.24 m增加至163.36 m，壩前至巴東段水位基本與壩前水位相同。壩前水位163.36 m時，清溪場站至白沙沱站水位差為3.30 m;壩前水位145.24 m時，水位差為5.23 m，壩前水位低對應(yīng)的水面坡降大。清溪場至寸灘段，壩前水位163.36 m時水位差為7.87 m，壩前水位145.24 m時水位差為19.42 m，壩前水位越高，比降越緩。

（2） 由圖6（b）可知，寸灘流量40 000 m/s時，庫區(qū)各段水面線變化規(guī)律與寸灘流量30 000 m/s條件下總體一致。

（3） 由圖6（c）可知，寸灘流量50 000m/s時，壩前水位由151.34 m增加至167.25 m，壩前至巴東段水位與壩前段一致。巴東至白沙沱段水位抬高4.0～7.5 m，說明寸灘流量達(dá)到50 000 m/s量級后，此段水面線受寸灘流量影響程度提高。白沙沱至寸灘段的水面線也有所提高。

綜上所述，寸灘流量30 000，40 000 m/s和50 000 m/s量級時，壩前和巴東段水面線基本與壩前水位相同，說明此段水面線主要受壩前水位影響。巴東至白沙沱段受壩前水位與寸灘流量的雙重影響，寸灘流量40 000 m/s量級以下時，此段水面線主要受壩前水位的影響。白沙沱至寸灘段水面線受寸灘流量與壩前水位的綜合影響，當(dāng)寸灘流量達(dá)到50 000 m/s量級后，水面線主要受寸灘流量的影響。

4 結(jié) 論

（1） 壩前至巴東段段水面線不受寸灘流量影響，與壩前水位基本一致。

（2） 巴東至白沙沱段水面線受壩前水位與寸灘流量的雙重影響。相同壩前水位條件下，寸灘流量越大，流量影響越顯著;相同寸灘流量量級下，壩前水位越低，流量影響越顯著;當(dāng)寸灘流量40 000 m/s量級以下時，巴東至白沙沱段水面線主要受壩前水位的影響;寸灘流量30 000 m/s量級以下且壩前水位達(dá)到165 m時，巴東至白沙沱段基本不受寸灘流量的影響。

（3） 白沙沱至寸灘段水面線受寸灘流量與壩前水位的綜合影響。壩前水位150 m以下、寸灘流量50 000 m/s以下時，此段水面線主要受寸灘流量影響;壩前水位達(dá)到165 m后，回水頂托作用影響至寸灘河段。

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（編輯：李 慧）

Study on characteristics of water surface profile change in Three Gorges

Reservoir during typical operation process

YUAN Yu LU Jun HU Ting XIAO Yangfan LI Xiaonan

（1.? Hubei Key Laboratory of Basin Water Security， Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. China Three Gorges Corporation， Yichang 443133， China）

Abstract： With the change of operation condition and mode of Three Gorges Reservoir， the water surface profile has changed along the reservoir area. In order to study the temporal and spatial variation law of water surface profile， the typical flood operation process and typical instantaneous water surface profile of Three Gorges reservoir were selected to study the variation characteristics of water surface profile of various reservoir sections. The results showed that the water surface profile from the dam to Badong reach was not affected by the flow of Cuntan station; the water surface profile of the reach from Badong to Baishatuo was affected by the water level in front of the dam and Cuntan discharge， when the Cuntan discharge was less than 40 000 m3/s， the water surface profile in this reach was mainly affected by the water level in front of the dam; when the Cuntan discharge was less than 30 000 m3/s and the water level in front of the dam reaches 165 m， the water level in this reach was not affected by the Cuntan flow; the water surface profile from Baishatuo to Cuntan reach was affected by the inflow of Cuntan station and the water level in front of the dam， when the water level in front of the dam was below 150 m and Cuntan discharge was below than 50 000 m3/s， the water surface profile was related to Cuntan flow， when the water level in front of the dam is higher than 165 m， the backwater effect of the water level in front of the dam significantly affect Cuntan reach.

Key words： operation of reservoir; typical flood regulation; water surface profile; water level in front of dam; Cuntan flow; Three Gorges reservoir