岷江下游非恒定流傳播規(guī)律初步研究

趙江，謝玉杰，李家世，周玉潔

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017）

岷江是四川省運輸大型設備的唯一水上出川通道，其下游在每年的6～9月的洪水期，水量豐盈，能夠滿足大件運輸船舶航行條件，但在12月～次年3月的枯水期受上游銅街子等水電站調(diào)峰影響，航道水位時高時低，水深時深時淺，既影響船舶安全航行，又影響航道維護整治。為保證中枯水期大件運輸?shù)男枨?，大件船往往采取“等水航行”、“追峰通航”的方式航行，為此進一步對岷江下游大件航道中枯水期水流波峰、波谷傳播規(guī)律進行研究是必要的。為了分析上游電站下泄的非恒定流對岷江下游中枯水期航道的影響，本文以岷江五通橋水文站和高場水文站資料為基礎，通過沿程布設一定數(shù)量的水尺來監(jiān)測水位傳播情況，結(jié)合水文站資料與沿程水尺數(shù)據(jù)研究岷江下游航道中枯水期水流傳播規(guī)律，進而為受非恒定流影響的岷江下游航道船舶航行提供參考。

1 基本情況

岷江流域地跨上游高原氣候區(qū)及中下游盆地亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，上游汶川以上地區(qū)長年夏無酷夏，年降水量低于850mm，中下游地區(qū)氣候溫和，四季分明，夏秋多雨，年降水量1000～1200mm（不含大渡河）。一般6～9月為洪水期，徑流量約占全年的66.2%；12月至翌年的3月為枯水期，徑流量占全年的7%。年內(nèi)最大流量與最小流量相差60 倍，水位暴漲暴落，洪枯水位變幅達8～15m。歷年實測最大流量31400m/s，最小流量364m/s（高場站）。

1.1 上游電站

截止目前，岷江上游已建紫坪鋪、龔嘴、銅街子、沙灣等電站。本文主要分析上述電站下泄的非恒定流在岷江樂山至宜賓162km 航段的水流傳播規(guī)律。各樞紐的工程特性見表1。

表1 岷江干流及支流相關樞紐工程特性表

1.2 水文站

岷江樂山至宜賓段內(nèi)有烏尤寺水位站、五通橋和高場三個水文站。烏尤寺水位站位于大渡河與岷江匯流口以下的烏尤寺，五通橋站上距樂山市27km，控制樂山至犍為縣河口鎮(zhèn)64km 河段；高場站位于宜賓市上游28km，控制犍為縣河口鎮(zhèn)至宜賓78km 河段。

1.3 大件運輸航道

岷江樂山至宜賓162km 大件航道雖然經(jīng)過了幾次大的整治，提高了航道標準，但岷江大件運輸船舶的滿載吃水一般為2.2～2.4m，中枯水期大件船只能減載航行。同時，受上游多級電站非恒定流下泄影響，中枯水期航道流量不定、水位多變，特別是近年來原整治建筑物水毀嚴重，灘險礙航因素明顯，導致岷江中枯水期大件運輸船通航困難。

2 水位數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計

2.1 水文站水位流量關系

本文根據(jù)岷江大件航道受上游電站調(diào)峰下泄非恒定流影響，對五通橋和高場水文站斷面進行了流量和水位資料收集，繪制了1980～2010年五通橋水文站和1980～2016年高場水文站實測的斷面水位～流量關系圖，見下圖1、圖2。

圖1 五通橋水文站水位～流量關系圖

圖2 高場水文站水位～流量關系圖

2.2 水尺布設及觀讀

本文為分析研究岷江大件航道中枯水期受上游電站調(diào)峰下泄非恒定流的傳播規(guī)律，于3月～6月對大渡河沙灣至岷江銅鑼灣航道沿江布設了1#～20#共20 組基本水尺進行觀測水位變化，其中7#水尺布設斷面為五通橋水文站斷面，19#水尺布設斷面即為高場水文站斷面，各水尺位置見圖3。

圖3 水尺位置示意圖

除烏尤水位站、五通橋水文站和高場水文站3 組水尺的逐時水位資料為基本站資料外，其余17 組水尺均采取現(xiàn)場觀讀，觀讀時間為3月15日～6月15日每天24 小時，每小時觀讀一次。本文選定谷峰水位變化幅度小的、大的和一般情況，共8 組有代表性的水位過程進行統(tǒng)計分析，其中3月3 次、4月3 次、5月2 次水位過程，其谷峰水位傳播時間和水位變幅見圖4、圖5。

圖4 波峰傳播時間統(tǒng)計

圖5 谷峰水位變幅統(tǒng)計

3 水位傳播規(guī)律研究

3.1 相關性分析

為檢驗各水尺水位資料觀測的合理性，用水文站的峰谷水位與各水尺的峰谷水位進行水位相關性進行研究。經(jīng)分析，除1#與2#、1#與4#、3#與4#水尺的相關系數(shù)在0.7～0.85 外，其他大部分水尺之間的水位相關系數(shù)基本都在0.9 左右，具有比較顯著的線性相關性。特別是各水尺斷面與所在河段的五通橋水文站（7#）和高場水文站（19#）的水文斷面水位過程呈線性相關，說明本次岷江大件航道20 組水尺的水位觀測成果數(shù)據(jù)符合上下游的水位關系，可以用于進一步的水位波峰傳播規(guī)律分析。

3.2 谷峰水位流量變化分析

根據(jù)選定的8 組有代表性的谷峰水位過程，結(jié)合五通橋水文站、高場水文站的水位～流量關系曲線，上游水電站發(fā)電調(diào)峰下泄的流量形成的谷峰水位情況是：

（1）下泄流量在五通橋水文站谷峰流量為640～800m/s、700～800m/s 和580～950m/s 時（3月的Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號峰谷），各水尺水位變幅逐漸隨流程變化而變化，上游水位變幅0.35m 左右，下游變幅為0.15m左右，最大變幅為0.58m（2#水尺），最小變幅為0.1m，一般變幅在0.2m 左右，每小時變幅在0.1m 以下。

（2）下泄流量在五通橋水文站的谷峰流量為950～1170m/s 時，從5月的VIII 號谷峰過程線得知，上游水尺變幅基本在1m 左右，下游水尺變幅基本在0.8m左右；各水尺水位變幅逐漸隨流程變化而變化，最大水位變幅為1.4m 以上，最小在0.58m，一般水位變幅在0.75m 以上，每小時變幅在0.1m 以下。

（3）谷峰流量差越大，上游水位變幅越大。

3.3 谷峰水位傳播時間和頻次分析

通過對20 組水尺觀測的水位過程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)分析計，整理出各水尺每天出現(xiàn)水位谷峰的次數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計成果，各水尺每天出現(xiàn)從波谷至波峰水位變動的次數(shù)在1 次或2 次的頻次最高，每次波峰歷時約4～5 小時最為普遍，這與上游電站每日發(fā)電調(diào)峰運行是相符合的。

根據(jù)前文3月、4月、5月的谷峰水位延程變幅、谷峰水位傳播時間分析成果可知，雖然不同谷峰水位傳播的時間不盡相同，但是從3月15日～6月15日的各級流量下的谷峰水位傳播來看，不同谷峰的水位傳播規(guī)律大致是控制在一定范圍之內(nèi)的，主要表現(xiàn)為：

（1）五通橋水文站流量上漲350m/s 以上，峰谷水位從谷到峰頂一般歷時12-14小時，最短歷時10小時，最長歷時17 小時；

（2）五通橋水文站上漲流量為200m/s 左右時，水位上漲至峰頂，上漲歷時一般為4-5 小時，最長歷時7 小時，最短歷時3 小時。

原因在于從3月～5月這段時間屬于全年河流流量的中水期，河流水文情況基本相似，故3月～5月的谷峰水位傳播規(guī)律可以概化為一組水位傳播規(guī)律，根據(jù)統(tǒng)計的谷峰傳播數(shù)據(jù)，概化出的3月～5月岷江大件航道枯期谷峰水位傳播規(guī)律見圖6。根據(jù)岷江大件航道概化后延程谷峰傳播時間分布可知，一次水位過程傳遞時間約為18 個小時，傳播平均速度約為8.8km/h。

圖6 岷江大件航道枯期谷峰水位傳播時間

4 結(jié)論

（1）岷江樂山至宜賓段162km 航道中枯水期每天出現(xiàn)從波谷至波峰水位變動的次數(shù)在1 次或2 次最為普遍。

（2）上游電站下泄非恒定流谷峰流量差越大，上游水位變幅越大，當五通橋水文站的谷峰流量為580～950m/s 時，上游水尺最大變幅0.58m，最小變幅為0.1m，一般水位變幅在0.2m 以上，每小時變幅在0.1m以下。

（3）受電站下泄非恒定流后，五通橋水文站上漲流量200m/s 左右時，水位上漲至峰頂，上漲歷時一般為4-5 小時，最長歷時7 小時，最短歷時3 小時。

（4）岷江樂山至宜賓段航道受上游電站下泄非恒定流，一次水位過程傳遞時間約為18 個小時，傳播平均速度約為8.8km/h。

（5）對岷江大件航道設置的20 組水尺進行3月～6月水位觀測資料采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析研究，概化得出岷江大件航道波峰水位傳播規(guī)律的成果，可作為岷江大件運輸追峰通航使用。