水利樞紐對(duì)下游河道水文情勢(shì)影響研究

朱萬妮

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510000)

1 概 述

水利樞紐是為保障人類的生產(chǎn)生活、以水利工程的興利除害為主要目的，在河流合適位置修建的壩、水電站等水工建筑物的集合。水利樞紐的興建不僅關(guān)系到人們的日常生活，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)在一定程度上對(duì)河道下游的水文情況產(chǎn)生影響；同時(shí)，下游水文的變化也會(huì)反過來作用于水利樞紐，對(duì)水利工程設(shè)施造成影響。因此，調(diào)節(jié)得當(dāng)能使水利設(shè)施造福民眾，否則會(huì)給下游及周邊地區(qū)造成損失[1-4]。

為使水利樞紐修建的同時(shí)將對(duì)各區(qū)間水文的影響降低在可控范圍內(nèi)，許多學(xué)者對(duì)水利樞紐及其周邊水文地質(zhì)進(jìn)行了研究。于洪翔[5]通過研究旁多水利樞紐的土石壩發(fā)現(xiàn)，壩基周圍的水文地質(zhì)特征以沖積物和冰水堆積物為主，且該種水文地質(zhì)可能是造成壩基滲漏和滲透變形的主要原因之一。嚴(yán)桂強(qiáng)[6]基于長(zhǎng)洲樞紐到界首河段的河床下切現(xiàn)象，對(duì)長(zhǎng)洲水利樞紐的水文變化情況進(jìn)行了分析，并針對(duì)水文變化對(duì)航運(yùn)的不利影響給出相應(yīng)的對(duì)策。孫冬[7]以結(jié)雅水利樞紐為對(duì)象，對(duì)黑龍江中游的水文情勢(shì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該水利樞紐起到了調(diào)洪及減輕水災(zāi)的能力。龔建華[8]采用近15年的水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)崔家營航電樞紐修建后下游的水文情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該隨著該水庫的修建，河流流量的季節(jié)性削弱，全年流量較為均勻、輸沙量也變得均勻。李帆[9]通過葛洲壩水庫蓄水前后的資料，分析了該水利樞紐對(duì)宜昌水位、流量等水文的影響，了解到該地水流挾沙能力下降，水庫泥沙淤積嚴(yán)重，但下游輸沙量減少，下游沖淤平衡被打破。

本文以某地水利樞紐工程為例，借助該地水文實(shí)測(cè)資料，對(duì)該樞紐下游的潮位、潮歷時(shí)、潮差等水文要素進(jìn)行分析研究，揭示水利樞紐對(duì)當(dāng)?shù)厮牡难葑円?guī)律，為該水利樞紐的充分利用及當(dāng)?shù)厮倪\(yùn)動(dòng)提供參考依據(jù)。

2 水利樞紐概況

該水利樞紐由5座泵站及13座節(jié)制閘水電站、引排河道構(gòu)成，具有排洪、蓄水、水運(yùn)、發(fā)電等功能。修建至今，共抽水1 400×108m3，排澇390×108m3，引江1 200×108m3，排洪9 550×108m3。在其北部區(qū)域出現(xiàn)洪澇災(zāi)害時(shí)，上中游區(qū)域15.8×104km2的水經(jīng)過調(diào)蓄之后，75%的水經(jīng)過該水利樞紐后流入泄洪河道進(jìn)行排放。A潮位站距離該水利樞紐約2 km，其感潮段在每天不定期漲潮落潮2次。

A潮位站修建于上世紀(jì)20年代，50年代開始記錄潮位及潮歷時(shí)資料。本文以50年代至今的潮位、潮歷時(shí)等與水利樞紐相關(guān)的資料數(shù)據(jù)為主，對(duì)其趨勢(shì)特征進(jìn)行分析，通過下游水文情況的變化進(jìn)而推斷水利樞紐對(duì)水文的影響情況。其中，資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》。對(duì)該資料的數(shù)據(jù)分析方法主要為非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法，在置信度為95%時(shí)臨界值為|1.95|，在|Z|>1.95時(shí)變化顯著，否則不顯著。對(duì)潮位等方法的分析主要采用累計(jì)距平法。

3 年內(nèi)年際的潮位潮歷時(shí)分析

3.1 顯著性分析

圖1為多年潮差、潮位特征及潮歷時(shí)平均變化特征。其中，圖1(a)為多年平均潮位高度隨不同時(shí)間段下的變化趨勢(shì)圖。由圖1(a)可以看出，高高潮、平均高潮與低低潮、平均低潮變化趨勢(shì)近乎大致相同。具體表現(xiàn)為：在1月份潮位為最低潮位點(diǎn)，隨著時(shí)間的變化逐漸升高，在7月達(dá)到最高潮位點(diǎn),之后逐漸下降至12月份為止。其中，高高潮的平均潮位點(diǎn)年均高出低低潮約2.5 m。

圖1 多年潮差、潮位特征及潮歷時(shí)平均變化特征

為了進(jìn)一步直觀分析統(tǒng)計(jì)高高潮與低低潮的線性增長(zhǎng)率與非參數(shù)檢驗(yàn)值，繪制表1。從表1反映的數(shù)據(jù)可以看出，6、7、8這3個(gè)月為增長(zhǎng)趨勢(shì)，但6、8月份的增長(zhǎng)趨勢(shì)不如7月份的趨勢(shì)明顯，且增長(zhǎng)率不如7月份高。但8月份的線性增長(zhǎng)率較6月份高而低于7月份。由此可以看出，該地區(qū)6-8月份為豐水期，該區(qū)域的高潮位特征不利于泄洪。由線性增長(zhǎng)率可以看出，從枯水期的9-11月份結(jié)束后，12、1、2月份的潮位增長(zhǎng)較為明顯，且1月份增長(zhǎng)率最大，該時(shí)期的潮位增長(zhǎng)有利于自流引水。

表1 高高潮與低低潮的潮位增長(zhǎng)率與非參數(shù)檢驗(yàn)值

圖1(b)、圖1(c)分別為不同月份的最大潮差和潮歷時(shí)變化圖，對(duì)潮差和潮歷時(shí)的分析有利于進(jìn)一步掌握該地水文變化特征。從圖1(b)可以看出，漲潮最大潮差與落潮最大潮差變化趨勢(shì)一致。具體表現(xiàn)為：從1-7月份呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且7月份為最低點(diǎn)，在7月份過后逐漸上漲至12月份，且漲潮潮差與落潮潮差相差最大的月份為每年的1和12月份，7月份相差最小，平均為1.79和1.67 m，年均平均相差0.04 m。圖1(c)為漲潮與落潮的年均最大潮歷時(shí)變化圖。從圖1(c)中可以看出，其漲潮與落潮的年均潮歷時(shí)變化也大致相同，但漲潮的歷時(shí)小于落潮歷時(shí)約3.9 h，于每年3月份漲潮與落潮的歷時(shí)達(dá)到最大值，9、10月份較3月略小，其余時(shí)間均較小。

同樣，借助潮差與潮歷時(shí)的線性增長(zhǎng)率與檢驗(yàn)值進(jìn)一步分析，繪制表2。從表2中可以看出，6、7、8這3個(gè)月的漲潮落潮的潮差增長(zhǎng)率呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，而歷時(shí)呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但其效果均不明顯。從10月份開始，10、11、12、1、2月漲潮落潮潮差增大，但歷時(shí)變短。因此，在豐水期歷時(shí)短潮差大，這種情況是對(duì)自流引水非常不利的，容易造成洪澇災(zāi)害。

表2 潮歷時(shí)、潮差增長(zhǎng)率與非參數(shù)檢驗(yàn)值

3.2 累計(jì)距平分析

圖2為高高潮、年平均高潮、低低潮、年平均低潮的累計(jì)距平變化圖。從圖2中可以看出，高高潮、低低潮與其各自年平均值變化趨勢(shì)大致相同。結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可知，高高潮的增長(zhǎng)率最大，而低低潮的增長(zhǎng)率最小，相差約0.45 cm/a。圖2(b)為高高潮的距平。從圖2(b)中可以看出，整體上從1957-1966年的距平均在平均距平以下；在1966-1984年間，距平在平均值附近波動(dòng)；而在1984-1993年間，距平在平均值以上；從1993-2020年，整體的距平均在平均值上，且較1984-1993年間略大。

圖2 潮位累計(jì)距平與高高潮距平變化圖

圖3為漲落潮最大潮差的累計(jì)距平和最大歷時(shí)的累計(jì)距平變化圖。其中，圖3(a)為不同年份最大潮差的累計(jì)距平，從圖3(a)中可以看出，漲潮落潮的變化趨勢(shì)近乎一致。具體表現(xiàn)為：1957-1966年，漲落潮的最大潮差均表現(xiàn)為增長(zhǎng)階段；1966-1975年，急劇下降；1975-2002年，雖然波動(dòng)較多，但整體下降趨勢(shì)不明顯；2002-2011年，降幅較大；2011-2020又增長(zhǎng)至2002年的水平。圖2(b)為最大歷時(shí)的累計(jì)距平，從圖2(b)可以看出，不同年份的漲潮落潮的歷時(shí)距平變化也是趨于一致的。但不同之處在于漲潮歷時(shí)距平在1984年附近時(shí)回落較大，與當(dāng)年落潮最大歷時(shí)相比，時(shí)長(zhǎng)短于落潮歷時(shí)約4 h，而1993和2011年漲潮歷時(shí)高出落潮歷時(shí)分別約5 h和3.8 h。其余階段表現(xiàn)為：1957-1966年，歷時(shí)減少；1966-1970年，逐漸增大；1970-1984年，整體歷時(shí)逐漸回落；1984-2020年間，雖然多處存在較大波動(dòng)，但整體水平呈現(xiàn)出微小增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖3 漲落潮最大潮差的累計(jì)距平和最大歷時(shí)的累計(jì)距平變化圖

該潮位站的分析結(jié)果表明，在不同年間，雖然漲潮落潮的潮差與其各自的潮歷時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不同范圍的波動(dòng)，但結(jié)合其整體情況來看，總體趨勢(shì)仍然呈現(xiàn)出微小增長(zhǎng)的跡象。因此，該水利樞紐的修建導(dǎo)致整體上潮位的上漲與潮歷時(shí)的減短。近年來，隨著其潮位的增大與潮歷時(shí)的變短，給該水利樞紐的排洪泄?jié)衬芰σ矌磔^大的挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

本文以某地水利樞紐的A潮位站為對(duì)象，借助非參數(shù)檢驗(yàn)值與累計(jì)距平法等研究方法，通過對(duì)A潮位站多年記錄的潮位、潮歷時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，研究其水文情勢(shì)與該水利樞紐之間的關(guān)系。結(jié)論如下：

1) 水利樞紐所處位置6、7、8這3個(gè)月為豐水期，潮位增長(zhǎng)明顯，且潮歷時(shí)變短，不利于該水利樞紐的自流引水。9、10、11月份為枯水期，在枯水期結(jié)束后到次年的潮位會(huì)出現(xiàn)一定的增長(zhǎng)，且潮歷時(shí)較豐水期長(zhǎng)，因此該階段利于引水。

2) 在該水利樞紐修建完成后的多年間漲潮、落潮的潮差波動(dòng)較大，但整體有較小增長(zhǎng)，潮歷時(shí)則略有變短。近年來，隨著其潮位的增大與潮歷時(shí)的變短，給該水利樞紐的排洪泄?jié)衬芰?huì)帶來一定的挑戰(zhàn)。