黃 悅,姚仕明,盧金友
(長(zhǎng)江科學(xué)院a.河流研究所;b.院長(zhǎng)辦公室,武漢 430010)
三峽水庫運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響研究
黃 悅a,姚仕明a,盧金友b
(長(zhǎng)江科學(xué)院a.河流研究所;b.院長(zhǎng)辦公室,武漢 430010)
三峽水庫調(diào)度運(yùn)用改變壩下游水沙條件,會(huì)對(duì)壩下游河道水文情勢(shì)產(chǎn)生影響。利用壩下游長(zhǎng)河段一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了豐水年、平水年與枯水年情況下三峽水庫調(diào)度運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道沿程流量、水位及輸沙量的影響。結(jié)果表明:枯水期與泄水期出庫流量增加,壩下游沿程枯水位相應(yīng)抬高;蓄水期下泄流量減少,同時(shí)期沿程水位下降;遇枯水年,水庫蓄水使得壩下游來流量過小(10月下旬大通站平均流量小于9 000 m3/s);遇平水年蓄水期,中下游水位下降較多,沿程水位下降1.71~3.68 m,對(duì)壩下游河道的航運(yùn)及供水等帶來一定的影響。
三峽工程;典型水文年;水文情勢(shì);數(shù)學(xué)模型
三峽工程于2003年6月開始蓄水運(yùn)用,汛期按135 m、枯季按139 m水位運(yùn)行;2006年汛后水位抬升至156 m,汛期水位則按144~145 m運(yùn)行;2008年汛后,三峽工程進(jìn)入175 m試驗(yàn)性蓄水階段,2010年10月26日三峽水庫成功蓄水至175 m水位運(yùn)行,正在發(fā)揮防洪、發(fā)電、通航及補(bǔ)水等綜合效益。
三峽水庫調(diào)度運(yùn)用后,下泄的水沙條件已較自然條件下發(fā)生了較大變化,影響壩下游干流河道的水文情勢(shì),進(jìn)而對(duì)壩下游河道防洪、航運(yùn)、供水及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生影響,故開展三峽水庫調(diào)度運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響研究具有十分重要的實(shí)際意義。本文利用壩下游長(zhǎng)河段一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了典型水文年條件下三峽水庫運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道流量、水位與輸沙量的影響,提出了三峽水庫蓄水運(yùn)行對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)影響的定量成果,可供三峽水庫調(diào)度與壩下游河道治理參考。
本文采用已建立的三峽工程壩下游長(zhǎng)河段一維水沙數(shù)學(xué)模型[1],并利用新的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型開展進(jìn)一步驗(yàn)證。
1.1 驗(yàn)證計(jì)算條件
驗(yàn)證計(jì)算河段為宜昌至大通,全長(zhǎng)約1 123 km(圖1)。計(jì)算起始地形采用長(zhǎng)江委水文局2002年、2003年施測(cè)的1/10 000水道地形圖。計(jì)算時(shí)段為2003年至2009年,一天一個(gè)時(shí)段。進(jìn)口水沙條件:長(zhǎng)江干流進(jìn)口水沙由宜昌站相應(yīng)時(shí)段的逐日流量、含沙量控制,干流區(qū)間支流清江、漢江入?yún)R以及洞庭湖和鄱陽湖出流水沙均采用同期的實(shí)測(cè)資料;下游出口控制水位采用大通站水位流量關(guān)系插值確定;荊江三口分流分沙按口門水位預(yù)分流試算確定。
1.2 長(zhǎng)江干流河段沖淤驗(yàn)證
根據(jù)長(zhǎng)江委水文局公布資料,2003年至2009年宜昌-湖口河段累計(jì)沖刷量實(shí)測(cè)值8.802億m3,其中宜昌-枝城河段沖刷1.19億m3,上荊江河段沖刷1.865億m3,下荊江河段沖刷2.596億m3,城陵磯-武漢河段沖刷0.798億m3,武漢-湖口沖刷2.353億m3(表1)。
表1 宜昌至湖口河段2003-2009年沖淤量驗(yàn)證Table 1 Verification of erosion and siltation volume from Yichang to Hukou during 2003-2009
三峽水庫蓄水運(yùn)用至2009年,數(shù)學(xué)模型計(jì)算宜昌-湖口河段累計(jì)沖刷量8.501億m3,較實(shí)測(cè)值略小,相對(duì)誤差-3.4%。其中,宜昌-枝城河段累計(jì)沖刷計(jì)算值為1.055億m3,相對(duì)誤差為-11.4%;上荊江河段累計(jì)沖刷計(jì)算值為1.914億m3,相對(duì)誤差為2.6%;下荊江河段累計(jì)沖刷計(jì)算值為2.544億m3,相對(duì)誤差為-2.0%;城陵磯至武漢河段累計(jì)沖刷計(jì)算值為0.836億m3,相對(duì)誤差為4.8%;武漢-湖口河段累計(jì)沖刷計(jì)算值為2.152億m3,相對(duì)誤差為-8.6%。
計(jì)算結(jié)果表明:各分段計(jì)算沖淤性質(zhì)與實(shí)測(cè)一致,除宜昌-枝城河段和武漢-湖口河段的沖刷量計(jì)算誤差偏大外,其他河段的計(jì)算誤差均小于5%以內(nèi)。本次驗(yàn)證的宜昌-枝城河段和武漢-湖口河段沖刷量計(jì)算誤差偏大,其主要原因是實(shí)測(cè)值中包括了河道采砂量,若扣除這部分量,模型計(jì)算誤差就比較小了。
1.3 主要站水位流量關(guān)系對(duì)比
以2006年、2008年宜昌、沙市、螺山、武漢、九江5站實(shí)測(cè)資料點(diǎn)繪水位流量關(guān)系曲線,同時(shí)標(biāo)出計(jì)算的水位流量關(guān)系點(diǎn),兩者對(duì)比結(jié)果見圖2。由圖可知:沙市站的計(jì)算點(diǎn)除流量在10 000~20 000 m3/s之間,水位值較實(shí)測(cè)值略低0.1~0.2 m外,武漢站的計(jì)算點(diǎn)除流量在20 000~30 000 m3/s之間,水位值較實(shí)測(cè)值略低0.1~0.2 m外,其他的基本上都在實(shí)測(cè)點(diǎn)帶之內(nèi);宜昌、螺山、九江站的計(jì)算水位值與實(shí)測(cè)值吻合較好,基本上都在實(shí)測(cè)點(diǎn)帶之中;流量大于35 000m3/s以上,除螺山站的計(jì)算點(diǎn)在實(shí)測(cè)點(diǎn)帶的上緣或稍偏大外,其他站計(jì)算點(diǎn)均在實(shí)測(cè)點(diǎn)帶的范圍內(nèi),符合較好。
圖1 長(zhǎng)江干流宜昌至大通河道示意圖Fig.1 River channel from Yichang to Datong in Yangtze river mainstream
三峽水庫按正常蓄水調(diào)度方式運(yùn)用,下泄水量隨水庫調(diào)度方式運(yùn)用改變壩下游水沙過程的年內(nèi)分布,不同自然水文年經(jīng)三峽水庫的調(diào)度運(yùn)用,其出庫水沙過程也不一樣,從而對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響也不同。為了揭示三峽工程調(diào)度運(yùn)用對(duì)不同典型年壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響,特以豐水、平水及枯水年份為對(duì)象,研究三峽水庫調(diào)度運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響。
2.1 豐平枯水文年確定
長(zhǎng)江中下游入流量主要來自宜昌以上及兩湖(洞庭湖、鄱陽湖)兩江(清江、漢江)入?yún)R,其下游大通站為主要控制站,宜昌以上來水量占大通站總來水量的48%,洞庭湖四水和鄱陽湖五河來水量分別占大通站總量的23%、17%,清江、漢江來水量分別占大通站總量的5%和7%。由于受各區(qū)域的降水分布及程度的影響,沿程主汛期不一,選用同一水文年代表全程的豐、平、枯水平年份存在一定的難度。
為了定量研究三峽水庫運(yùn)用對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)的影響,采用長(zhǎng)江中下游宜昌至大通段主要水文站長(zhǎng)系列年徑流量實(shí)測(cè)資料,計(jì)算各站的經(jīng)驗(yàn)頻率曲線,然后比較中下游各站同頻率代表年的差異,綜合分析適合全河段豐、平、枯的代表年[2]。宜昌、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、大通各站選用的年份系列超過50年,均能滿足《水文計(jì)算規(guī)范》概率統(tǒng)計(jì)的要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,因1998年在各站中出現(xiàn)的頻率均小于3.6%,且資料齊全,故以1998年作為長(zhǎng)江中下游河段內(nèi)的豐水年比較合適;沿程各站頻率大于90%的枯水年出現(xiàn)機(jī)率較多,去掉最枯年份2006年、1972年和1978年,沿程各站均出現(xiàn)頻率大于90%(監(jiān)利站除外),監(jiān)利站主要是受當(dāng)時(shí)下荊江中洲子、上車灣兩處人工裁彎和沙灘子自然裁彎的影響,改變了下荊江的過流能力,使監(jiān)利站年徑流量頻率受到影響。故以1972年和1978年代表長(zhǎng)江中下游河段內(nèi)的枯水年比較合適。長(zhǎng)江中下游沿程各站多年平均徑流量值處于各自的計(jì)算頻率為44%~53%,而各站計(jì)算頻率為40%~55%的年份較多,但某一平水年年份同時(shí)出現(xiàn)在各站的情況很少,而1977年除沙市站外其它各站均出現(xiàn)。1977年各站的年徑流量值與各自的多年平均徑流量值比較看,偏差較大的是沙市站,宜昌站次之,其它站偏差小于±4.4%。因此選1977年代表長(zhǎng)江中下游河段內(nèi)的平水年較為合適。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段內(nèi)豐水、平水、枯水代表性水文年見表2:豐水年由1998年代表,除沙市站計(jì)算頻率小于2%以外,其它各站的計(jì)算頻率在3.3%左右,相當(dāng)于30年一遇的水文年頻率;中(平)水年由1977年代表,除沙市站外,沿程各站的計(jì)算頻率為40%~55%之間,相當(dāng)于2年一遇的水文年頻率;枯水年選用2個(gè)典型年,城陵磯以上由1972年代表,城陵磯以下由1978年代表,沿程各站的計(jì)算頻率基本大于95%(除監(jiān)利站外),即枯水年保證率為94%~98%。
圖2 水位流量關(guān)系比較Fig.2 Stage-discharge relations at different hydrological stations
表2 長(zhǎng)江中下游不同典型年與計(jì)算頻率比照表Table 2 Contrast of different typical years and calculation frequencies in them idd le and lower Yangtze River
2.2 三峽水庫調(diào)度運(yùn)用后壩下游干流河道流量變化
2.2.1 水庫調(diào)度后壩下游多年平均流量變化
水庫按正常蓄水175 m方式運(yùn)行時(shí)(2009年9月以后),由于水庫調(diào)度特點(diǎn),汛期(6月11日至9月底)一般年份水庫基本敞泄,大通站來水量變化不大。汛后水庫開始蓄水,下泄流量減小,大通站流量隨出庫流量減小而減小,10月份平均流量相對(duì)建庫前減小8 200 m3/s??菟?至4月水庫為滿足航運(yùn)要求,蓄水位不低于枯季消落水位155 m運(yùn)用,故1至3月份出庫流量普遍增加,大通站月平均流量相應(yīng)增加1 080~1 790m3/s。由于6月中旬庫水位要降到防洪限制水位145 m,5月份出庫流量加大,大通站月平均流量比建庫前月平均值增大3 710 m3/s(表3)。
表3 三峽水庫運(yùn)用后大通站年內(nèi)流量變化(175-145-155 m運(yùn)用方式)Table 3 Changes of annual flow runoff after TGP’s operation at Datong hydrological station
表4 三峽水庫運(yùn)用后大通站流量變化表Table 4 Changes of discharge after TGP’s operation at Datong hydrological station m3/s
2.2.2 水庫調(diào)度后壩下游豐平枯水平年流量變化
上述分析是考慮大通站多年平均情況。大通站天然年來水量變化復(fù)雜,影響因素多,牽涉面廣,故選擇豐、平、枯典型年進(jìn)行初步預(yù)估。三峽水庫初設(shè)階段的調(diào)度方式,在枯水期是一月調(diào)一次,因此在以下分析中,枯水期(11,12,1-5月)以月平均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
根據(jù)大通站1951-1999年實(shí)測(cè)資料分析,大通站年來水量為9 050億m3,1977年型接近多年平均水平,代表平水年;豐水年以1998年型代表;枯水年份較多,考慮枯期1-3月及蓄水期10月,枯水年選擇1978年型代表。三峽水庫調(diào)度運(yùn)用后,大通站流量根據(jù)相應(yīng)年份水庫調(diào)度后的計(jì)算值與平、豐、枯水平年對(duì)應(yīng),比較情況見表4。
平水年:水庫調(diào)度運(yùn)用后蓄水期流量減少,枯水期流量增加。蓄水期10月平均流量比建庫前平水年減少7 620m3/s,其中10月上旬平均流量減小最多約8 470 m3/s;枯水期1-3月平均流量比建庫前平水年增加420~1 520 m3/s,其中2月份平均流量增加較多;汛前5月份為了騰空防洪庫容下泄流量增加,5月的平均流量增加較多,約增加6 220 m3/s。平水年大通站月平均最小流量大于10 580m3/s,出現(xiàn)在3月份。
豐水年:水庫調(diào)度運(yùn)用后大通站蓄水期10月平均流量比建庫前豐水年減少6 780m3/s,其中10月中旬平均流量減小最多約8 460m3/s;枯水期1-3月平均流量比建庫前豐水年增加1 630~2 640 m3/s,其中2月份平均流量增加較多。豐水年大通站月平均最小流量大于11 300 m3/s,出現(xiàn)在12月份。
枯水年:水庫調(diào)度運(yùn)用后大通站蓄水期10月平均流量比建庫前枯水年減少6 240 m3/s,其中10月上旬平均流量減小最多約6 690 m3/s;枯水期1-3月平均流量比建庫前枯水年增加1 780~3 060 m3/s,其中3月份平均流量增加較多??菟甏笸ㄕ驹缕骄钚×髁? 970 m3/s,出現(xiàn)在10月下旬。
由表4看出,三峽水庫蓄水運(yùn)用后,水庫調(diào)度對(duì)豐水年的來水情況影響相對(duì)較小,而平、枯水年的枯水期流量相對(duì)增加較多,改善了壩下游枯水期流量小的不利條件。但水庫蓄水期(10-11月份)下泄流量減少,特別是10月下旬流量減少較多,且小于11月份平均流量26%~33%,縮短了壩下游河道淺灘段的走沙過程,對(duì)通航產(chǎn)生不利影響,同時(shí)枯水期時(shí)段延長(zhǎng)以及河道沖刷,對(duì)壩下游的供水將帶來新的影響。另外,汛前5月為了防洪下泄流量增加,對(duì)壩下游的春汛排澇也帶來新的影響。因此,需在考慮壩下游支流水系來水的具體情況下,對(duì)三峽水庫采取動(dòng)態(tài)與科學(xué)合理的調(diào)度,盡可能減少對(duì)壩下游的不利影響。
2.3 水庫調(diào)度運(yùn)用后長(zhǎng)江中游主要站水位變化
三峽水庫運(yùn)用后,水庫調(diào)度即蓄水期和泄水期改變了壩下游來水過程及年內(nèi)水量分布,沿程水位也相應(yīng)發(fā)生變化(表5):蓄水期(10月)沿程水位下降,泄水期(5月)和枯水期(1-3月)沿程水位抬高。另外壩下游河床沖刷對(duì)中游河段的中枯水位下降也有一定的影響。三峽工程蓄水后壩下游沿程水位變化主要以沙市、監(jiān)利、螺山、漢口和九江站蓄水前后的水位進(jìn)行對(duì)比分析,典型年采用前面確定的豐平枯水平年??紤]壩下游河段的水位變化一致性,枯水年統(tǒng)一選用1978年,豐水年和平水年不變,仍為1998年和1977年。
計(jì)算結(jié)果表明,三峽工程按正常蓄水位175-145-155m方式蓄水運(yùn)用后,長(zhǎng)江中下游沿程水位變化明顯??菟冢?-3月)水庫下泄流量增加,壩下游水位相對(duì)蓄水前普遍抬高,其中枯水年受益較大,沙市至九江段各站月平均枯水位抬高1.96~0.57 m;泄水期(5月)水庫加大泄量,下游水位相對(duì)抬高,其中平水年受影響較大,沿程各站月平均水位相對(duì)抬高1.75~1.06 m;蓄水期(10月)水庫下泄流量減少5 200~8 500 m3/s,下游沿程旬平均水位相對(duì)下降1.25~3.68 m,其中平水年的水位下降較多。
綜上所述,三峽水庫運(yùn)用后,壩下游沿程枯水期水位均有所抬高,其中枯水年水位抬高較多,豐水年次之,平水年抬高相對(duì)較少,遇枯水年時(shí)枯水期水位抬高0.57~1.96 m;沿程水位變化為:荊江河段水位抬高較多,城陵磯-漢口河段次之,漢口以下水位抬高相對(duì)較少。但蓄水期壩下游沿程水位均受到不同程度的下降,其中平水年水位下降較多,豐水年次之,枯水年水位下降較小。平水年時(shí),蓄水期旬平均水位下降1.71~3.68 m,一般10月中下旬的水位下降較多,主要與來水條件相關(guān),如果水庫蓄水期適當(dāng)提前,可緩解壩下游10月中下旬的低水位問題。
2.4 三峽水庫調(diào)度運(yùn)用后壩下游主要站輸沙量變化
三峽工程2003年蓄水運(yùn)用至2006年,水庫入庫沙量偏少,2003-2006年入庫輸沙量(寸灘+武?。┓謩e為2.2,1.84,2.74,1.12億t,宜昌相應(yīng)來沙量分別為0.98,0.64,1.1,0.091億t。對(duì)于小水少沙年或者大水豐沙年情況時(shí),長(zhǎng)江中下游輸沙量如何,本文根據(jù)計(jì)算系列年中的小水少沙年及大水豐沙年各站輸沙量進(jìn)行相似比較分析。
在計(jì)算系列年中,三峽水庫出庫(宜昌站)年來沙量較小的年份有1969年型、1994年型,年來沙量較多的年份有1964年型、1968年型、1998年型。三峽工程蓄水運(yùn)用至2012年和運(yùn)用至2018年,宜昌站年輸沙量較少的1994年型為0.89,0.66億t,1969年型為0.9,0.98億t。上述少沙典型年的年輸沙量與三峽工程蓄水后2003-2005年的來沙情況基本相近,而長(zhǎng)江中下游螺山、漢口、大通站相對(duì)應(yīng)的年輸沙量分別為1.35~2.08億t、1.71~2.72億t和1.72~2.93億t,比蓄水后3年年輸沙量分別減少45%~57%,20%~36%,25%~38%(表6),其中螺山站減少較多,漢口、大通2站減少較少。對(duì)少沙年而言,上游下泄沙量少,中下游輸沙量也相應(yīng)減少。三峽工程蓄水運(yùn)用初期漢口至大通河段呈微沖微淤狀態(tài),而漢口以下段因支流、湖泊入?yún)R的沙量不變,故水庫下泄沙量減少的影響比上段要小些。
三峽工程蓄水運(yùn)用后對(duì)于出庫年輸沙量較多的有1998年型2.76億t和2.82億t、1968年型2.47億t和2.59億t、1964年型2.22億t(宜昌站),相應(yīng)長(zhǎng)江中下游螺山、漢口、大通站年輸沙量分別為3.41~3.91億t、4.71~4.97億t和4.48~4.87億t,與實(shí)際年來沙量比較:1964年型3站年輸沙量分別減少23%,14%,30%;1968年型3站年輸沙量分別減少26%,8%,23%;1998年型3站年輸沙量則增加,約增加8%,32%,21%。對(duì)多沙年而言,上游下泄沙量多,中下游輸沙量也相應(yīng)增多,且九江至大通河段還會(huì)出現(xiàn)淤積。
表5 三峽水庫運(yùn)用后中下游主要站典型年水位變化表Table 5 Changes of water level in typical years atmain stations in m iddle and lower Yangtze River after the operation of TGP m
表6 三峽水庫運(yùn)用初期主要站典型年來沙量變化Table 6 Changes of incom ing sediment during the initial operation of TGP in typical years at 4 main stations
3.1 結(jié) 論
根據(jù)50多年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段內(nèi)豐水、平水、枯水代表性水文年分別為1998年、1977年和1972年(或1978年)。根據(jù)三峽水庫下游長(zhǎng)河段一維水沙數(shù)學(xué)模型對(duì)壩下游干流河道水文情勢(shì)變化的計(jì)算分析,可知:枯水期與汛前增泄期三峽水庫出庫流量增加,其下游沿程水位較自然條件下相應(yīng)抬高;蓄水期下泄流量減少,同時(shí)期沿程水位下降;若遇枯水年,水庫蓄水使得下游來流量過?。?0月下旬大通站平均流量小于9 000 m3/s),平水年蓄水期,壩下游水位下降較多,沿程水位下降1.71~3.68 m,給其航運(yùn)與供水等帶來不利影響;三峽水庫運(yùn)用后,因三峽大壩攔蓄,不同水文情勢(shì)下進(jìn)入壩下游泥沙均大幅度減少,沿程各站輸沙量也相應(yīng)減少(除1998年型外),但因壩下游河床沖刷補(bǔ)給及支流入?yún)R,年輸沙量沿程遞增,因此城陵磯以下河段輸沙量減少相對(duì)較小。
3.2 建 議
當(dāng)三峽水庫下游支流水系遇較枯的水文年,三峽水庫應(yīng)采取動(dòng)態(tài)與科學(xué)合理調(diào)度的方法,盡可能減少對(duì)壩下游的不利影響;一般年份水庫蓄水期可適當(dāng)提前,以便緩解10月中下旬壩下游的低水位問題。
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(編輯:劉運(yùn)飛)
Impact of TGP Operation on the Hydrologic Regime in the Downstream M ain Channel of the Dam
HUANG Yue,YAO Shi-ming,LU Jin-you
(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)
The operation of Three Gorges Project(TGP)changes the flow and sediment conditions in the downstream river channel of the dam,and will further affect the hydrologic regime of its downstream river channel.Using one-dimensionalmathematicalmodels of flow and sediment,the changes of flow,water level and sediment load influenced by TGPoperation along the downstream main river during high,average and low flow years are respectively calculated and analyzed.Results reveal that the flow increases during low-water and water-discharging seasons,and the downstream streamwise low water level of the dam rises accordingly.During storage period the discharge flow decreases and streamwisewater level drops.During a low-flow year,the impoundmentof the reservoir causes an excessively small inflow into the downstream river channel of the dam(with the average discharge at Datong hydrometric station less than 9 000 m3/s in late October).Whereas during the storage period of an average flow year,the water level atmiddle and lower Yangtze River drops substantially with the streamwise water level drop in the range of1.71-3.68m,which influences the navigation and water supply in the downstream river channel of the TGP dam.
TGP;typical hydrological years;hydrologic regime;mathematicalmodel
TV146.1
A
1001-5485(2011)07-0076-06
2010-04-18
中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目(KZCX1-YW-08-01-02);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200901004)
黃 悅(1956-),女,湖南長(zhǎng)沙人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事河流數(shù)值模擬研究,(電話)027-82829871(電子信箱)yuehuang5688@hotmail.com。