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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

宜昌水文站設(shè)立于1946年，屬國家一類基本水文站，是控制長江中游干流基本水情的重要控制站、一類精度站、國家重要報汛站。幾十年來，宜昌水文站為葛洲壩和三峽兩大水利工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行以及水文、泥沙、水環(huán)境科研提供了大量原型觀測資料和研究成果。在長江的治理開發(fā)，特別是在長江中下游防汛抗洪中，及時、準(zhǔn)確的水文測報資料發(fā)揮了重要作用。清江來水頂托是影響宜昌水文站報汛和預(yù)報精度的一個重要因素，本文重點探討如何利用已有的水文資料，評價清江出流對宜昌水文站水位的頂托影響程度。

1 工程概況

清江是長江出三峽后的第一條大支流，發(fā)源于湖北省利川市，在宜昌水文站下游約38 km處的宜都市由右岸匯入長江。清江干流全長423 km，總落差達1 430 m，水能資源豐富。清江干流以恩施為界，恩施以下為清江中下游，分3級開發(fā)，從上到下依次為水布埡水電站、隔河巖水電站、高壩洲水電站，均已建成。高壩洲水電站是清江干流最下游的一個梯級，位于隔河巖電站下游約50 km處，距下游宜都市約12 km(見圖1)。

圖1 清江入?yún)R長江河道平面形勢

高壩洲水庫未蓄水之前，清江隔河巖下游至出口河段基本上以天然河道為主，位于隔河巖壩下的長陽站為清江主要控制站。2000年4月，隨著高壩洲水庫建成蓄水，原有天然河道逐漸演變?yōu)樗畮煨秃拥溃L陽站斷面控制作用減弱，隨后于2005年搬遷至高壩洲水庫壩址下游，改名為高壩洲站。

2 建庫前頂托影響分析

已有研究成果表明，清江來水流量在2 000 m3/s以上時對宜昌水文站水位可能有頂托影響。在清江流量匯入長江約3 h后對宜昌水位產(chǎn)生頂托，使宜昌水文站水位流量關(guān)系發(fā)生扭曲，即同流量下水位抬高或同水位下流量減?。粚σ瞬坏捻斖刑抵饕c清江流量有關(guān)，同時也受宜昌流量大小(或稱底水)的影響[1]。

2.1 清江頂托影響下宜昌水位流量關(guān)系

研究分別選擇了1982，1983，1986年和1990年清江長陽站4場較大的典型洪水過程，分析天然時期受頂托的宜昌水位過程線及水位流量關(guān)系變化情況，見圖2。

(1)清江1982年8月洪水。從8月22日08：00起漲，23：00達到峰頂，流量8 470 m3/s，見圖2(a)。此時，長江宜昌洪水正處于峰頂偏后，流量約26 100 m3/s，見圖2(b)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值為 0.67 m，頂托過程持續(xù)時間約50 h，見表1。

(2)清江1983年9月洪水。從9月16日08：00起漲，17日02：00達到峰頂，流量達10 000 m3/s，見圖2(c)。此時，長江宜昌洪水的落水面，流量約30 700 m3/s，見圖2(d)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達1.06 m，頂托過程持續(xù)時間約60 h，見表1。

(3)清江1986年7月洪水。從7月16日02：00起漲，21：00達到峰頂，流量為7 320 m3/s，見圖2(e)。此時，長江宜昌洪水的峰頂前，流量約22 200 m3/s，見圖2(f)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達0.60 m，頂托過程持續(xù)時間約54 h，見表1。

(4)清江1990年6月洪水。從6月20日14：00起漲，22：00達到峰頂，流量為9 550 m3/s，見圖2(g)。此時，長江宜昌洪水的漲水面，流量約19 700 m3/s，見圖2(h)。本次頂托使宜昌水位最大抬升值達1.17 m，頂托過程持續(xù)時間約51 h，見表1。

2.2 頂托影響的傳播時間分析

表1統(tǒng)計了4次典型工況頂托影響的特性成果，長陽出現(xiàn)洪峰后，當(dāng)宜昌水位達到最大時(此時即為頂托的最大水位抬升值)，頂托的傳播時間為6～13 h。為分析長陽至清江河口的傳播時間，選取高壩洲蓄水前長陽和毛家沱站(即蓄水后的高壩洲站)1987～1993年共21次洪水資料分析，傳播時間2～7 h，平均約4.4 h。長陽至毛家沱站距離約50 km，平均每1 km傳播時間約5.3 min，由此可推算出高壩洲站至河口的傳播時間約為1.1 h，長陽至河口的平均傳播時間約5.5 h。由表1平均頂托傳播時間成果(9 h)，結(jié)合長陽至河口的傳播時間(5.5 h)，可以推算出清江洪水入?yún)R長江(即洪峰到達清江河口)影響宜昌水位的傳播時間平均為3.5 h，與以往結(jié)論接近。由此可推算出蓄水后，高壩洲出流對宜昌的頂托影響，傳播時間約 4.6 h。

2.3 頂托對宜昌水位的抬升值影響

選取高壩洲水庫蓄水前長陽站和宜昌水文站1969年、1982～1999年共42次洪水頂托資料分析，當(dāng)不考慮宜昌底水流量時，可建立清江長陽流量與宜昌水位最大抬升值擬合關(guān)系，見圖3，公式為

△Z宜=6×10-5×Q清1.0378

(1)

式中，△Z宜為宜昌水位最大頂托值，m；Q清為清江來水洪峰流量，m3/s。

3 建庫后頂托影響計算

2016年7月中下旬，清江流域發(fā)生特大洪水，清江水布埡水庫7月19日出現(xiàn)2007年建庫以來最大入庫流量13 100 m3/s，高壩洲水庫最大出庫流量達7 800 m3/s，使得宜昌水文站水位流量關(guān)系曲線明顯變形。圖4(a)中，關(guān)系曲線自節(jié)點①(水位47.69 m，相應(yīng)流量26 900 m3/s)開始受到頂托影響，依次經(jīng)歷節(jié)點①至節(jié)點⑩(水位48.38 m，相應(yīng)流量29 500 m3/s)的變化過程，頂托影響隨著高壩洲站流量的消退而逐漸消失。

為進一步分析經(jīng)梯級調(diào)度后的清江出庫流量對宜昌水文站的頂托過程及峰值變化與建庫前的差異，且考慮到清江梯級建成以后頂托年份資料較少，加之長江干流河床的沖刷下切影響，擬采用DHI公司開發(fā)的河道一維水流數(shù)學(xué)模型MIKE11計算研究[2-3]。

圖2 受清江頂托影響的宜昌水位流量關(guān)系

3.1 計算邊界條件

(1)模型計算范圍。選取長江干流的上邊界為宜昌水文站，支流清江的上邊界為高壩洲水文站，下邊界為枝城水文站。干流河段長約58 km，支流清江入流河段長約12 km。

(2)河道斷面。宜昌水文站至枝城站采用2015年實測的64個橫斷面，清江高壩洲站至匯口采用2014年實測的12個橫斷面。

(3)上下邊界條件。長江干流上邊界宜昌水文站和清江上邊界高壩洲站分別給定不同流量級入流的工況，下邊界枝城站水位由水位流量關(guān)系查算。

3.2 模型率定和檢驗

為通過數(shù)學(xué)模型計算出2016年清江洪水過程對宜昌水文站的水位頂托影響，設(shè)計如表2所示的兩種計算工況，試圖還原得到高壩洲正常泄流情況下的宜昌水位過程，通過對比分析推求出高壩洲實際洪峰過程對宜昌水文站的水位頂托過程。

選取2016年7月1 ～ 18日的宜昌站和高壩洲站逐時報汛流量，以及枝城站的水位流量關(guān)系資料作為模型率定期，建立一維模型。再以2016年7月19 ～ 23日的相應(yīng)資料作為模型檢驗期，以水位逐時誤差為目標(biāo)，進行了糙率等參數(shù)的優(yōu)化率定。經(jīng)率定計算，宜昌水文站水位過程與實際報汛水位過程變化基本一致，對比如圖4(b)所示，最大誤差介于-0.34～0.26 m之間，模擬精度較高。說明模型能較好地模擬宜昌水文站及高壩洲站不同流量級工況下的水位變化情況，作為頂托分析的依據(jù)。

表1 清江洪水對宜昌水位頂托影響典型工況

表3 高壩洲站和宜昌站不同流量級組合下對宜昌站水位的頂托值

圖3 宜昌水位抬升值與清江長陽流量的關(guān)系

圖4 數(shù)學(xué)模型計算2016年清江洪水頂托成果

計算工況干流上邊界清江上邊界下邊界備注1宜昌水文站實際流量過程高壩洲站實際流量過程枝城站H-Q關(guān)系模擬宜昌水文站實際水位過程2宜昌水文站實際流量過程高壩洲站1 000 m3/s恒定流過程枝城站H-Q關(guān)系模擬宜昌水文站還原水位過程

通過計算，水位最大頂托值達1.01 m，高壩洲站出現(xiàn)洪峰至宜昌水文站水位頂托達到最大時間約為5 h，與2.2節(jié)中通過分析歷史洪水得到的4.6 h基本一致，說明模型較為可靠。

3.3 計算結(jié)果及分析

采用已率定和驗證的模型分別計算高壩洲站和宜昌水文站不同流量級組合情況下的頂托情況(見表3)，發(fā)現(xiàn)宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜不僅與高壩洲流量Q高有關(guān)，還與宜昌水文站流量Q宜相關(guān)。通過模型計算，整理出如圖5所示的ΔZ宜、Q宜、Q高三個參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。由圖可知，高壩洲站流量相同時，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜與宜昌站流量成反比；當(dāng)宜昌站流量相同時，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜與高壩洲流量成正比。

圖5 ΔZ宜、Q宜、Q高 三個參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

采用模型計算得到的3個參數(shù)相關(guān)圖，查算建庫前各次清江洪水的頂托值，再結(jié)合通過水位流量關(guān)系還原計算出的宜昌水位抬升值，對比分析建庫前后的頂托值差異，結(jié)果見表4。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，采用3個參數(shù)相關(guān)圖查算出的宜昌水位抬升值較小，可能是由于三峽水庫蓄水后壩下河床沖刷下切及清江中下游梯級電站人工削峰調(diào)度的共同影響。

表4 各場次清江洪水頂托值成果

4 結(jié) 論

(1)清江中下游梯級水庫自建成以來，由于水庫的科學(xué)削峰調(diào)度，清江出流洪峰流量較天然情況下大幅減小，對宜昌水文站水位產(chǎn)生頂托的洪水場次隨之減少。采用實測水文資料與一維水流數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，可以解決頂托資料有限的問題，并能詳細分析清江建庫后不同流量級出流對宜昌水文站的水位頂托影響。

(2)2016年7月清江洪水過程，高壩洲站出現(xiàn)洪峰至宜昌水文站水位頂托達到最大時間約為5 h，與建庫前通過分析歷史洪水推算出的4.6 h基本一致。通過3個參數(shù)相關(guān)圖反算宜昌站水位抬升值小于水位流量關(guān)系還原計算出的水位抬升值。

(3)研究成果可用于指導(dǎo)宜昌水文站水位流量關(guān)系定線工作，提高相應(yīng)流量報汛精度，還可精確評價水位頂托對宜昌水文站上游葛洲壩電廠發(fā)電水頭的影響值，為電站提高發(fā)電效率及科學(xué)調(diào)度提供參考。研究思路可供類似受支流來水頂托的水文站相關(guān)分析作參考。