陳緒堅(jiān)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水利部水沙科學(xué)與江河治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

隨著金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等4 大梯級(jí)水庫(kù)陸續(xù)建設(shè)和投入運(yùn)用，特別是2012年10月10日向家壩水電站開(kāi)始蓄水運(yùn)用，溪洛渡水電站2013年5月初期蓄水運(yùn)用，其攔沙作用使得出庫(kù)沙量大幅度減少，水電站日調(diào)節(jié)和水庫(kù)蓄水直接改變壩下游的水沙過(guò)程，并對(duì)壩下游河道的通航條件產(chǎn)生一定影響。金沙江下游屬于典型的山區(qū)河流，其水沙過(guò)程具有明顯的非恒定性，已有的研究成果側(cè)重于金沙江下游年水沙量變化，但對(duì)水沙過(guò)程變化的研究較少。朱玲玲等［1］分析了金沙江下游年水沙量變化特征及其對(duì)水電站建設(shè)和運(yùn)行的影響；許全喜等［2］研究認(rèn)為水庫(kù)攔沙是金沙江沙量變化控制性因素之一，且這種作用存在自上而下的累積效應(yīng)；馮秀富等［3］研究認(rèn)為金沙江下游是三峽水庫(kù)沙量的主要來(lái)源之一，上游來(lái)沙量是決定水庫(kù)泥沙淤積總量的控制性因素，是水庫(kù)運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)度的基本前提條件。水沙過(guò)程的變化不僅影響水庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行，對(duì)下游河道的防洪及通航條件也有重大影響，因此，研究金沙江梯級(jí)水庫(kù)下游水沙過(guò)程非恒定變化有重要意義。本文提出水沙過(guò)程非恒定變化分析方法，分析向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性及其對(duì)通航條件的影響，為長(zhǎng)江上游航道治理提供基礎(chǔ)條件和技術(shù)支撐。

1 金沙江下游水沙變化概況

金沙江干流以石鼓和攀枝花為界，石鼓以上為金沙江上游，石鼓至攀枝花為金沙江中游，攀枝花至宜賓岷江口為金沙江下游。金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等4 大梯級(jí)水庫(kù)已陸續(xù)建設(shè)和投入運(yùn)用，其中2012年10月10日向家壩水電站開(kāi)始蓄水運(yùn)用，溪洛渡水電站2013年5月初期蓄水運(yùn)用。金沙江的泥沙主要是產(chǎn)生在下游區(qū)，并主要來(lái)自攀枝花、雅礱江匯口至屏山的干流區(qū)間。金沙江下游區(qū)多年平均輸沙模數(shù)高達(dá)2710 t/（km2·a），其中干流河谷地區(qū)的輸沙模數(shù)在3000 t/（km2·a）以上，是長(zhǎng)江上游水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)（圖1）。

圖1 金沙江下游輸沙模數(shù)（單位： t/（km2·a））

金沙江下游干流控制站原為屏山水文站，位于向家壩水電站壩址上游28 km，觀測(cè)至2011年，2012年因向家壩水電站蓄水，改為水位站。金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)出口總控制站現(xiàn)為向家壩水文站。向家壩水文站于2008年5月設(shè)立，上游2 km 為向家壩水電站。向家壩樞紐壩下水沙變化分析采用向家壩水文站資料，2011年以前的水沙資料用屏山水文站資料代替。

向家壩（屏山）水文控制站年水沙量變化過(guò)程見(jiàn)圖2。受氣候、流域下墊面條件變化，以及金沙江中下游梯級(jí)水電站陸續(xù)建成運(yùn)行等影響，近年來(lái)金沙江下游水沙輸移出現(xiàn)了一些新變化。向家壩（屏山）水文站不同時(shí)期年平均水沙量見(jiàn)表1，1998年金沙江最大支流雅礱江上的二灘電站蓄水運(yùn)行以后，年徑流量變化不大，但年輸沙量則逐漸減少，2012年10月10日向家壩水電站蓄水運(yùn)用后，出庫(kù)沙量大幅度減少。2013—2016年平均輸沙量約為1999—2012年的1 %。在梯級(jí)水庫(kù)各級(jí)攔截作用下，今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，金沙江下游沙量將保持較少的水平。

圖2 向家壩（屏山）水文站年水沙量變化過(guò)程

表1 向家壩(屏山)水文站不同時(shí)期年平均水沙量

2 水沙過(guò)程非恒定變化分析方法

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水沙變化的分析方法較多，包括Mann-kendall 檢驗(yàn)法［4-6］、極差分析法［7］、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法［8］、雙累積曲線法［8］和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9］等，這些方法通常用于分析水沙條件時(shí)序變化趨勢(shì)，但這些方法不適合分析水沙過(guò)程非恒定變化，本文提出一種比較直觀的變異系數(shù)分析方法。

通常水沙變化序列包括水位變化Z（t）、流量變化Q（t）和含沙量變化S（t），其中對(duì)于日平均值水沙變化過(guò)程，t 為日期。為了統(tǒng)一對(duì)比水沙變化過(guò)程，需要消除山區(qū)河流高海拔河床高程對(duì)水位變化統(tǒng)計(jì)的影響，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化水位統(tǒng)計(jì)序列z（t）為：

式中：z（t）為標(biāo)準(zhǔn)化水位，無(wú)量綱；Z（t）為實(shí)測(cè)水位，m；Zc為平均河床高程或最低河床高程，m，由于通航問(wèn)題重點(diǎn)是深水航槽，因此本文采用最低河床高程；Zcp為多年平均水位，m。

構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化流量統(tǒng)計(jì)序列q（t）為：

式中：q（t）為標(biāo)準(zhǔn)化流量，無(wú)量綱；Q（t）為實(shí)測(cè)流量，m3/s；Qcp為多年平均流量，m3/s。構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化含沙量統(tǒng)計(jì)序列s（t）為：

式中：s（t）為標(biāo)準(zhǔn)化含沙量，無(wú)量綱；S（t）為實(shí)測(cè)含沙量，kg/m3；Scp為多年平均含沙量，kg/m3。

標(biāo)準(zhǔn)化水位z（t）、流量q（t）和含沙量s（t）可以采用統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)序列x（t）表示，以時(shí)段τ滑動(dòng)計(jì)算水沙過(guò)程非恒定變化的特征值，可以計(jì)算日、月和年不同時(shí)期的水沙過(guò)程非恒定變化特征值，計(jì)算特征值包括均值、均方差和變異系數(shù)等。

均值為：

均方差為：

變異系數(shù)為：

根據(jù)水文站的日平均水位、流量和含沙量過(guò)程，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量及其變異系數(shù)，統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量及其變異系數(shù)的年平均值、年最大值和年最小值等特征值，從而分析水沙過(guò)程非恒定變化對(duì)通航條件的影響。

3 水沙過(guò)程非恒定變化特性分析

3.1 水位變化非恒定特性向家壩水文站于2008年5月設(shè)立，向家壩水文站2009—2016年多年平均水位為268.85 m（凍結(jié)基面），向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均水位變化過(guò)程見(jiàn)圖3（a）。由圖可知，不同年份非汛期水位變化不大，汛期洪水水位漲落迅速，水位變化非恒定性強(qiáng)，特別是2012年10月10日向家壩水電站開(kāi)始蓄水運(yùn)用，水位出現(xiàn)明顯的非恒定變化。

向家壩水文站2009—2016年日平均水位變異系數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖3（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映水位非恒定性變化強(qiáng)度，特別是春季漲水和向家壩水電站蓄水運(yùn)用，水位變化變異系數(shù)可以達(dá)到0.10 ～0.12，水位變化的非恒定強(qiáng)度較大。特別是2012年10月10日向家壩水電站蓄水運(yùn)用后，水位變異系數(shù)明顯增大。

圖3 向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均水位及其變異系數(shù)變化過(guò)程

3.2 流量變化非恒定特性向家壩水文站1956—2016年多年平均流量為4500 m3/s（2011年以前的流量資料用屏山水文站資料代替計(jì)算），向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均流量變化過(guò)程見(jiàn)圖4（a）。由圖可知，不同年份非汛期流量變化不大，汛期洪水流量變顯著，流量變化非恒定性強(qiáng)，特別是2012年10月10日向家壩水電站開(kāi)始蓄水運(yùn)用，流量出現(xiàn)明顯的非恒定變化。

圖4 向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均流量及其變異系數(shù)變化過(guò)程

向家壩水文站2009—2016年日平均流量變異系數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖4（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映流量非恒定性變化強(qiáng)度，特別是春季漲水和向家壩水電站蓄水運(yùn)用，流量變化變異系數(shù)可以達(dá)到0.20 ～0.40。由于山區(qū)河道來(lái)水變化快，流量變化非恒定性強(qiáng)，而水位受槽蓄及下游支流頂托影響較大，流量的變異系數(shù)大于水位的變異系數(shù)，流量變化的非恒定強(qiáng)度較大，特別是2012年10月10日向家壩水電站蓄水運(yùn)用后，流量變異系數(shù)明顯增大。

3.3 含沙量變化非恒定特性向家壩水文站1956—2016年多年平均含沙量為1.57 kg/m3（2011年以前的含沙量資料用屏山水文站資料代替計(jì)算），向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均含沙量變化過(guò)程見(jiàn)圖5（a）。由圖可知，不同年份非汛期含沙量變化不大，汛期洪水含沙量變化劇烈，含沙量變化非恒定性強(qiáng)， 2012年10月10日向家壩水電站蓄水運(yùn)用后，由于水庫(kù)攔沙，出庫(kù)含沙量非常小。

圖5 向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化日平均含沙量及其變異系數(shù)變化過(guò)程

向家壩水文站2009—2016年日平均含沙量變異系數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖5（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映含沙量非恒定性變化強(qiáng)度。向家壩水電站運(yùn)用前，含沙量變化非恒定性變化強(qiáng)度大，含沙量變化變異系數(shù)可以達(dá)到0.80 ～1.70，水位、流量和含沙量的變異系數(shù)比較，由于水流挾沙力是水流流速（或流量）的高次方關(guān)系，含沙量變化非恒定性變化強(qiáng)度最大，因此含沙量的變異系數(shù)表現(xiàn)為最大。2012年10月10日向家壩水電站運(yùn)用后，雖然出庫(kù)含沙量顯著減小，但含沙量變異系數(shù)最大可以達(dá)到約1.0，含沙量變化仍然表現(xiàn)非恒定性。

4 水沙過(guò)程非恒定變化對(duì)通航條件的影響

本文主要對(duì)比分析水位、流量和含沙量非恒定變化，根據(jù)向家壩水文站標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量、含沙量及其變異系數(shù)的年特征值變化，分析向家壩樞紐壩下水沙非恒定變化對(duì)通航條件的影響。

向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量年平均值變化過(guò)程見(jiàn)圖6（a）。由圖可知，2012年向家壩水電站運(yùn)用后，2013—2016年出庫(kù)含沙量非常小，標(biāo)準(zhǔn)化年平均含沙量幾乎為0，出庫(kù)含沙量減小對(duì)山區(qū)河道深水航槽的沖刷影響不大，但對(duì)落淤型淺灘的穩(wěn)定有影響。2009—2016年的標(biāo)準(zhǔn)化年平均水位和流量約為1.0 左右，年平均水位和流量變化不大，說(shuō)明向家壩樞紐壩下山區(qū)河道的通航條件總體上是穩(wěn)定的。

圖6 向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量年特征值變化

向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量年最大值變化過(guò)程見(jiàn)圖6（b）。由圖可知，2012年向家壩水電站運(yùn)用后，出庫(kù)年最大含沙量明顯減小，標(biāo)準(zhǔn)化年最大含沙量由5.31 減小為0.03，年最高水位和最大流量也有所減小，2009—2016年的標(biāo)準(zhǔn)化水位年最大值由2.10 減小為1.78，標(biāo)準(zhǔn)化水位年最大值減小15 %；2009—2016年的標(biāo)準(zhǔn)化流量年最大值由3.78 減小為2.82，標(biāo)準(zhǔn)化流量年最大值減小25 %，向家壩樞紐運(yùn)用后削減洪峰流量和水位對(duì)壩下河道的通航條件是有利的。

向家壩水文站2009—2016年標(biāo)準(zhǔn)化水位、流量和含沙量年最小值變化過(guò)程見(jiàn)圖6（c）。由圖可知，2012年向家壩水電站運(yùn)用后，出庫(kù)年最小含沙量減小，標(biāo)準(zhǔn)化年最小含沙量由0.12 減小為0，但年最低水位和最小流量有所增大，2009—2016年的標(biāo)準(zhǔn)化水位年最小值由0.59 增大為0.69，標(biāo)準(zhǔn)化水位年最小值增大17 %；2009—2016年的標(biāo)準(zhǔn)化流量年最小值由0.32 增大為0.39，標(biāo)準(zhǔn)化流量年最小值增大22 %，向家壩樞紐運(yùn)用后增大枯水流量和水位對(duì)壩下河道的通航條件是有利的。

向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年平均值變化過(guò)程見(jiàn)圖7（a）。由圖可知，2012年向家壩水電站運(yùn)用后，出庫(kù)含沙量的變異系數(shù)減小，2009—2016年含沙量的變異系數(shù)年平均值由0.075 減小為0.037，但水位和流量的變異系數(shù)有所增大，2009—2016年水位的變異系數(shù)年平均值由0.014 增大為0.019，水位的變異系數(shù)年平均值增大36 %；2009—2016年流量的變異系數(shù)年平均值由0.025 增大為0.037，流量的變異系數(shù)年平均值增大48 %，說(shuō)明向家壩水電站日調(diào)節(jié)增大流量和水位的非恒定性對(duì)壩下河道的通航條件是有一定不利影響的。

向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年最大值變化過(guò)程見(jiàn)圖7（b）。由圖可知，2012年向家壩水電站運(yùn)用后，出庫(kù)含沙量的年最大變異系數(shù)減小，2009—2016年含沙量的變異系數(shù)年最大值由1.67 減小為0.45，但水位和流量的年最大變異系數(shù)有所增大，2009—2016年水位的變異系數(shù)年最大值由0.09 增大為0.11，水位的變異系數(shù)年最大值增大22 %；2009—2016年流量的變異系數(shù)年最大值由0.12 增大為0.22，流量的變異系數(shù)年最大值增大83 %，說(shuō)明向家壩水電站日調(diào)節(jié)和水庫(kù)蓄水及泄洪增大流量和水位的非恒定性，對(duì)壩下河道的通航條件有一定不利影響。

圖7 向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年特征值變化

5 結(jié)論

本文提出了水沙過(guò)程非恒定變化分析方法，分析了向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性及其對(duì)通航條件的影響，得到如下結(jié)論：

（1）提出了水沙過(guò)程非恒定特性分析方法。為了統(tǒng)一對(duì)比水沙變化過(guò)程，采用標(biāo)準(zhǔn)化的水位、流量和含沙量相對(duì)值統(tǒng)計(jì)序列，以時(shí)段滑動(dòng)計(jì)算水沙過(guò)程非恒定變化的特征值，統(tǒng)計(jì)水沙過(guò)程的均值、均方差和變異系數(shù)等非恒定特征值。

（2）分析了向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性。不同年份非汛期水沙變化不大，汛期水沙變化迅速，變異系數(shù)可以清楚反映水沙過(guò)程變化非恒定性強(qiáng)度。向家壩樞紐運(yùn)用后壩下水沙過(guò)程變化的非恒定強(qiáng)度較大，水位變化變異系數(shù)可以達(dá)到0.10 ～0.12，流量變化變異系數(shù)可以達(dá)到0.20 ～0.40，雖然出庫(kù)含沙量顯著減小，但含沙量變異系數(shù)最大可以達(dá)到約1.0。

（3）分析了向家壩樞紐壩下水沙過(guò)程非恒定變化對(duì)通航條件的影響。向家壩水文站標(biāo)準(zhǔn)化年平均水位和流量約為1.0 左右，向家壩樞紐壩下山區(qū)河道的通航條件總體上是穩(wěn)定的，樞紐運(yùn)用削減洪峰和增大枯水流量，削峰補(bǔ)枯可以增大枯水航深，有利于改善壩下河道的通航條件。但水電站日調(diào)節(jié)和水庫(kù)蓄水，以及泄洪增大流量和水位的非恒定性，對(duì)壩下河道的通航條件有一定不利影響。