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        量化三峽工程運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中游水位變化的貢獻(xiàn)

        2021-06-21 05:51:46俞文超柴元方
        陜西水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:洪水位三峽水庫(kù)沿程

        蘇 鵬,李 浩,俞文超,王 超,柴元方

        (1.遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽110166;2.山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250000;3.浙江華電烏溪江水力發(fā)電有限公司,浙江 衢州324000;4.水利部海河水利委員會(huì),天津300000;5.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430072)

        0 引言

        李云中等[1]基于水流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程推導(dǎo)得出,某水文站的水位為控制河段的沖淤、糙率變化以及下游水面線變化的綜合作用所形成,并應(yīng)用其推導(dǎo)得出的關(guān)系式定量評(píng)估了河段沖淤對(duì)枯水位變化的貢獻(xiàn)。郭怡[2]利用一維恒定流運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)得出,上游水位的變化是出口水位變化、地形調(diào)整和阻力變化綜合作用導(dǎo)致,然而,其研究河段僅聚焦于宜昌至陳家灣河段。近年來,隨著荊江河段河床大幅調(diào)整,該河段水位的變化必然會(huì)對(duì)其上游宜昌河段的水位帶來一定的影響。尤其是荊江河段枯水位的顯著下降所引起的溯源傳遞作用,會(huì)使得宜昌河段的枯水位進(jìn)一步下降。為此,對(duì)于定量評(píng)估各影響因素對(duì)水位的貢獻(xiàn),有必要將研究河段從宜昌至陳家灣河段擴(kuò)展至宜昌至螺山站河段。

        實(shí)測(cè)水位變化的影響因素可劃分為氣候變化和人類活動(dòng)兩大因素,然而難以剝離出三峽工程的影響分量[3]。數(shù)學(xué)模型常應(yīng)用于還原無三峽工程條件下壩下游的水位,還原后的水位與實(shí)測(cè)水位之間的差值即可視為三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)壩下游水位變化的貢獻(xiàn)。然而,數(shù)學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)需要大量實(shí)測(cè)的地形和水文數(shù)據(jù),難以開展還原工作。張珍[4]基于水量平衡法還原無三峽水庫(kù)條件下壩下游的流量,將還原流量與實(shí)測(cè)的水位-流量關(guān)系曲線相結(jié)合,重建了無三峽水庫(kù)條件下壩下游的河道水位。該方法的不足是,有三峽水庫(kù)和無三峽水庫(kù)的不同條件下,壩下游水文站的水位-流量關(guān)系曲線發(fā)生調(diào)整,用有三峽水庫(kù)條件下的水位-流量關(guān)系曲線來預(yù)測(cè)無三峽水庫(kù)條件下的水位存在一定的誤差。

        時(shí)間序列預(yù)測(cè)法常基于某一變量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)來預(yù)測(cè)其在未來的數(shù)值,該方法也可用于還原無三峽水庫(kù)條件下壩下游的水位[5]。本研究基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)法,旨在將研究河段由宜昌河段擴(kuò)展至螺山水文站,重點(diǎn)開展量化三峽工程運(yùn)行對(duì)壩下游同流量下水位變化的研究。

        1 研究區(qū)域

        長(zhǎng)江發(fā)源于青藏高原的唐古拉山脈各拉丹冬峰,向東于崇明島注入東海,全長(zhǎng)約6300 km,流域面積達(dá)180萬km2。本文的研究河段為壩下游的宜昌至螺山站河段。在該河段自上而下所涉及的主要水文站有宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站和螺山站。

        2 研究方法

        2.1 多項(xiàng)式擬合法

        進(jìn)一步剖析各流量級(jí)條件下水位的變化特征,采用最小二乘法來進(jìn)行一元三次曲線擬合,其擬合公式見公式(1)。基于該公式,即可求得各流量級(jí)下所對(duì)應(yīng)的水位(圖1)。該方法具有求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小的優(yōu)點(diǎn)。

        式中:H為某一流量級(jí)下的水位;Q為某一流量級(jí);a、b、c和d為任意實(shí)數(shù)。

        圖1 水位流量曲線一元三次擬合示意圖

        2.2 定量評(píng)估三峽水庫(kù)對(duì)壩下游水位變化的影響

        假設(shè)1991年~2002年流量Q條件下的多年平均實(shí)測(cè)水位為HA,M年(三峽水庫(kù)運(yùn)行后的某一年份)同流量條件下的實(shí)測(cè)水位為HB,則M年較1991年~2002年某流量級(jí)條件下的水位變化值為ΔH(圖2a),其由兩部分組成(圖2b),分別為三峽水庫(kù)運(yùn)行所引起的水位變化ΔHT和其他影響因素所引起的水位變化ΔHO(公式2)。

        為了從ΔH中區(qū)分出ΔHT和ΔHO,本文采用的方法為時(shí)間序列預(yù)測(cè)法:該方法可被應(yīng)用于預(yù)測(cè)該變量在未來的發(fā)展趨勢(shì)[6]?;谌龒{水庫(kù)運(yùn)行前1991年~2002年流量Q條件下水位隨年份的變化趨勢(shì),結(jié)合多元線性擬合法預(yù)測(cè)出M年在無三峽水庫(kù)條件下的水位HC(圖2c)。為此,M年實(shí)測(cè)水位HB和還原得的水位HC之間的差值即為ΔHT(公式3,圖2d),ΔHO則可由公式(4)求得。求得ΔHT和ΔHO后,可推求得三峽水庫(kù)對(duì)同流量下水位變化的貢獻(xiàn)率。

        圖2 計(jì)算方法流程圖

        3 結(jié)果

        基于提出的時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法,以1991年~2002年水位的變化趨勢(shì)及其多元線性擬合公式,預(yù)測(cè)出2003年~2016年無三峽水庫(kù)運(yùn)行條件下逐年的水位,繼而求得三峽水庫(kù)及其他影響因素各自對(duì)同流量下水位變化的貢獻(xiàn)。

        3.1 三峽水庫(kù)對(duì)枯水位的影響

        三峽水庫(kù)運(yùn)行后,2003年~2016逐年的實(shí)測(cè)枯水位較1991年~2002年的多年平均枯水位發(fā)生了顯著的變化。2003年~2008年和1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)運(yùn)行使得宜昌、沙市、監(jiān)利和螺山站同流量下的枯水位分別平均變化了-0.38 m、-0.47 m、0.04 m和-0.12 m,而其他影響因素的貢獻(xiàn)值分別為0.05 m、-0.11 m、-0.23 m和0.16 m??梢?,三峽水庫(kù)運(yùn)行在2003年~2008年使得宜昌和沙市站同流量下的枯水位顯著下降且為主導(dǎo)因素。2009年~2016年較1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)使得沿程四個(gè)水文站的枯水位顯著下降,其貢獻(xiàn)值分別為-0.71 m、-1.32 m、-0.26 m和-0.53 m,而其他影響因素的貢獻(xiàn)值僅分別為0.00 m、-0.19 m、-0.49 m和0.23 m。在2003年~2016年,三峽水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)江中游同流量下枯水位變化的貢獻(xiàn)率為72.7%,其他因素的貢獻(xiàn)率僅為27.3%.

        3.2 三峽水庫(kù)對(duì)中水位的影響

        在三峽水庫(kù)運(yùn)行后,壩下游同流量下的中水位較水庫(kù)運(yùn)行前顯著降低。其中,2003年~2008年與1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)的運(yùn)行使得沿程四個(gè)水文站同流量下的中水位分別變化了-0.29 m、-0.19 m、-0.68 m和0.21 m,其他影響因素的貢獻(xiàn)值分別為0.11 m、-0.06 m、0.57 m和-0.12 m。在2009年~2016年,三峽水庫(kù)運(yùn)行使得壩下游各水文站的中水位進(jìn)一步顯著下降,其貢獻(xiàn)值沿程分別可達(dá)-1.07 m、-0.82 m、-1.05 m和-0.07 m,而其他影響因素的貢獻(xiàn)值為0.20 m、-0.10 m、1.00 m和-0.22 m。在2003年~2016年,三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中游同流量中水位變化的貢獻(xiàn)為64.5%,其他影響因素的貢獻(xiàn)率為35.5%。顯然,三峽水庫(kù)對(duì)壩下游中水位的影響逐時(shí)呈抬升趨勢(shì),且為同流量下中水位變化的主導(dǎo)因素。

        3.3 三峽水庫(kù)對(duì)洪水位的影響

        2003年~2008年與1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)的運(yùn)行使得壩下游各水文站的洪水位顯著下降,其貢獻(xiàn)值沿程分別為-0.58 m、-0.64 m、-1.56 m和-0.47 m,而其他影響因素的貢獻(xiàn)值分別為0.18 m、0.16 m、0.31 m和0.08 m。顯然,三峽水庫(kù)運(yùn)行是壩下游各水文站洪水位在2003年~2008年較1991年~2002年下降的主導(dǎo)因素。2009年~2016年和1991年~2002年比較,三峽水庫(kù)對(duì)沿程洪水位的貢獻(xiàn)值分別-0.21 m、-0.13 m、-0.67 m和0.11 m。將2009年~2016年與2003年~2008年比較,三峽水庫(kù)對(duì)壩下游沿程洪水位的貢獻(xiàn)值分別為0.58 m、0.64 m、0.89 m和0.58 m,而其他影響因素的貢獻(xiàn)值分別為0.15 m、0.12 m、0.24 m和0.06 m??梢?,在2009年~2016年,三峽水庫(kù)使得壩下游的洪水位較2003年~2008年抬升且為主導(dǎo)因素。在2003年~2016年,三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中游同流量洪水位變化的貢獻(xiàn)為64.8%,其他影響因素的貢獻(xiàn)率為35.2%。

        4 結(jié)論

        基于提出的計(jì)算方法還原得無三峽水庫(kù)運(yùn)行條件下,2003年~2016年同流量下洪、中、枯水位的數(shù)值,其與實(shí)測(cè)值的差值即為三峽水庫(kù)的貢獻(xiàn)。主要結(jié)論如下:

        (1)2003年~2008年和1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)運(yùn)行使得宜昌、沙市、監(jiān)利和螺山站的枯水位分別平均變化了-0.38 m、-0.47 m、0.04 m和-0.12 m。2009年~2016年較1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)對(duì)沿程四個(gè)水文站枯水位的貢獻(xiàn)值分別為-0.71 m、-1.32 m、-0.26 m和-0.53 m??梢?,隨著水庫(kù)的運(yùn)行,其對(duì)壩下游枯水位的影響顯著抬升。

        (2)2003年~2008年和1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)的運(yùn)行使得沿程四個(gè)水文站的中水位分別變化了-0.29 m、-0.19 m、-0.68 m和0.21 m。2009年~2016年與1991年~2002年相比較,三峽水庫(kù)對(duì)沿程四個(gè)水文站中水位的貢獻(xiàn)值分別為-1.07 m、-0.82 m、-1.05 m和-0.07 m。三峽水庫(kù)對(duì)壩下游中水位變化的貢獻(xiàn)逐時(shí)呈抬升趨勢(shì),且在宜昌、沙市和監(jiān)利站為中水位變化的主導(dǎo)因素。

        (3)三峽水庫(kù)對(duì)壩下游沿程同流量下的洪水位變化的貢獻(xiàn)值分別為0.58 m、0.64 m、0.89 m和0.58 m。三峽水庫(kù)運(yùn)行使得2003年~2008年壩下游各站的洪水位下降,在2009年~2016年則使得壩下游的洪水位有所抬升,但其洪水位的抬升趨勢(shì)未超過蓄水前的水平。

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