王俊鴻，郭 樂，張東杰

（1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133；2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443133）

2020年8月的長江第5號(hào)洪水和1981年7月相比，前者流量小于后者的情況下，水位反而更高[1，2]。針對(duì)此問題，有必要以寸灘水位流量關(guān)系作為切入點(diǎn)，研究分析三峽庫水位對(duì)包括寸灘在內(nèi)的庫尾水位的頂托影響[3]。本文針對(duì)三峽庫區(qū)庫尾水位受三峽壩前水位頂托影響的復(fù)雜水動(dòng)力學(xué)問題[4，5]，通過合理設(shè)置上游寸灘不同設(shè)計(jì)頻率洪水與不同庫水位的組合，采用一維水動(dòng)力模型模擬分析。在此基礎(chǔ)上得到三峽庫區(qū)寸灘-壩址各斷面的水位變化過程，量化分析三峽庫區(qū)庫尾水位受三峽壩前水位洪水頂托的程度。研究成果可為大洪水期上游站點(diǎn)受洪水頂托影響數(shù)據(jù)失真時(shí)的水文預(yù)報(bào)工作提供重要指導(dǎo)，具有較好的工程應(yīng)用和科技支撐價(jià)值，對(duì)其它類似流域的庫區(qū)洪水頂托研究也具有積極的推進(jìn)作用[6-8]。

1 基礎(chǔ)資料

1.1 河道資料

由于“20.8”洪水主要來自長江上游干流，因此暫不考慮烏江及其他區(qū)間入流的影響。長江干流三峽庫區(qū)段的河道資料主要包含大斷面X-Y、斷面間距、斷面糙率。

其中大斷面X-Y表征河道某一位置的橫截面地形，X為從左岸某點(diǎn)為起始點(diǎn)到右岸某點(diǎn)的起點(diǎn)距，Y為高程。研究區(qū)域內(nèi)共有長江干流斷面327個(gè)（斷面資料來源于長江委水文局，數(shù)據(jù)更新于2018年），其中三峽壩前大斷面、寸灘站大斷面作為控制斷面。

斷面間距指相鄰斷面之間的距離，用于計(jì)算洪水的傳播。由于三峽水庫全長約600余km，平均寬度不足2 km，為典型的河道型水庫，因此本研究將其概化為線型水庫，即不考慮細(xì)部轉(zhuǎn)角對(duì)洪水傳播的影響，因此斷面間距所涉的左邊界間距、中泓線間距、右邊界間距均擬為一致。長江干流各斷面間距統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 長江干流各斷面間距統(tǒng)計(jì)表m

糙率表征了河道斷面的地表粗糙程度，對(duì)洪水傳播中的水位頂托有一定影響。根據(jù)“天然河道糙率表”對(duì)各斷面糙率進(jìn)行假定，并在模型率定環(huán)節(jié)對(duì)糙率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整（見2.2節(jié)表2）。

1.2 水文實(shí)況資料

水文實(shí)況資料包括水位和流量，目的是對(duì)模型進(jìn)行率定，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。選取三峽建庫以來洪峰流量大于35 000 m3/s的有一定代表性的38場(chǎng)洪水，摘錄寸灘站的水位-流量數(shù)據(jù)。并記錄各場(chǎng)洪水的實(shí)測(cè)高水連時(shí)序曲線，以“2020年長江第4/5號(hào)洪水”為例，如圖1所示。

圖1 2020年長江第4/5號(hào)洪水實(shí)測(cè)高水連時(shí)序曲線

1.3 水位頂托影響因素

水位頂托除受庫水位（下游水位）和流量的顯著影響外，還受洪水峰型和匯流比的影響。

1.3.1 庫水位

庫水位表征了三峽水庫的蓄水量，直接影響了上游庫尾水位的頂托。本次研究擬設(shè)定庫水位從死水位至正常蓄水位間的145 m、150 m、155 m、160 m、165 m、170 m、175 m共7組。

1.3.2 入庫流量

水位與入庫流量有直接關(guān)系，本次研究的入庫流量指寸灘站流量，即忽略了區(qū)間入流和烏江匯流量的壩址入庫流量。根據(jù)三峽入庫流量多年數(shù)據(jù)，擬設(shè)定10 000 m3/s，20 000 m3/s，30 000 m3/s，40 000 m3/s，50 000 m3/s，60 000 m3/s，70 000 m3/s，80 000 m3/s，90 000 m3/s共9組。

2 模型介紹

2.1 模型選擇

由于本次研究的區(qū)域?yàn)榈湫途€型水庫的洪水傳播，本次采用Hec-RAS模型。由于天然河道底坡沿程有一定的變化，斷面形狀也不規(guī)則，河槽斷面寬窄不一，河底高低不平，因此洪水水面線推算通過河道非均勻流計(jì)算方法，以起始斷面，采用伯努利能量方程，向上游推算出各斷面不同頻率下的水面線，在求解方程過程中采用了遞次求近法。伯努利能量方程如下：

式中：Y1，Y2—斷面水深；Z1，Z2—主槽高程；V1，V2—平均流速（總流量/總過流面積）；α1，α2—速度加權(quán)系數(shù)；g—重力加速度；he—能量水頭損失。

2.2 模型率定

本次研究中對(duì)模型的率定主要是針對(duì)Hec-RAS所需的河道邊界糙率，糙率能夠一定程度上影響壅水。以實(shí)測(cè)及調(diào)查的歷史洪水水面線及各水文站水位—流量關(guān)系曲線作為率定庫區(qū)沿程糙率的依據(jù)。以寸灘水文站為主要研究對(duì)象，整理率定后的研究區(qū)各斷面糙率如表2所示。

表2 三峽庫區(qū)各斷面糙率率定表

2.3 模型合理性分析

以寸灘站兩場(chǎng)實(shí)況來水過程（2018年7月11日～16日、2020年8月17日～22日）作為上邊界，三峽庫水位作為下邊界，采用Hec-RAS模型模擬計(jì)算寸灘站水位，對(duì)比兩場(chǎng)洪水各自的數(shù)據(jù)差異，見表3。

表3 兩場(chǎng)洪水模擬差異性分析

由表3可以看出，兩場(chǎng)洪水的差異性分析中，平方和、均方均較小，而顯著性水平大于0.9，表明沒有顯著差異，模擬結(jié)果能夠反應(yīng)真實(shí)情況。

同時(shí)兩場(chǎng)洪水繪制水位流量關(guān)系線與實(shí)測(cè)對(duì)比，如圖2、圖3所示。

圖2 模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比（2018年7月11-16日）

圖3 模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比（2020年8月17日～22日）

模型計(jì)算的水位流量關(guān)系線與實(shí)測(cè)模擬整體較好，擬合程度高，雖然從圖中可以看出在洪水漲水面，模擬數(shù)值會(huì)略偏高于實(shí)測(cè)結(jié)果，而退水面模擬數(shù)值略偏低于實(shí)測(cè)結(jié)果，這是由于Hec-RAS模型本身的歸一性程序架構(gòu)所致，不過這種偏差對(duì)水位變幅的影響極小，可忽略不計(jì)。因此，本次研究采用Hec-RAS模型一維模塊是合理可行的。

3 成果分析

3.1 基本理論

寸灘站位于長江干流上游，本次僅研究寸灘站以上來水穩(wěn)定流量與三峽庫水位對(duì)寸灘站水位頂托的共同影響，這也是造成水位頂托最直接最重要的兩個(gè)因素。根據(jù)三峽建庫以來大洪水期寸灘站流量和庫水位，可將寸灘站流量設(shè)置為10 000～90 000 m3/s（步長10000）；庫水位設(shè)置為145～175 m（步長為5），并進(jìn)行寸灘站流量與庫水位之間的兩兩組合，計(jì)算寸灘站水位。

3.2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)Hec-RAS模型模擬計(jì)算當(dāng)來水為穩(wěn)定流時(shí)，設(shè)置三峽不同壩前水位，計(jì)算寸灘站水位。根據(jù)模擬結(jié)果，以三峽庫水位為參數(shù)，繪制三峽不同壩前水位下寸灘站水位流量線，如圖4所示。

圖4 三峽不同壩前水位寸灘站水位流量關(guān)系線（模擬穩(wěn)定流）

由圖4可知，當(dāng)上游寸灘站出現(xiàn)洪峰水位，三峽庫水位低于155 m時(shí)，三峽調(diào)蓄洪水對(duì)寸灘水位流量關(guān)系影響較?。划?dāng)三峽庫水位在160 m以上時(shí)，寸灘站水位流量關(guān)系明顯左偏，即同流量下寸灘水位偏高，且偏高幅度隨三峽壩前水位抬高而加大。將各水位差情況下的水位頂托分別繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 不同壩前水位差的寸灘站水位頂托曲線

從圖5能夠更直觀清楚地看出，隨著壩前水位的抬升，水位頂托效應(yīng)均勻上漲，且寸灘流量小于40 000 m3/s時(shí)，流量越小，庫水位越高，頂托作用越明顯；寸灘流量大于40 000 m3/s時(shí)，頂托效應(yīng)隨流量的增大逐漸變緩，即頂托效應(yīng)與來水流量成負(fù)相關(guān)。這一定程度上說明了汛期寸灘站初始水位流量關(guān)系曲線的非一一對(duì)應(yīng)性，導(dǎo)致誤判寸灘站真實(shí)水位流量關(guān)系曲線和報(bào)汛曲線之間的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

本文以Hec-RAS水動(dòng)力模型分別對(duì)寸灘站采用入庫流量和壩前水位等主要因素，來探究大洪水期三峽壩前水位對(duì)庫尾寸灘站水位的頂托影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）采用Hec-RAS模型一維模塊求解三峽庫區(qū)的水動(dòng)力問題是可行的;

（2）大洪水期三峽壩前水位對(duì)庫尾寸灘站水位存在線性頂托影響;

（3）頂托效應(yīng)與寸灘來水流量成負(fù)相關(guān)。