三峽水庫175 m 蓄水初期庫區(qū)沿程水位分析

胡 鵬，楊勝發(fā)，胡 江

(1.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢430011;2.重慶交通大學河海學院，重慶400074)

三峽水庫2003年6月起成功實施135～139 m、144～156 m蓄水，2008年汛后又實施了175～145～155 m試驗性蓄水，目前，三峽水庫已經(jīng)開始175 m正常蓄水運行階段。

庫區(qū)沿程水位對于航道、水運等各項工程的規(guī)劃和建設(shè)是個重要的數(shù)據(jù)。受三峽蓄水影響，庫區(qū)水流條件發(fā)生了較大改變。因此原有的設(shè)計水位已不再適用。針對三峽蓄水后的情況，長江科學院先后于1995年和2004年對其水位及淤積進行了計算分析。目前大多采用2004年計算成果。

近幾年來通過原型觀測，已經(jīng)取得了三峽水庫第1手觀測資料，對于各蓄水階段的情況有了初步的認識［1］。而對于常用的長江科學院的計算成果也有必要進行重新分析校核，為日后能夠更好的開展三峽庫區(qū)各項工作的分析研究打下基礎(chǔ)。

1 成庫初期沿程水位計算

1.1 數(shù)學模型

由于所研究的問題為長河段、長時段內(nèi)發(fā)生的，在實際計算中對一維水流運動方程和連續(xù)方程進行簡化［2］。將整個計算時段劃分為小的計算時段，將長河段劃分為若干個短河段，可按恒定非均勻流考慮，水流運動變?yōu)椋?－4］:

式中:Z2、Z1為計算段上、下游斷面水位;V2、V1為計算段上、下游斷面平均流速;α2、α1為計算段上、下游斷面的動能修正系數(shù)，一般取1.05;hf為沿程水頭損失;hj為局部水頭損失。

在流量、尾段水位和水頭損失確定后，即可由式(2)算出河道斷面的各水力要素［5］。其中斷面綜合糙率采用Einstein的阻力疊加法確定。

1.2 糙率系數(shù)分析

1.2.1 地形資料

全河段均采用長委水文局2008年10月的大斷面地形數(shù)據(jù)，其中在江津到銅鑼峽段大斷面間距較大的河段用長江航道局2005年的測圖補充斷面，測圖比例1∶5000。

1.2.2 水文數(shù)據(jù)選擇

三峽大壩—江津河段較長，中間主要有嘉陵江、烏江2大支流匯入，在本計算當中按照分段恒定流來考慮。朱沱站控制江津—朝天門河段，寸灘站控制朝天門—涪陵河段，萬州站控制涪陵—三峽大壩河段。資料收集了2007、2008年三峽庫區(qū)沿程每日平均水位(共25個水位站)以及朱沱、寸灘、清溪場、萬州水文站的每日平均流量數(shù)據(jù)。2008年根據(jù)壩前水位調(diào)度情況，日均水位過程見圖1。可以看出，此時試運行階段已經(jīng)接近175～145～155 m正常蓄水條件下的調(diào)度情況。

圖1 2008年日均水位變化Fig.1 Daily mean water levels of 2008

1.2.3 計算斷面劃分

計算范圍從三峽大壩到水庫回水末端(即紅花磧，距宜昌里程720 km)之上的江津，航道里程為46.5～734 km。計算斷面綜合考慮了河道形態(tài)、水流條件以及計算工作量等因素。共劃分424個計算斷面，豐都以下平均斷面間距1.93 km;豐都以上平均斷面間距1.28 km。

1.2.4 模型驗證

為盡量準確地模擬出175～145～155 m運行期間可能出現(xiàn)的庫區(qū)沿程水位情況，現(xiàn)選取與175～145～155 m運行方式最接近的2007—2008年按144～156 m運行和2008年開始的175～145～155 m試運行2個階段2年的庫區(qū)水位流量過程數(shù)據(jù)，作為模型驗證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)這2年的壩前水位調(diào)度過程、庫區(qū)沿程各水文站及水位站的水位流量過程分階段選取多個需要驗證的流量級。選取要驗證的流量級時考慮的因素主要有:

1)壩前調(diào)度階段實測水位與計算起始水位對應;

2)所選驗證流量－水位與要計算的流量－水位盡量接近;

3)考慮到本次計算目的，故需分析計算河段沿程主要控制水文站的水位、流量過程，根據(jù)水文特征找出次歷時洪水過程;

4)考慮到數(shù)據(jù)的有效性和真實性，需選擇多組洪水過程驗證對比。經(jīng)過反復篩選，從2008年實測水位、流量中選定8組次洪水過程進行驗證，見表1。

表1 驗證時間選取Tab.1 The verification time selected

針對表1所選取的8個接近于175～145～155 m正常運行期驗證時間段洪水過程一一進行了庫區(qū)沿程共25個水位站水位的驗證，圖2為三峽庫區(qū)沿程水面線驗證結(jié)果圖，表2為庫區(qū)沿程部分站點的計算值與實測值驗證差值和驗證所確定的河段糙率。

圖2 計算與實測水位驗證Fig.2 The water level verification between calculated values and measured

表2 沿程水位驗證差值及糙率Tab.2 The longitudinal water level verify and the roughness /m

對所有具有實測水位的25個站進行了實測水位和計算水位的對比和分析，兩者差值較小，偏差在正負10 cm，所以數(shù)學模型計算水位與實際情況吻合較好。

1.2.5 驗證糙率系數(shù)分析

分析各次驗證洪水的糙率，發(fā)現(xiàn)糙率與沿程河段位置具有較好的相關(guān)關(guān)系，趨勢一致，固定河段的糙率值相差不大。汛期洪水條件下，由驗證水位確定的糙率值與沿程河段關(guān)系見圖3。可以看出，驗證糙率分布緊致，說明在洪水期沿程河段糙率較為相近。所以認為驗證糙率的平均值在計算時具有一定的代表性。考慮采用各時期驗證洪水水面線的糙率的平均值作為本次計算的糙率系數(shù)值用于水面線的計算。

圖3 驗證洪水糙率－河段關(guān)系Fig.3 The longitudinal verify roughness in reach

2 成果分析

在確定了各計算的水位，流量及選定的糙率值后。選取了洪水期壩前調(diào)度水位145 m條件下于萬州流量40 000 m3/s進行計算，所得值與2008年的接近于選取流量的實測資料進行分析。對比發(fā)現(xiàn)，計算值與實際吻合良好。認為采用的糙率合理，可用于計算。

根據(jù)長江科學院成果［6－7］，對于洪水期，壩前調(diào)度條件下特征洪水5%洪水考慮“淤積0年”所得的計算值，對比分析發(fā)現(xiàn)在涪陵以下部分，水面線吻合程度較好，涪陵到重慶段差值較涪陵以下段增大。根據(jù)長科院資料中站點對比，站中最大差值在長壽位置，差值為－0.283 m，最小差值在寸灘位置，差值為0.181 m。

枯水期，壩前調(diào)度水位175 m時，5%計算結(jié)果與長科院同條件考慮“淤積0年”計算結(jié)果對比分析［8］，對比站中差值最大地點為涪陵，差值為 －0.256 m，最小差值在萬州，差值為－0.097 m。但是發(fā)現(xiàn)本次計算值總體要略小于長科院計算成果。

由分析發(fā)現(xiàn)，二者計算總體一致。由于本次是采用接近175 m成庫后地形計算。所以認為長科院成果合理。能反映成庫后正常調(diào)度情況下的沿程水位特點［9］。

對于本次計算，我們是以驗證糙率的平均值作為計算值。這種分析方法還不具有一定的代表性。可能會給計算帶來一定的誤差，還需要在以后的工作中繼續(xù)總結(jié)分析。

3 結(jié)語

1)鑒于目前恒定流計算比較成熟，筆者采用長河段一維水流數(shù)學模型對三峽庫區(qū)整個河段進行分段恒定流模擬。以2007年和2008年實測地形、水位和流量(1985—2008年)資料，根據(jù)壩前水位典型調(diào)度方案中的水文過程，驗證出沿程河段的綜合糙率系數(shù)。

2)通過分析沿程糙率關(guān)系后，采用沿程河段平均糙率的方法，以特征洪水流量和典型壩前調(diào)度水位，計算出175～145～155 m蓄水運行階段下各頻率洪水的沿程水面線。

3)采用長科院計算成果和局部河段的實測水位資料分別對本次計算成果進行分析，根據(jù)水位對比，二者結(jié)果基本一致。認為長科院成果合理，具有一定的代表性。

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