三峽庫區（175 m運用初期）設計最低通航水位計算方法研究

朱代臣,佘俊華,樊書剛

（長江重慶航運工程勘察設計院,重慶 401147）

三峽庫區（175 m運用初期）設計最低通航水位計算方法研究

朱代臣,佘俊華,樊書剛

（長江重慶航運工程勘察設計院,重慶 401147）

文章結合三峽蓄水運行實踐綜合分析了三峽工程蓄水以后庫區設計最低通航水位的主要影響因素和計算的難點及解決方案,并在2004版《內河通航標準》中有關樞紐上游河段設計最低通航水位計算方法的符合性規定基礎上,分析和總結了三峽庫區（175 m運用初期）設計最低通航水位的計算方法,加強了方法的針對性和操作性。

設計最低通航水位；影響因素；計算方法；三峽庫區

Biography：ZHU Dai?chen（1981-），female，engineer.

三峽庫區屬于川江中下段,自從三峽工程2003年開始蓄水,壩前水位抬高,流速減緩,庫區河段航道條件與河床演變開始發生極大變化。蓄水至今,三峽水庫共經過了135～139 m圍堰發電期和144～156 m初期運行期,2008年9月底進入175-145-155 m試驗性蓄水階段,并在2010年10月26日成功蓄至175 m,首次達到工程設計的最高蓄水位。隨著蓄水進度的推進,回水末端逐漸上延,最終到達江津紅花磧河段,之下共約670 km河段全部進入了三峽庫區［1］。

設計最低通航水位（簡稱“設計水位”）是航道規劃與整治設計的重要指標。設計水位的高低直接關系到航道整治工程的投資,定低了,整治工程投資大,對行船安全有利,定高了,工程投資小,但船舶安全通航保證率低。設計水位的合理性取決于計算方法的合理性。目前,國內外計算設計水位大都是對具有良好一致性的長系列水文數據進行統計分析,研究對象以沒有水利樞紐影響的天然河流為主,常用的計算方法大致分為算術平均法、綜合歷時曲線法和保證率頻率法三類［2］,而對受水利樞紐影響的庫區通航水位的研究較少。在我國,近期隨著各流域水電開發的快速發展,對受水利樞紐影響的庫區河段的通航水位確定方法思考逐漸增多［3-5］。2004版《內河通航標準》對確定樞紐上游河段通航水位有一定的原則性規定［6］,標準規定總體上是科學的,但從三峽工作實踐看,庫區通航水位影響因素眾多,尤其是變動回水區,水位變化復雜,設計水位對變動回水區航道的整治與維護又非常重要和敏感。因此有必要在2004版《內河通航標準》對樞紐上游河段設計最低通航水位確定方法的符合性規定的基礎上進一步分析研究,使得方法更具有針對性和操作性。

1 設計水位影響因素

與蓄水前的天然河流相比,蓄水后的庫區河段設計水位不僅與來流量有關,還與壩前水位有關,在水庫達到沖淤平衡之前,還要受累積性淤積影響。

（1）壩前水位的影響。三峽蓄水以后,壩前水位受人為調控,汛期基本保持在一定的低水位運行（防洪限制水位期）,汛后逐漸減小下泄流量,抬高庫水位（水位抬升期）,冬季枯水期又基本保持在一定的高水位運行（正常蓄水期）,到了次年又開始逐漸增加下泄流量,降低庫水位至防洪限制水位（消落期）。

天然河流的水位主要取決于來流量的大小,而蓄水以后受人為調控的壩前水位成為重要的影響因素。枯水期高水位運行改變了蓄水前絕對的大流量高水位、小流量低水位規律,須分時段和河段區別看待。常年庫區,由于水流平緩,水位主要取決于壩前水位的高低;變動回水區,隨著回水末端的變動,壩前水位的影響范圍不斷發生變化,在回水影響范圍內,水位主要受雍水影響,脫離回水影響則取決于來流量的大小,而在回水末端,水位受壩前水位和來流量的雙重影響。根據三峽175 m正常運行方案,壩前水位基本在175 m和145 m之間變動,因此常年庫區的設計水位接近145 m,出現在防洪限制水位期;正常蓄水期（11～12月）壩前水位基本保持175 m的高水位運行,又因這個時期來流量不大,變動回水區也基本保持175 m,消落期（1～6月上旬）變動回水區逐漸脫離壩前雍水的影響,又因是枯水時期,流量小,所以消落期是變動回水區出現年最低水位的時期,但不同的河段出現年最低水位的具體時間又是不一樣的,因此變動回水區的設計水位最難以把握。

（2）入庫流量的影響。盡管蓄水后壩前水位成為了庫區河段設計水位的重要影響因素,但來流量的影響仍然存在。變動回水區在完全脫離壩前水位影響期間同天然河道,水位仍取決于來流量大小,遵循水位流量關系;受壩前水位影響的河段則既有壩前水位的影響也有入庫流量的影響,尤其是回水末端兩者的作用都非常重要。

（3）庫區泥沙淤積。由于大壩攔水,庫區河道流速減緩,在正常運行前期容易形成累積性淤積,通過目前三峽庫區原型觀測知,某些河段已經發生了較嚴重的累積性淤積,尤其是某些灘險河段。產生累積性淤積后在相同來流量下淤積河段水位有所抬高,甚至引起上下游水面線的變化。因此嚴格意義上的設計水位是在隨著河床的淤積而發生變化的。

2 設計水位的計算難點及解決方案

通過分析,三峽庫區設計最低通航水位的計算存在以下幾方面的困難：

（1）若采用天然河道設計最低通航水位的統計方法,則需要同一站點多年觀測的水位資料,通常不少于20 a,并且要求具有良好一致性。但在水庫運行初期,運行時間短,實際觀測數據少,運行方案也不穩定,自然缺乏具有良好一致性的長系列年水文觀測數據。在這種情況下,若一定要得到所需的水位數據,則需借助目前應用較多的數學模型手段。

（2）庫區河段水位受到入庫流量和壩前水位的雙重影響,而入庫流量具有隨機變化性,壩前水位受人為調控,盡管有一定的調度方案,但調度方案偏于原則性,往往因為無法估計的自然因素,計劃的調度方案被打破,具體到每天的控制水位更存在較大的不確定性。因此,必須同時考慮入庫流量與壩前水位,采用兩者的對應組合。

（3）三峽水庫經歷了圍堰發電期、初期運行期和試驗運行期,于2010年10月底成功蓄至175 m,庫區泥沙累積性淤積逐漸體現。三峽水庫正常運行才剛剛開始,不管是變動回水區還是常年庫區,泥沙淤積還將持續較長時間才能達到沖淤平衡。如何反映庫區累積性淤積引起的設計水位變化,也是確定三峽水庫設計水位計算方法所遇到的難題之一。解決這一難題的方法要么是較準確預測出將來的沖淤變化量,要么通過定期校核設計水位成果來實時調整設計水位。鑒于目前河流泥沙模擬技術尚不成熟,模擬結果不一定可靠,所以本文推薦采用最新實測資料定期復核的方式來解決庫區泥沙淤積引起的設計水位變化的問題。

3 設計水位計算方法

我國經過制定和多次修訂“內河通航標準”,在2004版“內河通航標準”中對樞紐上游河段的設計最低通航水位計算方法作出了較明確的規定：“樞紐上游河段設計最低通航水位應按標準中規定的多年歷時保證率（即Ⅰ、Ⅱ級航道多年歷時保證率不小于98%，Ⅲ級航道取98%）的入庫流量與相應的壩前消落水位組合,以及壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合,得出多組回水曲線,取其下包線作為沿程各點的設計最低通航水位,并應計入河床沖淤可能引起的水位變化值”,簡稱該方法為下包絡線法。

下包絡線法綜合考慮了前文分析的設計水位主要影響因素,也通過計算多條壩前水位與入庫流量組合下的水面線解決了缺乏具有一致性的長系列年水位數據的難點。但具體到受某一特定水利樞紐影響河段,設計水位確定方法的步驟、組合情況及某些參數選擇等還需進一步明確。對于長江三峽水利樞紐上游庫區河段的設計水位確定方法,則要緊密結合三峽運行實際情況和庫區河段的水沙與航道條件,研究確定更具針對性和操作性的計算方法。

（1）計算手段。時段保證率流量與相應壩前低水位組合下的水面線是人為構造的一條時段內較低的水面線,水庫運行過程中不一定會出現,不太可能通過實際觀測得到,但是可以借助數學模型模擬計算得到。目前一維、二維水流數學模型在水力學及河流動力學中應用廣泛,技術也比較成熟,可以用于計算上述特定的水庫回水曲線。

（2）入庫流量。考慮三峽水庫的區間匯流和沿程支流入匯,入庫流量宜采用分段控制。目前庫區有寸灘和萬州兩個水文站,庫尾上游最近的水文站為朱沱水文站。庫區主要有兩大支流入匯,嘉陵江在朝天門入匯,烏江在涪陵入匯。因此,根據主要支流入匯情況,水文站流量控制河段范圍如下：江津到朝天門河段用朱沱流量控制,朝天門到涪陵用寸灘流量控制,涪陵以下用萬州流量控制。

根據下包絡線法的規定,入庫流量取規定的多年歷時保證率流量。從水沙條件變化分析知,三峽蓄水前后,長江上游來流量的大小及年內分配沒有發生明顯的變化,近期流量資料具有良好的一致性。因此,套用天然河流設計最低通航水位計算時的資料取用條件,入庫流量系列取近期不少于20 a的日平均流量數據系列。

時段內流量的保證率與航道等級對應確定。重慶九龍坡—三峽大壩目前航道等級已經達到Ⅱ級,規定多年歷時保證率不小于98%,在航道工程實踐中,一般取98%;九龍坡到江津航道等級為Ⅲ級,對應通航保證率為98%。

（3）壩前水位。根據三峽蓄水以來三峽—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程及運行實踐情況,各運行階段都有相對穩定的調度方案,三峽正常蓄水以后也會制定并不斷優化相應的調度方案。目前,根據三峽水利樞紐初步設計制定的175-145-155 m水位運行方案,結合2008年9月以來的175 m試驗性蓄水運行方案和系列優化研究,確定三峽水庫正常運用期壩前水位典型調度過程為：9月1日開始蓄水,10月31日蓄至175 m,11月1日至12月31日按175 m運行,次年1月1日開始消落,2月28日消落至165 m,5月25日消落至155 m,6月10日前消落至汛限水位145 m,至9月1日按145 m運行。設計水位計算時,壩前水位應根據計算當時的運行調度規程和防洪調度方案具體分析確定。

（4）入庫流量與壩前水位的組合關系。已知了入庫流量和壩前水位過程,按照下包絡線法規定,最重要的是確定兩者的組合關系。顯然兩者應按時間對應,消落期的入庫流量與壩前消落水位組合,壩前死水位或最低運行水位與相應的入庫流量組合。然而消落期是1月1日～6月10日,歷時長,壩前水位消落幅度也大,因此,對整個消落期再進行時段劃分才更接近實際情況,尤其是5月25日～6月10日消落速度快,日均消落0.6 m,時段劃分要更細。壩前145 m水位期間,則無需細分,因壩前水位相同時,水面線取決于入庫流量的大小,構成下包線的水面線一定是入庫流量最小的那一條。

各時段的壩前水位依據典型調度過程線,建議取時段內最低消落水位,因入庫流量極小時要保證水庫下游的供水,壩前水位很可能低于典型調度線運行。

入庫流量取時段內98%保證率流量。時段內保證率流量的統計與多年歷時保證率水位計算方法類似：取每年某個時段（如每年的1月1日～1月31日）的逐日平均流量資料,作為一個集合,分級統計,并繪成曲線,即綜合歷時曲線,從曲線上查出通航保證率對應的流量。

（5）河床沖淤。三峽水庫的河床沖淤調整是一個較長時期內的變化過程,對水位的影響尤其是低水位的影響將比較明顯。數學模型可以計算河床沖淤,但目前水沙數學模擬技術還不成熟,模擬結果的精度不能保證,因此,建議數學模型計算設計水位時不計算泥沙,而是通過采用當時實際地形計算并定期復核計算成果或重新計算的方式,以消除河床沖淤對設計水位的影響,時間期限可以是3～5 a,具體年限視河床沖淤引起的水位變化程度而定,這樣還有助于減少調度方案變化和其他不確定因素的影響。

總結起來,三峽庫區（175 m運用初期,江津～三峽大壩河段）設計最低通航水位的計算方法步驟如下：

①根據三峽正常運行期水庫調度規程及調度實踐總結,確定三峽壩前水位典型調度過程;②將典型調度過程中的消落期劃分為多個時間段（消落越快,時段劃分越細）;③選取入庫和庫區水文站（朱沱、寸灘、萬州）近期具有一致性、不少于20 a的逐日平均流量資料,計算消落期各個時段和防洪限制水位期（壩前145 m）多年歷時保證率98%的流量,用朱沱站控制江津到朝天門河段流量,寸灘站控制朝天門到涪陵河段流量,萬州站控制涪陵以下河段流量;④基于最新淤積地形,采用水流數學模型計算手段,計算每個時段壩前消落最低水位與保證率流量組合時的回水曲線,取這些回水曲線的下包線作為沿程各點的設計最低通航水位;⑤每隔3～5 a進行一次計算成果復核或者重新計算,及時調整設計水位,以消除河床沖淤變化、調度方案調整以及上游水沙條件變化等因素的影響。

4 結語

三峽成庫以后,原天然山區河道成為河道型水庫,其設計水位由受來流量單一影響發展成受壩前水位、來流量大小以及累積性淤積等多重因素影響。在缺乏具有一致性的長系列水位觀測資料的情況下,提出采用水流數學模型計算手段,在“04內河標準”下包絡線法的基礎上,結合三峽水庫175 m正常運行規程和調度實踐,較詳細地分析和總結了用于三峽庫區175 m運用初期具有較強針對性和操作性的設計最低通航水位計算方法。

［1］長江重慶航運工程勘察設計院.三峽工程航道泥沙原形觀測2003-2010各年度分析報告［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2003.

［2］邱大洪.工程水文學：港口航道及海岸工程專業用［M］.北京：人民交通出版社,2004：120-126.

［3］張幸農,吳建樹.樞紐及其上下游河段通航設計水位確定若干問題探討［J］.水道港口，2005（S）：130-132.

ZHANG X N,WU J S.Investigation of navigable stage in the upstream and downstream channel of hydroproject［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005（S）：130-132.

［4］黃村顯,周麗云,潘明煌,等.郁江西津樞紐上游航道設計最低通航水位的分析［J］.水運工程,2005（10）：67-69.

HUANG C X,ZHOU L Y,PAN M H,et al.Design Lowest Navigable Stage of the Upstream Channel of Yujiang Xijin Hydropower Junction［J］.Port&Waterway Engineering,2005（10）：67-69.

［5］白金嘉.水口電站庫區回水變動段最低通航水位分析［J］.水運工程,2005（6）：57-62.

BAI J J.Analysis of Lowest Navigable Stage at Fluctuating Backwater Area of Shuikou Power Station Reservoir Region［J］.Port&Waterway Engineering,2005（6）：57-62.

［6］GBJ50139-2004,內河通航標準［S］.

Computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）

ZHU Dai?chen,SHE Jun?hua,FAN Shu?gang
（Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute,Chongqing401147,China）

A method of calculating the designed lowest navigable stage is the key to obtain the exact value.Based on implementation of the Three Gorges Reservoir,the main influencing factors,calculation difficulties and solutions of the designed lowest navigable stage were analyzed in this paper.On the basis of the 2004 edition ofNavigation standards of inland waterway,the computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）is put forward and studied,which is more practical and operational.

designed lowest navigable stage;influencing factor;computational method;the Three Gorges Reservoir

U 617.9；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0171-04

2012-12-03;

2013-01-05

西部交通建設科技項目（201132854810）

朱代臣（1981-）,女,重慶云陽人,工程師,主要從事河流動力學及航道整治的設計與研究工作。