三峽蓄水過程對香溪河水文特性的影響

□ 鮑瑞雪（河南省三門峽水文水資源勘測局）

0 引言

三峽庫區(qū)的眾多支流中，香溪河是三峽庫區(qū)最大的支流，同時也是最靠近三峽大壩的支流，為三峽水庫中的典型庫灣。香溪河地處長江西陵峽北側(cè)，發(fā)源于湖北省西北部神農(nóng)架林區(qū)[1]，為峽谷型河流，主要二級支流有古夫河和高嵐河[2]，沿程流經(jīng)興山縣、秭歸縣，于香溪鎮(zhèn)注入長江，香溪河總流域面積3099km2，河長106km[3]，年平均流量達(dá)65.50m3/s，最大洪水流量為2890 m3/s（1935年）[4]，枯季最小流量 14m3/s。

三峽蓄水后，隨著壩前水位的抬升，香溪河的水文特性發(fā)生了較大的改變[5]，香溪河的水文條件不僅受到其上游來流的影響，同時受長江來流以及三峽壩前水位的影響將逐漸增大。其水文特性由原來的河道型逐漸變?yōu)楹此畮煨再|(zhì)，因此研究香溪河的水文特性對于揭示三峽工程庫區(qū)支流水文特性的變化機(jī)理具有重要意義。文章主要研究壩前水位及其變化與長江來流流量對香溪河水文條件的影響。

1 模型建立

依據(jù)靜壓假定，Boussinesq近似采用垂向平均的二維淺水方程。

連續(xù)性方程:

動量方程:

考慮到三峽蓄水后水位最高可達(dá)到175m，此時庫水位上漲到上游灘子溝處，故該模型香溪河段取自上游灘子溝至香溪河河口22km，長江段取自香溪河河口上下游各10km，模型糙率為2.40×10-2，運用Delft3D軟件建立香溪河的二維水動力模型，并以2005年的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對香溪河河口處的水位流速進(jìn)行驗證，如圖1，圖2。

圖1結(jié)果表明，模擬得到的水位與實際監(jiān)測資料相比，整體變化規(guī)律基本一致，可較為準(zhǔn)確地顯示監(jiān)測點水位的變化過程，最大相對誤差為0.15%，可以滿足計算要求。圖2結(jié)果表明，模擬得到的流速與實際監(jiān)測資料相比，在部分點存在較大相對誤差達(dá)10%，其余點相對誤差均較小，在5%以內(nèi)，由于流速受到諸多因素如溫度，風(fēng)速等的影響，而在該模擬中尚未考慮因而在部分點存在一定的誤差，但總體趨勢基本一致，故基本滿足計算要求。

圖1 數(shù)值模擬結(jié)果與水位實際監(jiān)測結(jié)果對比圖

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果與流速實際監(jiān)測結(jié)果對比圖

2 水文特性分析

2.1 壩前水位及其變化的影響

三峽蓄水的最高水位為175m，死水位為145m。故分析了香溪河上游來流為160m3/s的情況下，三峽壩前水位分別為135，145，160，175m時的香溪河的水文特性，自香溪河上游到下游依次選取灘子溝，竹丫頭，鹽關(guān)，官莊坪以及香溪河河口處為典型代表點，代表點分別位于高程130，115，100，85，70m處，圖3反映了各代表點在上游來流流量不變的情況下，其流速大小與三峽壩前水位之間的關(guān)系。

圖3 代表點流速與壩前水位關(guān)系圖

當(dāng)山峽庫水位在145～175m之間運行的時候，上述觀測點均處在三峽回水影響區(qū)之中，因而流速都相對較小，隨著下游水位的升高，各點處的流速下降，越靠近上游流速下降的越快。其中灘子溝處水流速度在壩前水位為135m時有較大的提高，這是因為灘子溝處地形高度為130m，當(dāng)壩前水位降低到135m時，灘子溝受回水影響的作用較小，回歸到原來的河流狀態(tài)，因而流速會變大。而在香溪河河口處水流一直受到三峽水位回水的影響，故流速值一直都較小，且流速受三峽水位的影響不大，一般在0.01m/s左右。

同時選取河道中心線上各點為研究對象，分析比較了在不同壩前水位下，河道中心線上各點流速沿程變化。

在上游來流恒定的情況下，壩前水位對回水影響范圍內(nèi)各點的流速影響比較大，在同一點，壩前水位越低，流速越大；當(dāng)壩前水位高于145～175m時,計算區(qū)域內(nèi)各點都受壩前水位影響，且壩前水位越高，流速越小，且流速沿程變化率也越小。同時，在上游流量不變的情況下，壩前水位的高低決定著香溪河受三峽回水影響的區(qū)域，據(jù)此分析，可以將香溪河段依流速分布分為回水影響區(qū),過渡區(qū),河道區(qū)。以上游流量為160m3/s，壩前水位135m為例,距香溪河上游灘子溝2km以內(nèi)的區(qū)域?qū)儆诤拥绤^(qū)，距灘子溝2～10km的區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)，距灘子溝10km之外均屬于回水影響區(qū)。在距香溪河上游灘子溝>10km的區(qū)域，水流流速幾乎不受到壩前水位的影響。且各分區(qū)的長度隨著上游流量以及壩前水位的變化而變化。當(dāng)壩前水位上升到175m時,上述研究的區(qū)段受到回水影響的作用十分明顯。

同時，壩前水位的動態(tài)變化也會對香溪河的水文特性產(chǎn)生不容忽視的影響，壩前水位的下降會促進(jìn)河口處水流的運動，從而改變香溪河的水動力特性，當(dāng)取香溪河上游來流流量為160m3/s,壩前水位以不同的速率下降時，上游灘子溝處的流速隨時間的分布。

隨著壩前水位下降速率的減小，在上游灘子溝處水流流速的變化幅度也相對減小，當(dāng)壩前水位的下降速率為1.00m/d時,上游處的水流流速依然隨時間增大，但是其速度的加速度保持不變，即流速增加的速率不再隨時間發(fā)生變化。當(dāng)壩前水位下降的速率降到0.50m/d以下時，其水流流速最終穩(wěn)定在某個值而不再隨時間發(fā)生變化。此時影響水流速度變化的因素有兩個:壩前水位的下降速率和下游水位的影響。當(dāng)壩前水位下降速率較小時，下游處于相對較高的水位，使得研究區(qū)域受回水的影響較大，故流速不受到壩前水位變化的影響，而當(dāng)下游水位下降到一定高度時，上游處由回水影響區(qū)逐漸向過渡區(qū)以及河道區(qū)轉(zhuǎn)變，水流流速變大，隨下游水位的降低而逐漸增大。

2.2 長江來流的影響

長江來流流量的變化會對香溪河水文特性產(chǎn)生一定影響，取香溪河上游流量為160m3/s,壩前水位保持為150m，分析長江來流流量分別為5000m3/s和15000m3/s時香溪河的水文特性。

有相關(guān)資料可知，長江來流會對香溪河河口的流速產(chǎn)生一定的影響，使得香溪河河口處的流速方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，該影響范圍會隨著長江來流流量的增大而增大，但是總體上受到長江來流影響僅僅局限在河口附近很小的區(qū)域內(nèi)。

相關(guān)圖表反映了在相同壩前水位以及香溪河流量時，不同長江來流流量下香溪河河道中心線上的水流流速沿程分布情況，由圖可知，由于受到長江來流的影響，香溪河河口處的流速有所增大，且長江來流流量越大，流速越大，受長江影響流速增大的區(qū)域主要在距香溪河河口處約0.15km處，且隨著長江來流流量的增大，該區(qū)域的范圍變化不大。

由上可知，香溪河河口處附近范圍內(nèi)受到長江來流的影響較大，該區(qū)域的流速顯著增大，水流方向受到長江水流的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，該區(qū)域的范圍會隨著長江來流流量和壩前水位的變化而變化，但是變化范圍的幅度并不明顯。

3 結(jié)論

文章從Boussinnesq假定下的二維淺水方程出發(fā)，基于Delft3D軟件平臺構(gòu)建了香溪河二維水動力數(shù)值模型，分析了其在不同壩前水位及變化和長江來流的條件下的香溪河的水文特性的變化，得到以下結(jié)論:一是在不同下游水位即壩前水位下，香溪河段可依據(jù)水流流速的特性分為河道區(qū)，過渡區(qū)以及回水影響區(qū)；二是.對于回水影響區(qū)，水流流速較小各處水位基本與壩前水位保持一致，越靠近下游的區(qū)域，受壩前回水影響的作用越明顯；三是壩前水位下降引起香溪河段內(nèi)的水流向下游運動，該方向與上游水流方向一致，從而可以促進(jìn)水流的運動；四是香溪河河口附近范圍內(nèi)受到長江來流的影響較大,該區(qū)域的流速顯著增大,水流方向受到長江水流的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，該區(qū)域的范圍會隨著長江來流流量變化而變化，但是變化范圍的幅度并不明顯。

[1]雒文生，談戈.三峽水庫香溪河庫灣水質(zhì)預(yù)測[J].水電能源科學(xué) 2000,18（4）:35-37.

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