金沙江梯級水庫下游水沙過程非恒定變化及其對通航條件的影響

陳緒堅

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，水利部水沙科學與江河治理重點實驗室，北京 100048）

隨著金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等4 大梯級水庫陸續(xù)建設和投入運用，特別是2012年10月10日向家壩水電站開始蓄水運用，溪洛渡水電站2013年5月初期蓄水運用，其攔沙作用使得出庫沙量大幅度減少，水電站日調節(jié)和水庫蓄水直接改變壩下游的水沙過程，并對壩下游河道的通航條件產生一定影響。金沙江下游屬于典型的山區(qū)河流，其水沙過程具有明顯的非恒定性，已有的研究成果側重于金沙江下游年水沙量變化，但對水沙過程變化的研究較少。朱玲玲等［1］分析了金沙江下游年水沙量變化特征及其對水電站建設和運行的影響；許全喜等［2］研究認為水庫攔沙是金沙江沙量變化控制性因素之一，且這種作用存在自上而下的累積效應；馮秀富等［3］研究認為金沙江下游是三峽水庫沙量的主要來源之一，上游來沙量是決定水庫泥沙淤積總量的控制性因素，是水庫運行方式優(yōu)化調度的基本前提條件。水沙過程的變化不僅影響水庫建設和運行，對下游河道的防洪及通航條件也有重大影響，因此，研究金沙江梯級水庫下游水沙過程非恒定變化有重要意義。本文提出水沙過程非恒定變化分析方法，分析向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性及其對通航條件的影響，為長江上游航道治理提供基礎條件和技術支撐。

1 金沙江下游水沙變化概況

金沙江干流以石鼓和攀枝花為界，石鼓以上為金沙江上游，石鼓至攀枝花為金沙江中游，攀枝花至宜賓岷江口為金沙江下游。金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等4 大梯級水庫已陸續(xù)建設和投入運用，其中2012年10月10日向家壩水電站開始蓄水運用，溪洛渡水電站2013年5月初期蓄水運用。金沙江的泥沙主要是產生在下游區(qū)，并主要來自攀枝花、雅礱江匯口至屏山的干流區(qū)間。金沙江下游區(qū)多年平均輸沙模數(shù)高達2710 t/（km2·a），其中干流河谷地區(qū)的輸沙模數(shù)在3000 t/（km2·a）以上，是長江上游水土流失最嚴重的地區(qū)（圖1）。

圖1 金沙江下游輸沙模數(shù)（單位： t/（km2·a））

金沙江下游干流控制站原為屏山水文站，位于向家壩水電站壩址上游28 km，觀測至2011年，2012年因向家壩水電站蓄水，改為水位站。金沙江下游梯級水庫出口總控制站現(xiàn)為向家壩水文站。向家壩水文站于2008年5月設立，上游2 km 為向家壩水電站。向家壩樞紐壩下水沙變化分析采用向家壩水文站資料，2011年以前的水沙資料用屏山水文站資料代替。

向家壩（屏山）水文控制站年水沙量變化過程見圖2。受氣候、流域下墊面條件變化，以及金沙江中下游梯級水電站陸續(xù)建成運行等影響，近年來金沙江下游水沙輸移出現(xiàn)了一些新變化。向家壩（屏山）水文站不同時期年平均水沙量見表1，1998年金沙江最大支流雅礱江上的二灘電站蓄水運行以后，年徑流量變化不大，但年輸沙量則逐漸減少，2012年10月10日向家壩水電站蓄水運用后，出庫沙量大幅度減少。2013—2016年平均輸沙量約為1999—2012年的1 %。在梯級水庫各級攔截作用下，今后相當長的時間內，金沙江下游沙量將保持較少的水平。

圖2 向家壩（屏山）水文站年水沙量變化過程

表1 向家壩(屏山)水文站不同時期年平均水沙量

2 水沙過程非恒定變化分析方法

國內外關于水沙變化的分析方法較多，包括Mann-kendall 檢驗法［4-6］、極差分析法［7］、Spearman秩次相關檢驗法［8］、雙累積曲線法［8］和BP 神經網絡［9］等，這些方法通常用于分析水沙條件時序變化趨勢，但這些方法不適合分析水沙過程非恒定變化，本文提出一種比較直觀的變異系數(shù)分析方法。

通常水沙變化序列包括水位變化Z（t）、流量變化Q（t）和含沙量變化S（t），其中對于日平均值水沙變化過程，t 為日期。為了統(tǒng)一對比水沙變化過程，需要消除山區(qū)河流高海拔河床高程對水位變化統(tǒng)計的影響，構造標準化水位統(tǒng)計序列z（t）為：

式中：z（t）為標準化水位，無量綱；Z（t）為實測水位，m；Zc為平均河床高程或最低河床高程，m，由于通航問題重點是深水航槽，因此本文采用最低河床高程；Zcp為多年平均水位，m。

構造標準化流量統(tǒng)計序列q（t）為：

式中：q（t）為標準化流量，無量綱；Q（t）為實測流量，m3/s；Qcp為多年平均流量，m3/s。構造標準化含沙量統(tǒng)計序列s（t）為：

式中：s（t）為標準化含沙量，無量綱；S（t）為實測含沙量，kg/m3；Scp為多年平均含沙量，kg/m3。

標準化水位z（t）、流量q（t）和含沙量s（t）可以采用統(tǒng)一的統(tǒng)計序列x（t）表示，以時段τ滑動計算水沙過程非恒定變化的特征值，可以計算日、月和年不同時期的水沙過程非恒定變化特征值，計算特征值包括均值、均方差和變異系數(shù)等。

均值為：

均方差為：

變異系數(shù)為：

根據(jù)水文站的日平均水位、流量和含沙量過程，計算標準化水位、流量和含沙量及其變異系數(shù)，統(tǒng)計標準化水位、流量和含沙量及其變異系數(shù)的年平均值、年最大值和年最小值等特征值，從而分析水沙過程非恒定變化對通航條件的影響。

3 水沙過程非恒定變化特性分析

3.1 水位變化非恒定特性向家壩水文站于2008年5月設立，向家壩水文站2009—2016年多年平均水位為268.85 m（凍結基面），向家壩水文站2009—2016年標準化日平均水位變化過程見圖3（a）。由圖可知，不同年份非汛期水位變化不大，汛期洪水水位漲落迅速，水位變化非恒定性強，特別是2012年10月10日向家壩水電站開始蓄水運用，水位出現(xiàn)明顯的非恒定變化。

向家壩水文站2009—2016年日平均水位變異系數(shù)變化過程見圖3（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映水位非恒定性變化強度，特別是春季漲水和向家壩水電站蓄水運用，水位變化變異系數(shù)可以達到0.10 ～0.12，水位變化的非恒定強度較大。特別是2012年10月10日向家壩水電站蓄水運用后，水位變異系數(shù)明顯增大。

圖3 向家壩水文站2009—2016年標準化日平均水位及其變異系數(shù)變化過程

3.2 流量變化非恒定特性向家壩水文站1956—2016年多年平均流量為4500 m3/s（2011年以前的流量資料用屏山水文站資料代替計算），向家壩水文站2009—2016年標準化日平均流量變化過程見圖4（a）。由圖可知，不同年份非汛期流量變化不大，汛期洪水流量變顯著，流量變化非恒定性強，特別是2012年10月10日向家壩水電站開始蓄水運用，流量出現(xiàn)明顯的非恒定變化。

圖4 向家壩水文站2009—2016年標準化日平均流量及其變異系數(shù)變化過程

向家壩水文站2009—2016年日平均流量變異系數(shù)變化過程見圖4（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映流量非恒定性變化強度，特別是春季漲水和向家壩水電站蓄水運用，流量變化變異系數(shù)可以達到0.20 ～0.40。由于山區(qū)河道來水變化快，流量變化非恒定性強，而水位受槽蓄及下游支流頂托影響較大，流量的變異系數(shù)大于水位的變異系數(shù)，流量變化的非恒定強度較大，特別是2012年10月10日向家壩水電站蓄水運用后，流量變異系數(shù)明顯增大。

3.3 含沙量變化非恒定特性向家壩水文站1956—2016年多年平均含沙量為1.57 kg/m3（2011年以前的含沙量資料用屏山水文站資料代替計算），向家壩水文站2009—2016年標準化日平均含沙量變化過程見圖5（a）。由圖可知，不同年份非汛期含沙量變化不大，汛期洪水含沙量變化劇烈，含沙量變化非恒定性強， 2012年10月10日向家壩水電站蓄水運用后，由于水庫攔沙，出庫含沙量非常小。

圖5 向家壩水文站2009—2016年標準化日平均含沙量及其變異系數(shù)變化過程

向家壩水文站2009—2016年日平均含沙量變異系數(shù)變化過程見圖5（b）。由圖可知，變異系數(shù)可以清楚反映含沙量非恒定性變化強度。向家壩水電站運用前，含沙量變化非恒定性變化強度大，含沙量變化變異系數(shù)可以達到0.80 ～1.70，水位、流量和含沙量的變異系數(shù)比較，由于水流挾沙力是水流流速（或流量）的高次方關系，含沙量變化非恒定性變化強度最大，因此含沙量的變異系數(shù)表現(xiàn)為最大。2012年10月10日向家壩水電站運用后，雖然出庫含沙量顯著減小，但含沙量變異系數(shù)最大可以達到約1.0，含沙量變化仍然表現(xiàn)非恒定性。

4 水沙過程非恒定變化對通航條件的影響

本文主要對比分析水位、流量和含沙量非恒定變化，根據(jù)向家壩水文站標準化水位、流量、含沙量及其變異系數(shù)的年特征值變化，分析向家壩樞紐壩下水沙非恒定變化對通航條件的影響。

向家壩水文站2009—2016年標準化水位、流量和含沙量年平均值變化過程見圖6（a）。由圖可知，2012年向家壩水電站運用后，2013—2016年出庫含沙量非常小，標準化年平均含沙量幾乎為0，出庫含沙量減小對山區(qū)河道深水航槽的沖刷影響不大，但對落淤型淺灘的穩(wěn)定有影響。2009—2016年的標準化年平均水位和流量約為1.0 左右，年平均水位和流量變化不大，說明向家壩樞紐壩下山區(qū)河道的通航條件總體上是穩(wěn)定的。

圖6 向家壩水文站2009—2016年標準化水位、流量和含沙量年特征值變化

向家壩水文站2009—2016年標準化水位、流量和含沙量年最大值變化過程見圖6（b）。由圖可知，2012年向家壩水電站運用后，出庫年最大含沙量明顯減小，標準化年最大含沙量由5.31 減小為0.03，年最高水位和最大流量也有所減小，2009—2016年的標準化水位年最大值由2.10 減小為1.78，標準化水位年最大值減小15 %；2009—2016年的標準化流量年最大值由3.78 減小為2.82，標準化流量年最大值減小25 %，向家壩樞紐運用后削減洪峰流量和水位對壩下河道的通航條件是有利的。

向家壩水文站2009—2016年標準化水位、流量和含沙量年最小值變化過程見圖6（c）。由圖可知，2012年向家壩水電站運用后，出庫年最小含沙量減小，標準化年最小含沙量由0.12 減小為0，但年最低水位和最小流量有所增大，2009—2016年的標準化水位年最小值由0.59 增大為0.69，標準化水位年最小值增大17 %；2009—2016年的標準化流量年最小值由0.32 增大為0.39，標準化流量年最小值增大22 %，向家壩樞紐運用后增大枯水流量和水位對壩下河道的通航條件是有利的。

向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年平均值變化過程見圖7（a）。由圖可知，2012年向家壩水電站運用后，出庫含沙量的變異系數(shù)減小，2009—2016年含沙量的變異系數(shù)年平均值由0.075 減小為0.037，但水位和流量的變異系數(shù)有所增大，2009—2016年水位的變異系數(shù)年平均值由0.014 增大為0.019，水位的變異系數(shù)年平均值增大36 %；2009—2016年流量的變異系數(shù)年平均值由0.025 增大為0.037，流量的變異系數(shù)年平均值增大48 %，說明向家壩水電站日調節(jié)增大流量和水位的非恒定性對壩下河道的通航條件是有一定不利影響的。

向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年最大值變化過程見圖7（b）。由圖可知，2012年向家壩水電站運用后，出庫含沙量的年最大變異系數(shù)減小，2009—2016年含沙量的變異系數(shù)年最大值由1.67 減小為0.45，但水位和流量的年最大變異系數(shù)有所增大，2009—2016年水位的變異系數(shù)年最大值由0.09 增大為0.11，水位的變異系數(shù)年最大值增大22 %；2009—2016年流量的變異系數(shù)年最大值由0.12 增大為0.22，流量的變異系數(shù)年最大值增大83 %，說明向家壩水電站日調節(jié)和水庫蓄水及泄洪增大流量和水位的非恒定性，對壩下河道的通航條件有一定不利影響。

圖7 向家壩水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的變異系數(shù)年特征值變化

5 結論

本文提出了水沙過程非恒定變化分析方法，分析了向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性及其對通航條件的影響，得到如下結論：

（1）提出了水沙過程非恒定特性分析方法。為了統(tǒng)一對比水沙變化過程，采用標準化的水位、流量和含沙量相對值統(tǒng)計序列，以時段滑動計算水沙過程非恒定變化的特征值，統(tǒng)計水沙過程的均值、均方差和變異系數(shù)等非恒定特征值。

（2）分析了向家壩樞紐壩下水位、流量和含沙量非恒定變化特性。不同年份非汛期水沙變化不大，汛期水沙變化迅速，變異系數(shù)可以清楚反映水沙過程變化非恒定性強度。向家壩樞紐運用后壩下水沙過程變化的非恒定強度較大，水位變化變異系數(shù)可以達到0.10 ～0.12，流量變化變異系數(shù)可以達到0.20 ～0.40，雖然出庫含沙量顯著減小，但含沙量變異系數(shù)最大可以達到約1.0。

（3）分析了向家壩樞紐壩下水沙過程非恒定變化對通航條件的影響。向家壩水文站標準化年平均水位和流量約為1.0 左右，向家壩樞紐壩下山區(qū)河道的通航條件總體上是穩(wěn)定的，樞紐運用削減洪峰和增大枯水流量，削峰補枯可以增大枯水航深，有利于改善壩下河道的通航條件。但水電站日調節(jié)和水庫蓄水，以及泄洪增大流量和水位的非恒定性，對壩下河道的通航條件有一定不利影響。