三峡库区回水变动区水位流量关系分析

    郭义浩

    

    

    

    摘 要：本文以寸滩水文站实测流量、水位和三峡坝前水位统计资料，分析了坝前水位对寸滩水文站影响的临界水位，采用分段流量法进行多项式拟合，获得三峡成库后寸滩水文站水位流量关系方程，与实测值检验表明，该方法精度较高，可推广应用于类似水文站。

    关键词：水位流量关系 绳套曲线 三峡水库 回水变动区

    水位流量关系曲线是用来描述测站处基本断面的水位与通过该断面的流量两者之间关系的曲线，水位流量关系是水电、防洪、航运等工程设计的基础数据。水库蓄水后，将改变河流原有的水文水力特性，进而改变整个系统的物质场和能量场，原来天然河流单一的水位流量关系曲线变成复杂的绳套型曲线，正确确定两者关系是一个难点，众多学者从水位流量关系变化的原因、水位关系曲线拟合、资料整编等方面进行了广泛的研究，取了一定的成果。

    2003年6月，三峡工程开始蓄水以来，经过了135m-139m、144m-156m调度运行阶段，于2008年9月底进入了175-145-155m实验性蓄水阶段，并与2010年10月26日首次蓄水至175m。受坝前水位变化影响，非汛期175m水位回水末端到达江津附近的红花碛，汛期145m水位回水末端位于长寿附近。长寿至江津段航道成为回水变动区，同时具有水库和天然航道的双重特性，水位流量关系复杂，给航道的日常维护管理以及航道整治带来了新的问题，急需确定三峡成库后新的水位流量关系。本文拟从寸滩水文站实测水位、流量及坝前水位资料出发，分析确定三峡库区回水变动区水位流量关系，用于指导工程实践。此方法可推广应于类似水文站。

    三峡坝前调度曲线

    三峡工程初步设计拟定的三峡水库正常调度方式为（图1）：汛期6～9月一般按防洪限制水位运行；10月初开始蓄水，至10月底蓄至正常水位；一般情况下，1～4月为水库消落期，库水位不低于枯水期消落低水位，5月底库水位消落至枯水期消落低水位，6月上旬末库水位降至防洪限制水位。与2011-2012年的实际坝前水位过程相比，原初步设计与实际调度方式差异较大。

    根据《三峡水库优化调度方案》和国家防总的批复以及考虑到2011年和2012年的实际调度曲线，确定选用防总2012批复方案。主要时间、水位节点见表1。

    寸滩水文站水位流量关系

    1、三峡成库前寸滩水位流量关系

    三峡工程2008年蓄水后才对寸滩水位流量关系产生影响，所以选用1985～2007年的实测水位、流量资料以及1955～2007年的大流量资料，绘制了成库前寸滩水位～流量关系曲线（图2）。为了方便计算和使用，采用6次多项式分段拟合如下：

    QT<10000m3/s：

    ■（1）

    QT=10000～60000m3/s：

    ■ （2）

    Q>60000m3/s：

    ■ （3）

    2、三峡坝前对寸滩水位流量关系产生影响的临界水位

    首先定义：寸滩水位库后壅高■（ZT3为三峡成库后某流量的寸滩站水位，ZT0为三峡成库前同流量的寸滩站水位，由上式计算而得）。图3是根据2008.1.1至2012.5.31实测的寸滩站日均水位、三峡坝前水位以及计算的■绘制而得。

    从图3明显可以看出，当坝前水位ZT3<156m时，■集中在0m附近。这说明坝前水位ZT3<156m时，坝前蓄水对寸滩站水位～流量关系基本无影响。因此可认为坝前水位Z3=156m为三峡蓄水对寸滩水位～流量有无影响的临界水位（寸滩历年最低水位为158.21m，2008年后最小流量2270m3/s对应的天然水位约158.72m），当ZT3<156m时，寸滩水位～流量关系仍保持为成库前的天然状态。根据2008.6.1～ 2012.5.31三年资料统计，坝前水位低于155m、156m、157m、158m的分别占34.8%、38.01%、40.43%、42.23%；坝前水位低于同流量下寸滩天然水位的占51.07%。

    3、三峡成库后寸滩水位流量关系

    前面已分析，当坝前水位ZT3<156m时，寸滩水位流量关系仍可采用天然情况的关系，一般5月1日～9月15日属于此范畴。但当ZT3>156m后，关系成绳套形式（图3），难以直接表达。通过分析，可采用图4的分流量段进行拟合查取。

    为了方便计算使用，再设■=坝前水位ZT3-同流量的寸滩天然水位ZT0，■=成库后寸滩水位ZT3-坝前水位Z3，建立如下多项式：

    QT≤5000m3/s、■≥-4m：

    ■ （4）

    QT=10000～15000m3/s、■=-10～12m：

    ■（5）

    QT=15000～20000m3/s、■=-10～9m：

    ■

    QT>20000m3/s、■<0m：

    ■（7）

    QT=5000～10000m3/s：按式（4）和（5）计算后根据流量直线内插。

    4、拟合成果检验

    根据式（1）～（7）计算的水位与寸滩实测水位比较（图5），可以看出二者符合较好。

    结语

    水位流量关系是水电、防洪、航运等工程设计的基础数据。三峡正常蓄水后，长寿至江津段航道成为回水变动区，水位流量成绳套形，本文以寸滩水文站实测流量、水位和三峡坝前水位统计资料，分析了坝前水位对寸滩水文站影响的临界水位，采用分流量段法进行多项式拟合，获得寸滩水文站水位流量关系方程，与实测值检验表明，该方法精度较高，可推广应用于类似水文站。

    参考文献：

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    本文受长江重庆航道局自主科技项目——三峡库区回水变动区长寿-洛碛河段水沙特性数值模拟（合同号：201330302）研究资助。