三峡水库入库洪水与坝址洪水关系研究

舒卫民,李秋平,鲍正风,张雅琦

(1.中国长江三峡集团公司,湖北宜昌443133；2.长江三峡水文水资源勘测局,湖北宜昌443002)

0 引 言

三峡工程位于长江上游与中游交界处,控制流域面积约100万km2,约占全流域面积的56%。

其坝址代表站为宜昌站,干流寸滩站、支流乌江武隆站是三峡水库入库代表站。干流寸滩站、支流乌江武隆站以下至宜昌称为三峡区间[1-2],长约658 km,区间集水面积为5.59 km2,约占宜昌以上流域面积的5.6%。

三峡水库于2010年蓄水至正常蓄水位175 m后,库区的水文水力学特性发生了较大的改变,天然状态下的产汇流规律也发生了变化。特别是,洪水传播时间,从寸滩到坝址传播时间由天然状态下的约36 h,变为蓄水后的约6 h。水文情势的变化主要表现在[3]：①库区水位抬高、水面扩大,蒸发量增大,降雨期水面直接径流增大,库区汇流加快；②水位抬高后,水深大幅增大,库区内洪水传播由原先的动力波转为以惯性波为主,洪水传播时间缩短；③三峡水库蓄水后,回水长度超过600 km,但平均库宽仅1 km多,为典型的河道型水库,库区内水面比降较大,动库容影响明显(如2010年7月洪水期间,库区清溪场至坝前水面最大比降达14 m多,动库容量为53亿m3左右)；④三峡水库库区范围大,由于来水组成的不同可能造成每场洪水特性不同,洪水演进变化很大,其对水库坝前水位的影响时间和程度都有较大差异。

三峡坝址洪水、入库洪水过程是三峡水库及长江中下游防洪调度的基础技术数据。因此,分析三峡水库入库洪水与坝址洪水关系,既能够为三峡水库防洪兴利调度提供科学依据；又在理论方法和实际应用上对提高三峡水库科学调度和管理水平、充分发挥三峡水库的综合利用效益具有重要的意义。

1 入库洪水与坝址洪水

入库洪水是指建库后通过水库周边及库面降雨同时进入水库的流量过程。主要由三部分组成：水库形成后由水库回水末端附近干支流水文站或某计算断面以上流域产生的洪水；干支流各水文站以下到水库周边区间流域面积上产生的洪水；以及降水直接形成的库面洪水。实际上,入库洪水是以分散的形式进入水库的。但根据资料条件和调洪要求,入库洪水有集中和分区两种形式。传统的水文学调洪演算时,将水库作为一个整体,要求输入一个总的入库洪水过程,即所谓的集中入库洪水。

近年来,随着计算技术和调洪方法的发展,可采用非恒定流数值计算方法进行调洪演算,要求给出各分区入库洪水过程,即为分区入库洪水。集中入库洪水和分区入库洪水两者相辅相成。推求出各分区洪水过程与干支流入库点洪水,即组成了水库的分区入库洪水；经同时流量叠加,即为集中入库洪水。坝址洪水是指通过水库坝址断面的流量过程。

由于水库建成以后,原库区天然河道的河道汇流转变为水库入流,入库洪水与坝址洪水存在差别[4](见图1),主要差异有：

(1)入库洪水是在水库周边汇入,坝址洪水是在坝址断面的出流,两者的流域调节程度不同。建库后,回水末端到坝址处的河道被回水淹没成为库区,原河槽调蓄能力丧失,再加上干支流和区间陆面洪水常易于遭遇,使得入库洪水的洪峰增高,峰形更尖瘦。

图1 入库洪水、坝址洪水比较

(2)库区产流条件改变,使得入库洪水的洪量增大。水库建成后,上游干支流和区间陆面流域面积的产流条件相同；而水库回水淹没区(库面)由原来的陆面变为水面,产流条件相应发生了改变。在洪水期间库面由陆地产流变为水库水面直接承纳降水,由原来的陆面蒸发损失变为水面蒸发损失；但一般情况下,洪水期间库面的蒸发损失不大,可以忽略不计。因此,库区水面产流比陆面产流大,同样的降水量建库后入库洪量比建库前洪量大。

(3)流域汇流时间缩短,入库洪峰流量出现时间提前,涨水段的洪量增大。建库前,流域汇流时间为坡面和河道(至坝址断面处)的汇流时间。建库后,洪水由干支流的回水末端和周边入库,因而流域总的汇流时间缩短,入库洪峰流量出现的时间相应提前。库面降雨的洪量一般集中于涨水段。因此,入库洪水涨水段的洪量占一次洪水总量的比重,一般较建库前的坝址洪水增大。此外,由于流域汇流时间缩短,也造成了前述的干支流与区间陆面洪水常易于遭遇。

2 入库洪水与坝址洪水的关系

2.1 峰现时间关系

为探讨入库洪水和坝址洪水峰现时间的关系,本文用Δt表示入库洪水较坝址洪水的峰现时间提前量。即

Δt=t坝-t入

(1)

式中,t坝、t入分别为坝址洪水、入库洪水的峰现时间。三峡水库1960年～2014年入库洪水与坝址洪水峰现时间统计结果见图2和表 1。

图2 三峡入库洪水与坝址洪水峰现时间提前天数

由图2可以看出,三峡水库入库洪水洪峰出现时间均不晚于坝址洪水峰现时间,峰现时间最早提前4 d,最迟与坝址洪水峰现时间在同一天。

统计分析1960年～2014年入库洪水与坝址洪水峰现时间提前量Δt,分析结果见表1。

表1 三峡水库1960年～2014年入库与坝址洪水峰现时间提前天数统计

由表1可以看出,55年中有32年峰现时间均提前2 d,占总年数的58%；其次有17年峰现时间提前1 d,占总年数的31%。总体来说,三峡水库入库洪水峰现时间较坝址洪水峰现时间多年平均提前1.8 d左右。

2.2 洪峰流量关系

一般经验表明,入库洪水与坝址洪水洪峰流量之间的关系可用简单的线性关系加以描述[5]。即

Q入=αQ坝

(2)

式中,Q坝、Q入分别为坝址洪水、入库洪水的洪峰流量。

根据三峡水库1960年～2014年入库洪水与坝址洪水年最大日流量统计结果(见图3和表2)可以看出,入库洪水与坝址洪水年最大日洪峰的倍比均大于1,其中最大值为1.32,最小值为1.01。分别统计建库前、建库后和1960年～2014年系列洪峰倍比的均值,均为1.14,说明入库与坝址洪水的洪峰倍比关系不存在突变,建库前后系列一致性较好。

表4 三峡水库入库与坝址洪水年最大3 d、7 d 、15 d洪量比较 亿m3

图3 三峡水库入库洪水与坝址洪水年最大洪峰流量过程

统计1960年～2014年入库与坝址洪水年最大日平均流量倍比值α,分析结果(见表3)显示,55年中有11年α>1.2,有12年1.15≤α<1.2,有16年1.1≤α<1.15,剩下17年α<1.1,倍比分布较为均匀。

表2 三峡水库入库与坝址洪水年最大洪峰流量比较 m3/s

表3 三峡水库1960年～2014年入库与坝址洪水年最大洪峰流量倍比统计

2.3 时段洪量关系

一般经验表明,入库洪水与坝址洪水洪量之间的关系可用简单的线性关系加以描述[6]。即

W入=αW坝

(3)

式中,W坝、W入分别为坝址洪水、入库洪水的相应时段洪量。

本次采用数理统计方法,根据三峡水库1960年～2014年入库洪水与坝址洪水年最大时段洪量,分别分析入库洪水与坝址洪水的3、7 d和15 d的洪量关系。

(1)年最大3 d洪量关系。根据三峡水库1960年～2014年入库洪水与坝址洪水年最大3 d洪量统计结果(见表4),可以看出入库洪水与坝址洪水年最大3 d洪量的倍比均大于1,但较洪峰倍比小,最大值为1.22,最小值为1.00。分别统计建库前、建库后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值约为1.10。统计1960年～2014年入库与坝址洪水年最大 3 d洪量倍比值α,分析结果(表5)显示,倍比主要集中在1.05～1.15之间,55年中共有21年1.05≤α<1.10,有14年1.10≤α<1.15,剩下分别有10年α>1.15,10年α<1.05。

表5 三峡水库1960年～2014年入库与坝址洪水年最大3 d洪量倍比统计

(2)年最大7 d洪量关系。从三峡水库1954年、1960年～2014年入库洪水与坝址洪水年最大7 d洪量统计结果(见表4)可以看出,入库洪水与坝址洪水年最大7 d洪量的倍比值在1.00～1.08之间,建库前、建库后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均为1.03,较年最大3 d洪量倍比有所减小,说明随着统计时段的延长,入库洪量与坝址洪量逐渐接近。

(3)年最大15 d洪量关系。根据三峡水库1954年、1960年～2014年入库洪水与坝址洪水年最大15 d 洪量统计结果(见表4),可以看出入库洪水与坝址洪水年最大15 d洪量的倍比值在1.00～1.03之间,建库前、建库后和1960年～2014年系列洪量倍比的均值均仅为1.01,入库洪量逐步接近于坝址洪量。

表6 三峡水库1960年～2014年入库与坝址年最大洪水特征值

2.4 分析结果

本节分析了三峡水库1960年～2014年长系列入库洪水和坝址洪水统计特征值的关系,主要结论如下：①入库洪水较坝址洪水的年最大洪水峰现时间多年平均约提前2 d(最长4 d,最短为0)。②入库洪水与坝址洪水年最大洪峰流量倍比α为1.01～1.32,多年均值为1.14。③入库洪水与坝址洪水年最大3 d洪量、7 d洪量、15 d洪量倍比α分别约为1.10、1.03和1.01。

因入库洪水与坝址洪水的年最大15 d洪量基本一致,符合水量平衡原理；因此,本次入库洪水年最大15 d洪量直接采用坝址洪水年最大15 d洪量成果,不再对其插补。

根据以上统计关系将入库洪水与坝址洪水比较,入库洪水具有以下特点：

(1)洪峰增高。入库洪峰流量比坝址洪峰流量增高,1981年、1982年洪水,洪峰明显增高,流量增大20%以上。

(2)洪峰出现时间提前。入库最大流量比坝址洪峰流量提前出现,一般约为2 d左右,但各年水情不同,提前时间稍有差别。1981年洪峰提前 48 h,因为这年洪水主要来自寸滩以上。

(3)洪量集中。根据水文资料计算,长江干流寸滩至宜昌区间河槽槽蓄量较大。如,1981年洪水最大槽蓄量达102.1亿m3；1982年为58.5亿m3。当三峡水库建成后,在库区回水范围内,天然河道被淹没,原有的河槽调蓄作用消失。因此,入库洪水比坝址洪水底宽缩短,洪水量更加集中。

3 入库洪水与坝址洪水相关分析

为进一步挖掘三峡入库洪水与坝址洪水的深层次关系,本文采用线性回归方法从洪峰、3d洪量以及7 d洪量3个方面展开研究。

根据三峡水库1960年～2014年入库洪水与坝址洪水洪峰、洪量统计值比较统计结果(表2和表4),采用线性回归法分析入库洪水与坝址洪水关系,绘制1960年～2014年入库洪水和坝址洪水年最大洪峰和各最大时段洪量的相关关系散点图(见图4～图6)。从图4～图6中可以看出,各统计值均呈现一定的线性关系,年最大洪峰流量的相关系数及各时段洪量相关系数均达到0.9以上,说明入库洪水与坝址洪水各时段统计值整体具有一定的相关关系,且如表6所示,随着统计时段的增长,相关系数基本呈现增加趋势。但值得注意的是,随着洪水量级的增大,洪峰点据更加分散,相关关系的单一性减弱,入库与坝址洪峰相关关系的变化范围加大。从线性回归法分析的三峡水库入库洪水与坝址洪水的相关关系看以看出,最大洪峰、3 d洪量、7 d洪量的相关系数超过0.94,具有较好的相关关系。

图4 入库和坝址洪水年最大洪峰关系

图5 入库和坝址洪水年最大3 d洪量关系

图6 入库洪水和坝址洪水年最大7 d洪量相关关系

统计值Q日W3dW7d相关系数0.9470.9660.993

3 结 论

本文结合洪峰、洪量及峰现时间等3个方面分析了1960年～2014年三峡入库洪水与坝址洪水之间的关系,从分析结果可以看出,入库洪水较坝址洪水的年最大洪水峰现时间多年平均约提前2 d(最长4 d,最短为0)；入库洪水与坝址洪水年最大洪峰流量倍比α为1.01～1.32,多年均值为1.14。

采用线性回归法分析了三峡水库入库洪水与坝址洪水的相关关系,从图4～图6可以看出,各统计值均呈现一定的线性关系,年最大洪峰流量的相关系数及各时段洪量相关系数均达到0.94以上,说明入库洪水与坝址洪水各时段统计值具有较好的相关关系；且随着统计时段的增长,相关系数基本呈现增加趋势；而随着洪水量级的增大,洪峰点据更加分散,相关关系的单一性减弱,入库与坝址洪峰相关关系的变化范围加大。

[1] 王渺林, 侯保俭, 傅华. 未来气候变化对三峡入库径流影响分析[J]. 重庆交通大学学报： 自然科学版, 2012(1)： 107- 109．

[2] 舒卫民, 李秋平, 王汉涛, 等. 气候变化时及人类活动对三峡水库入库径流特性影响[J]. 水力发电, 2016, 42(11): 32- 36．

[3] 刘章君, 郭生练, 钟逸轩, 等. 基于Copula函数的入库洪水与坝址洪水关系研究[J]. 水文,2016, 36(5)： 1- 7．

[4] 陆玉忠, 陆宝宏, 陆桂华, 等. 柘林水库坝址洪水与入库洪水系列分析[J]. 河海大学学报： 自然科学版, 2011, 39(1)： 14- 19．

[5] 李记泽, 叶守泽, 夏军. 入库洪水与坝址洪水关系初探[J]. 水文, 1992, 36(3)： 32- 36．

[6] 孔凡哲, 韩继伟, 赵磊. 一种基于DEM的入库洪水及坝址洪水计算方法[J]. 水电能源科学, 2012, 30(3): 52- 57．