三峡工程蓄水后宜昌站水流特性变化及测验措施

伍 勇，柳 鑫 ，龙 飞，任 伟

(1.长江水利委员会 长江三峡水文水资源勘测局, 湖北 宜昌 443000；2.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

三峡工程蓄水后宜昌站水流特性变化及测验措施

伍 勇1，柳 鑫2，龙 飞1，任 伟1

(1.长江水利委员会 长江三峡水文水资源勘测局, 湖北 宜昌 443000；2.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

为了探究三峡工程蓄水后水文站水流特性，以宜昌站为例，利用蓄水后多年实测资料，分析宜昌站水位特性和洪水特性。结果表明：水位波动性增强，同流量级下水位降低，历年最高水位下降、最低水位抬高，中低水位持续时间增长；中低水位流量呈现日周期变化，年最小流量有增大趋势，并逐渐稳定在6 000 m3/s左右，年最大流量因三峡水库调蓄得到控制，峰顶持续时间变长，年内水量变化为枯期增加、汛期减少，中低水位-流量关系呈多条单一线变化趋势。因此，根据现有水流特性变化，需调整水位和流量资料收集方式，以满足整编需要。

三峡工程；蓄水；宜昌站；水流特性；测验措施

1 研究背景

长江三峡水利枢纽是综合治理和开发长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。三峡水库属于年调节水库，正常蓄水位175 m(吴淞高程，下同)，汛期防洪限制水位145 m，枯水期消落水位155 m。2010年10月26日三峡工程首次成功蓄水至175 m水位，标志着三峡工程的防洪、发电、通航、补水等综合效益开始全面发挥。

宜昌水文站位于三峡工程下游44 km处，测验河段长约3 km，尚顺直。右岸为山区与平原过渡地段，左岸为宜昌市城区，河段两岸较为稳定，多年来河势无大的变化。三峡工程蓄水后改变了下泄水沙时空变化和水沙行进规律，原有水文因子关系发生一定改变。

2 水位特性分析

2.1 水位随时间的波动变化

宜昌站水位主要受上游三峡和葛洲坝2个水利枢纽联合调度和天然洪水传播综合影响，2003年6月1日三峡大坝蓄水后，水利工程调度影响增强，低枯水位每天沿某一均值上下锯齿状波动，最高值一般出现在19:00—22:00之间，最低值出现在次日7:00—9:00之间，波动周期为14 h左右，波动范围为0.5 m左右；中水位日波动范围一般<1.0 m，水位涨落急剧时，其波动特征因影响因素相互作用变得不明显；高水位波动在水位变化幅度较小时表现相对突出，洪峰附近的水位波动完全受水利工程调度影响，范围时大时小，与正常情况下的波动特征略有差别。水位过程线如图1所示。

图1 宜昌站逐时水位过程线Fig.1 Time-history curves of water level at Yichang station

2.2 瞬时水位采集精度分析

三峡工程蓄水后，2005年宜昌站对自记水位进行了精度试验和差异性研究，实测数据(详见表1)表明：①去掉船波浪影响，<0.03 m的水位保证率为100%，说明水位观测成果质量有充分的保证[1]；②波浪越大，水位采集差值越大，瞬时水位与时段平均水位差异最大可达2 cm，但过船波浪造成的观测差异最大达到4 cm；③涨落水期间，整点均值水位与各瞬时采集值的误差大小主要与涨落率有关，涨落率越大误差越大，但误差均在允许范围内；④三峡工程开始调度后，水位突变对精度影响不大，其精度代表性符合要求。

表1 瞬时水位采集误差统计Table 1 Statistics of the collection error of instantaneous water level

图4 宜昌站枯水水位-流量关系Fig.4 Relationship between discharge and water level in low flow period at Yichang station

2.3 时间系列的水位特征分析

宜昌站近10多年水位随时间变化的主要规律有：

(1) 2009年以后汛前1—5月份平均水位缓慢抬高，汛期6—10月份平均水位趋于下降，11—12月份平均水位变化不明显(如图2所示)。

图2 三峡工程蓄水前后典型年月平均水位过程比较Fig.2 Comparison of monthly mean water level in typical year before and after reservoir impoundment of Three Gorges project

(2) 年最低水位从2003年开始有逐渐抬高趋势，但年变化幅度<0.15 m。

(3) 年平均水位变化不明显。

(4) 三峡水库运行前，多年水位最大变幅为17.08 m，而蓄水后水位最大变幅为15.91 m，说明年水位变幅因上游水利枢纽综合调度进一步缩小，见图3。

图3 三峡工程蓄水后月年特征水位过程Fig.3 Process of annual and monthly characteristic water level after reservoir impoundment of Three Gorges project

2009年以后<90 d的各级保证率水位有减小趋势，而>270 d的各级保证率水位有增大趋势，显示了三峡水利枢纽的调节作用，可保证满足汛期发电和枯期长江中下游航运需要。

3 洪水特性变化分析

三峡工程蓄水前，宜昌站Z-Q(水位-流量)关系在中、高水位期间因洪水涨落、断面冲淤影响使其呈逆时针绳套曲线变化，当出现下游清江支流来水顶托和上游水利工程调度影响时，关系又呈临时曲线变化[2]，而多年来低水水位-流量关系为多条单一曲线。

3.1 低水位水流关系变化

2003—2014年，年最小流量逐年增大，流量增幅达49%，年平均流量变化较小，年际间枯水位、小流量变化不稳定，主要表现在上游来水夹带泥沙减少，河床冲淤进一步减弱，工程调度使得年内水量分配发生变化，日最小流量从<4 000 m3/s逐渐增加到6 000 m3/s，满足了枯季电站发电和长江中下游生态流量的最低需求。此外，自2008年开始，随着工程调度的增强，低水位流量逐步延长到11月份—次年5月份之间，使得低水位水量在全年的时间分配上越来越长。

如图4所示，宜昌站Z-Q关系显示，1981—2014年同水位级下关系曲线右移，即同流量级下关系曲线下移，2003年以后关系曲线右移趋势进一步加强，呈现出汛前与汛后独立的单一线。

3.2 中水位水流关系变化

3.2.1 一般规律

水位呈日周期性变化，每日因电站发电影响导致宜昌断面上午8：00以后流量逐渐增大，夜晚流量减少，日流量变幅为2 000～3 000 m3/s；若汛前流量出现突变，一般是白天流量减少、夜晚流量增大，但出现时间较短，反映在Z-Q关系上为临时曲线或绳套曲线，在图形处理中，从起涨至峰腰可以与其他时段合并为综合曲线，到了峰前又形成绳套头部，峰顶附近时间停留较短，退水曲线一般为合并线，也有独立曲线，在正常情况下，随着大坝蓄水的变化，其影响因素使得下泄水流趋于缓和，反映在Z-Q关系上是绳套曲线中部带幅变窄。

3.2.2 水流突变情况

中水位时期，受水利工程调度影响，开闸时流量迅速增大，关闸时流量立刻减少，一般流量突变时水位变幅2.50 m左右，变化范围为43～46 m(吴淞基面)，特殊情况可以达到4.00 m，时间变化为1～3 d。

反映在Z-Q关系曲线上多为临时曲线。近几年受闸门调度影响引起水流突变，葛洲坝下游测验河段水流处于非恒定流状态，附加比降增大，同时由于河道传播距离较短，非恒定流沿程坦化没有完成，同水位级下的原有流量因不连续波的作用而叠加，从而使得开闸后的流量突然增大[3]，关系曲线脱离原有的曲线群，分布在右边，形成一条独立的不规则曲线，而关闸后，该曲线又逐渐回到原来的曲线群中，如图5所示。

3.3 高水位水流关系变化

三峡工程蓄水后，长江天然洪峰过大坝时已被削弱。中水位洪峰一般对三峡蓄水滞峰作用影响不大，靠河槽本身调蓄自然下泄，而高水位洪峰一般在峰顶附近持续时间相对较长，洪峰阶段水位呈现0.5～1.0 m的波动，其原因是三峡工程调度增强，受水库蓄水和滞峰作用，一旦洪峰开始消退，水位下降非常迅速，且幅度很大。

如图6所示，高水位期间，一般涨水曲线和退水曲线上部都相对独立，到曲线中下部又与其他曲线合并，近几年随着三峡水库科学调度和葛洲坝下游河势变化，高水位Z-Q关系逐渐趋于单一曲线。

3.4 断面流速变化

宜昌站近几年垂线流速横向分布有一定变化，即低水位流速沿断面横向变化梯度与中高水位时有所区别，变化渐进，高水位在垂线310 m,430～700 m间变化幅度较大，造成中高水期的中泓流速梯度变化小，近岸则较大，与低水变化正好相反，如图7所示。

图7 断面垂线流速横向变化Fig.7 Transverse variation of vertical velocity at the section

三峡工程蓄水前后沿垂向流速变化不明显，水面至相对水深0.8处测点流速变化较为均匀，相对水深为0.8～1.0时，测点流速变化较大，特别是中泓底层流速变化较大，其幅度达到40%左右，水位越高，流速减少幅度越大，垂线底部流速逐渐靠拢至相对小的范围，如图8所示。

图8 断面垂向流速分布Fig.8 Distribution of vertical velocity at the section

3.5 水量随时间变化趋势

2003年以前，宜昌站最大流量多出现在汛期6—9月份，最小流量出现在12—次年2月份，汛期5—10月份水量占总量的76.9%,其他月份约占23.1%，年内水量分配季节性明显。三峡工程蓄水后，汛期5—10月份占75.0%，其他月份占25.0%，年内水量分配略有变化，即汛前各月水量增加近0.5%。从多年水量分布情况看，2003—2007年为常规年份的水量，2008—2014年因受三峡水库和葛洲坝电站调洪影响，最大1 d水量很小，反映为库区调节，7 d以上水量基本上能反映出天然洪量的变化情况。

统计成果表明，最大1,3,7,15,30,60 d多年平均洪量占全年水量分别约为1.0%，2.9%，6.1%，11.5%，20.5%，35.5%。与2003年前各时段洪量比较，时段日数减少，水量变化幅度增加。见表2。

表2 三峡工程蓄水前后径流各月平均值统计Table 2 Statistics of average runoff of each month before and after impoundment of Three Gorges reservoir

4 水文测验措施

4.1 水位监测

根据三峡水库蓄水后实测资料[4-5]及水流变化规律，水位监测措施有:

(1) 加强仪器检查与校正，减小甚至消除自记仪器采集水位数据的波动性误差。

(2) 高水期波浪较大时应做水面静水处理，消除瞬时水位数据采集误差。

(3) 做水位平滑处理，充分考虑水位实际变化，减少水位锯齿形态，对水位特征值处理，采用上包线靠近最高水位、下包线靠近最低水位的处理方式[6]。

(4) 在满足整汇编条件下，洪水摘录时段不应过多。

4.2 流量测验

考虑水工程综合调度影响，应适当调整流量测验和整编方法：

(1) 低水位水位-流量关系变化具有持续性，汛前和汛后流量测次要分别布置，且测次间隔要均匀，注意时机把握，避免同水位级流量测次多次出现；中水位流量突变时，若水位变化在1.5 m左右且水量变化不大时，按综合单一线布置测次；当水流突变幅度较大时，按临时曲线法布置流量(ADCP单次流量相差2%以内，采用一测回平均值作为测次流量[3]，提高流量测验精度，其中ADCP为声学多变勒流速剖面仪)；高水位期间若存在工程调度影响，起涨开始、涨水面、退水开始一定要及时布置测次，要严密监测峰顶水位变化，峰顶附近流量测次要少，退水曲线尽量合并处理。

(2) 当年出现大洪水后，应及时监测断面变化[7]。

(3) 加强水平式ADCP流量在线监测，通过流量过程测验，准确掌握水量变化。

(4) 上下游水量平衡检查时，若月份平均水量误差较大，应分析测次代表性，按时段洪水特性调试水位-流量关系曲线，降低水量平衡误差。

5 结 语

通过三峡工程蓄水后实测资料分析，得出以下认识：

(1) 2003年以后宜昌站水位波动性增强，中、低水位时尤为突出；随着清水下泄，宜昌站同流量级水位进一步降低，而历年最低水位出现逐年抬高趋势，年变化在0～0.15 m之间，中低水位时间增长，高水位时间变短。

(2) 电站调峰期间，中低水位流量呈日周期变化，8:00左右最小，21:00左右最大，年最小流量有增大趋势并逐渐稳定在6 000 m3/s左右；年最大流量因三峡水库调蓄，持续时间增长；年内水量变化为枯期增加、汛期减少；中低水位时水位-流量关系呈多条单一线，高水位时曲线退水变化快，易形成综合退水线，突变水流易形成临时曲线。

(3) 加强水位自记仪检查，做好高水位防波处理，注意水位特征值和过程线的合理性；中、低水位的流量测次应合理分布，高水位退水面测次优化，开展在线流量监测，保证各月水量上下游平衡。

[1] GB/T 50138—2010,水位观测标准[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2] SL 247—2012,水文资料整编规范[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[3] GB 50179—93,河流流量测验规范[S].北京：中国水利水电出版社，1994.

[4] 罗全胜，曹明伟，谢 龙. 三峡大坝175 m蓄水运行后猪儿碛河段水动力条件变化分析[J].长江科学院院报,2015,32(5):1-5.

[5] 郭继明,陈子湘.三峡水库变动回水区铜锣峡河段演变研究[J].长江科学院院报,1998,15(3):1-5.

[6] SL 460—2009,水文年鉴汇编刊印规范[S].北京：中国水利水电出版社，2010.

[7] 严顺义.水文测验学[M].北京：中国水利水电出版社，1984.

(编辑：占学军)

Variation and Test Measures of Flow Characteristics atYichang Station after Impoundment of Three Gorges Project

WU Yong1,LIU Xin2,LONG Fei1, REN Wei1

(1.Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey, Changjiang Water Resources Commission,Yichang 443000, China;2.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to explore the flow characteristics of hydrological stations after reservoir impoundment of Three Gorges project, we took Yichang station as an example and analyzed the characteristics of water level and flood according to measured data from 2003 to 2014.Results showed that water level fluctuation intensified and water level decreased under the same discharge, the highest annual water level declined and the lowest water level raised. The duration of mid-low water level increased and its discharge varied in daily scale; Moreover, annual minimum discharge tended to increase and gradually kept stable at 6 000 m3/s. Since annual maximum discharge was under the control of regulation and impoundment of Three Gorges reservoir, the duration of flood peak lasted longer and annual discharge varied with longer low flow period and shorter flood period. Relationship between mid-low water level and discharge showed a tendency of many single lines. Therefore, according to current characteristics of water flow, we should adjust the methods of collecting water level and discharge data to meet the need of compilation.

Three Gorges project; impoundment; Yichang station; flow characteristics; test measures

2016-02-17；

2016-04-08

伍 勇(1967-)，男，湖北长阳人，高级工程师，主要从事水文测验和整编技术及分析工作，(电话) 13872570801(电子信箱)252743766@qq.com。

柳 鑫(1990-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事水文测验和整编技术及分析，(电话)15272128235(电子信箱)565299779@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160122

2017,34(5):22-26

TV147

A

1001-5485(2017)05-0022-05