金沙江梯级水库下游水沙过程非恒定变化及其对通航条件的影响

陈绪坚

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100048）

随着金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝等4 大梯级水库陆续建设和投入运用，特别是2012年10月10日向家坝水电站开始蓄水运用，溪洛渡水电站2013年5月初期蓄水运用，其拦沙作用使得出库沙量大幅度减少，水电站日调节和水库蓄水直接改变坝下游的水沙过程，并对坝下游河道的通航条件产生一定影响。金沙江下游属于典型的山区河流，其水沙过程具有明显的非恒定性，已有的研究成果侧重于金沙江下游年水沙量变化，但对水沙过程变化的研究较少。朱玲玲等［1］分析了金沙江下游年水沙量变化特征及其对水电站建设和运行的影响；许全喜等［2］研究认为水库拦沙是金沙江沙量变化控制性因素之一，且这种作用存在自上而下的累积效应；冯秀富等［3］研究认为金沙江下游是三峡水库沙量的主要来源之一，上游来沙量是决定水库泥沙淤积总量的控制性因素，是水库运行方式优化调度的基本前提条件。水沙过程的变化不仅影响水库建设和运行，对下游河道的防洪及通航条件也有重大影响，因此，研究金沙江梯级水库下游水沙过程非恒定变化有重要意义。本文提出水沙过程非恒定变化分析方法，分析向家坝枢纽坝下水位、流量和含沙量非恒定变化特性及其对通航条件的影响，为长江上游航道治理提供基础条件和技术支撑。

1 金沙江下游水沙变化概况

金沙江干流以石鼓和攀枝花为界，石鼓以上为金沙江上游，石鼓至攀枝花为金沙江中游，攀枝花至宜宾岷江口为金沙江下游。金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝等4 大梯级水库已陆续建设和投入运用，其中2012年10月10日向家坝水电站开始蓄水运用，溪洛渡水电站2013年5月初期蓄水运用。金沙江的泥沙主要是产生在下游区，并主要来自攀枝花、雅砻江汇口至屏山的干流区间。金沙江下游区多年平均输沙模数高达2710 t/（km2·a），其中干流河谷地区的输沙模数在3000 t/（km2·a）以上，是长江上游水土流失最严重的地区（图1）。

图1 金沙江下游输沙模数（单位： t/（km2·a））

金沙江下游干流控制站原为屏山水文站，位于向家坝水电站坝址上游28 km，观测至2011年，2012年因向家坝水电站蓄水，改为水位站。金沙江下游梯级水库出口总控制站现为向家坝水文站。向家坝水文站于2008年5月设立，上游2 km 为向家坝水电站。向家坝枢纽坝下水沙变化分析采用向家坝水文站资料，2011年以前的水沙资料用屏山水文站资料代替。

向家坝（屏山）水文控制站年水沙量变化过程见图2。受气候、流域下垫面条件变化，以及金沙江中下游梯级水电站陆续建成运行等影响，近年来金沙江下游水沙输移出现了一些新变化。向家坝（屏山）水文站不同时期年平均水沙量见表1，1998年金沙江最大支流雅砻江上的二滩电站蓄水运行以后，年径流量变化不大，但年输沙量则逐渐减少，2012年10月10日向家坝水电站蓄水运用后，出库沙量大幅度减少。2013—2016年平均输沙量约为1999—2012年的1 %。在梯级水库各级拦截作用下，今后相当长的时间内，金沙江下游沙量将保持较少的水平。

图2 向家坝（屏山）水文站年水沙量变化过程

表1 向家坝(屏山)水文站不同时期年平均水沙量

2 水沙过程非恒定变化分析方法

国内外关于水沙变化的分析方法较多，包括Mann-kendall 检验法［4-6］、极差分析法［7］、Spearman秩次相关检验法［8］、双累积曲线法［8］和BP 神经网络［9］等，这些方法通常用于分析水沙条件时序变化趋势，但这些方法不适合分析水沙过程非恒定变化，本文提出一种比较直观的变异系数分析方法。

通常水沙变化序列包括水位变化Z（t）、流量变化Q（t）和含沙量变化S（t），其中对于日平均值水沙变化过程，t 为日期。为了统一对比水沙变化过程，需要消除山区河流高海拔河床高程对水位变化统计的影响，构造标准化水位统计序列z（t）为：

式中：z（t）为标准化水位，无量纲；Z（t）为实测水位，m；Zc为平均河床高程或最低河床高程，m，由于通航问题重点是深水航槽，因此本文采用最低河床高程；Zcp为多年平均水位，m。

构造标准化流量统计序列q（t）为：

式中：q（t）为标准化流量，无量纲；Q（t）为实测流量，m3/s；Qcp为多年平均流量，m3/s。构造标准化含沙量统计序列s（t）为：

式中：s（t）为标准化含沙量，无量纲；S（t）为实测含沙量，kg/m3；Scp为多年平均含沙量，kg/m3。

标准化水位z（t）、流量q（t）和含沙量s（t）可以采用统一的统计序列x（t）表示，以时段τ滑动计算水沙过程非恒定变化的特征值，可以计算日、月和年不同时期的水沙过程非恒定变化特征值，计算特征值包括均值、均方差和变异系数等。

均值为：

均方差为：

变异系数为：

根据水文站的日平均水位、流量和含沙量过程，计算标准化水位、流量和含沙量及其变异系数，统计标准化水位、流量和含沙量及其变异系数的年平均值、年最大值和年最小值等特征值，从而分析水沙过程非恒定变化对通航条件的影响。

3 水沙过程非恒定变化特性分析

3.1 水位变化非恒定特性向家坝水文站于2008年5月设立，向家坝水文站2009—2016年多年平均水位为268.85 m（冻结基面），向家坝水文站2009—2016年标准化日平均水位变化过程见图3（a）。由图可知，不同年份非汛期水位变化不大，汛期洪水水位涨落迅速，水位变化非恒定性强，特别是2012年10月10日向家坝水电站开始蓄水运用，水位出现明显的非恒定变化。

向家坝水文站2009—2016年日平均水位变异系数变化过程见图3（b）。由图可知，变异系数可以清楚反映水位非恒定性变化强度，特别是春季涨水和向家坝水电站蓄水运用，水位变化变异系数可以达到0.10 ～0.12，水位变化的非恒定强度较大。特别是2012年10月10日向家坝水电站蓄水运用后，水位变异系数明显增大。

图3 向家坝水文站2009—2016年标准化日平均水位及其变异系数变化过程

3.2 流量变化非恒定特性向家坝水文站1956—2016年多年平均流量为4500 m3/s（2011年以前的流量资料用屏山水文站资料代替计算），向家坝水文站2009—2016年标准化日平均流量变化过程见图4（a）。由图可知，不同年份非汛期流量变化不大，汛期洪水流量变显著，流量变化非恒定性强，特别是2012年10月10日向家坝水电站开始蓄水运用，流量出现明显的非恒定变化。

图4 向家坝水文站2009—2016年标准化日平均流量及其变异系数变化过程

向家坝水文站2009—2016年日平均流量变异系数变化过程见图4（b）。由图可知，变异系数可以清楚反映流量非恒定性变化强度，特别是春季涨水和向家坝水电站蓄水运用，流量变化变异系数可以达到0.20 ～0.40。由于山区河道来水变化快，流量变化非恒定性强，而水位受槽蓄及下游支流顶托影响较大，流量的变异系数大于水位的变异系数，流量变化的非恒定强度较大，特别是2012年10月10日向家坝水电站蓄水运用后，流量变异系数明显增大。

3.3 含沙量变化非恒定特性向家坝水文站1956—2016年多年平均含沙量为1.57 kg/m3（2011年以前的含沙量资料用屏山水文站资料代替计算），向家坝水文站2009—2016年标准化日平均含沙量变化过程见图5（a）。由图可知，不同年份非汛期含沙量变化不大，汛期洪水含沙量变化剧烈，含沙量变化非恒定性强， 2012年10月10日向家坝水电站蓄水运用后，由于水库拦沙，出库含沙量非常小。

图5 向家坝水文站2009—2016年标准化日平均含沙量及其变异系数变化过程

向家坝水文站2009—2016年日平均含沙量变异系数变化过程见图5（b）。由图可知，变异系数可以清楚反映含沙量非恒定性变化强度。向家坝水电站运用前，含沙量变化非恒定性变化强度大，含沙量变化变异系数可以达到0.80 ～1.70，水位、流量和含沙量的变异系数比较，由于水流挟沙力是水流流速（或流量）的高次方关系，含沙量变化非恒定性变化强度最大，因此含沙量的变异系数表现为最大。2012年10月10日向家坝水电站运用后，虽然出库含沙量显著减小，但含沙量变异系数最大可以达到约1.0，含沙量变化仍然表现非恒定性。

4 水沙过程非恒定变化对通航条件的影响

本文主要对比分析水位、流量和含沙量非恒定变化，根据向家坝水文站标准化水位、流量、含沙量及其变异系数的年特征值变化，分析向家坝枢纽坝下水沙非恒定变化对通航条件的影响。

向家坝水文站2009—2016年标准化水位、流量和含沙量年平均值变化过程见图6（a）。由图可知，2012年向家坝水电站运用后，2013—2016年出库含沙量非常小，标准化年平均含沙量几乎为0，出库含沙量减小对山区河道深水航槽的冲刷影响不大，但对落淤型浅滩的稳定有影响。2009—2016年的标准化年平均水位和流量约为1.0 左右，年平均水位和流量变化不大，说明向家坝枢纽坝下山区河道的通航条件总体上是稳定的。

图6 向家坝水文站2009—2016年标准化水位、流量和含沙量年特征值变化

向家坝水文站2009—2016年标准化水位、流量和含沙量年最大值变化过程见图6（b）。由图可知，2012年向家坝水电站运用后，出库年最大含沙量明显减小，标准化年最大含沙量由5.31 减小为0.03，年最高水位和最大流量也有所减小，2009—2016年的标准化水位年最大值由2.10 减小为1.78，标准化水位年最大值减小15 %；2009—2016年的标准化流量年最大值由3.78 减小为2.82，标准化流量年最大值减小25 %，向家坝枢纽运用后削减洪峰流量和水位对坝下河道的通航条件是有利的。

向家坝水文站2009—2016年标准化水位、流量和含沙量年最小值变化过程见图6（c）。由图可知，2012年向家坝水电站运用后，出库年最小含沙量减小，标准化年最小含沙量由0.12 减小为0，但年最低水位和最小流量有所增大，2009—2016年的标准化水位年最小值由0.59 增大为0.69，标准化水位年最小值增大17 %；2009—2016年的标准化流量年最小值由0.32 增大为0.39，标准化流量年最小值增大22 %，向家坝枢纽运用后增大枯水流量和水位对坝下河道的通航条件是有利的。

向家坝水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的变异系数年平均值变化过程见图7（a）。由图可知，2012年向家坝水电站运用后，出库含沙量的变异系数减小，2009—2016年含沙量的变异系数年平均值由0.075 减小为0.037，但水位和流量的变异系数有所增大，2009—2016年水位的变异系数年平均值由0.014 增大为0.019，水位的变异系数年平均值增大36 %；2009—2016年流量的变异系数年平均值由0.025 增大为0.037，流量的变异系数年平均值增大48 %，说明向家坝水电站日调节增大流量和水位的非恒定性对坝下河道的通航条件是有一定不利影响的。

向家坝水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的变异系数年最大值变化过程见图7（b）。由图可知，2012年向家坝水电站运用后，出库含沙量的年最大变异系数减小，2009—2016年含沙量的变异系数年最大值由1.67 减小为0.45，但水位和流量的年最大变异系数有所增大，2009—2016年水位的变异系数年最大值由0.09 增大为0.11，水位的变异系数年最大值增大22 %；2009—2016年流量的变异系数年最大值由0.12 增大为0.22，流量的变异系数年最大值增大83 %，说明向家坝水电站日调节和水库蓄水及泄洪增大流量和水位的非恒定性，对坝下河道的通航条件有一定不利影响。

图7 向家坝水文站2009—2016年水位、流量和含沙量的变异系数年特征值变化

5 结论

本文提出了水沙过程非恒定变化分析方法，分析了向家坝枢纽坝下水位、流量和含沙量非恒定变化特性及其对通航条件的影响，得到如下结论：

（1）提出了水沙过程非恒定特性分析方法。为了统一对比水沙变化过程，采用标准化的水位、流量和含沙量相对值统计序列，以时段滑动计算水沙过程非恒定变化的特征值，统计水沙过程的均值、均方差和变异系数等非恒定特征值。

（2）分析了向家坝枢纽坝下水位、流量和含沙量非恒定变化特性。不同年份非汛期水沙变化不大，汛期水沙变化迅速，变异系数可以清楚反映水沙过程变化非恒定性强度。向家坝枢纽运用后坝下水沙过程变化的非恒定强度较大，水位变化变异系数可以达到0.10 ～0.12，流量变化变异系数可以达到0.20 ～0.40，虽然出库含沙量显著减小，但含沙量变异系数最大可以达到约1.0。

（3）分析了向家坝枢纽坝下水沙过程非恒定变化对通航条件的影响。向家坝水文站标准化年平均水位和流量约为1.0 左右，向家坝枢纽坝下山区河道的通航条件总体上是稳定的，枢纽运用削减洪峰和增大枯水流量，削峰补枯可以增大枯水航深，有利于改善坝下河道的通航条件。但水电站日调节和水库蓄水，以及泄洪增大流量和水位的非恒定性，对坝下河道的通航条件有一定不利影响。