三峡库水位对寸滩站库尾水位顶托的影响

王俊鸿，郭 乐，张东杰

（1.中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443133；2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443133）

2020年8月的长江第5号洪水和1981年7月相比，前者流量小于后者的情况下，水位反而更高[1，2]。针对此问题，有必要以寸滩水位流量关系作为切入点，研究分析三峡库水位对包括寸滩在内的库尾水位的顶托影响[3]。本文针对三峡库区库尾水位受三峡坝前水位顶托影响的复杂水动力学问题[4，5]，通过合理设置上游寸滩不同设计频率洪水与不同库水位的组合，采用一维水动力模型模拟分析。在此基础上得到三峡库区寸滩-坝址各断面的水位变化过程，量化分析三峡库区库尾水位受三峡坝前水位洪水顶托的程度。研究成果可为大洪水期上游站点受洪水顶托影响数据失真时的水文预报工作提供重要指导，具有较好的工程应用和科技支撑价值，对其它类似流域的库区洪水顶托研究也具有积极的推进作用[6-8]。

1 基础资料

1.1 河道资料

由于“20.8”洪水主要来自长江上游干流，因此暂不考虑乌江及其他区间入流的影响。长江干流三峡库区段的河道资料主要包含大断面X-Y、断面间距、断面糙率。

其中大断面X-Y表征河道某一位置的横截面地形，X为从左岸某点为起始点到右岸某点的起点距，Y为高程。研究区域内共有长江干流断面327个（断面资料来源于长江委水文局，数据更新于2018年），其中三峡坝前大断面、寸滩站大断面作为控制断面。

断面间距指相邻断面之间的距离，用于计算洪水的传播。由于三峡水库全长约600余km，平均宽度不足2 km，为典型的河道型水库，因此本研究将其概化为线型水库，即不考虑细部转角对洪水传播的影响，因此断面间距所涉的左边界间距、中泓线间距、右边界间距均拟为一致。长江干流各断面间距统计表如表1所示。

表1 长江干流各断面间距统计表m

糙率表征了河道断面的地表粗糙程度，对洪水传播中的水位顶托有一定影响。根据“天然河道糙率表”对各断面糙率进行假定，并在模型率定环节对糙率进行适当调整（见2.2节表2）。

1.2 水文实况资料

水文实况资料包括水位和流量，目的是对模型进行率定，对结果进行验证。选取三峡建库以来洪峰流量大于35 000 m3/s的有一定代表性的38场洪水，摘录寸滩站的水位-流量数据。并记录各场洪水的实测高水连时序曲线，以“2020年长江第4/5号洪水”为例，如图1所示。

图1 2020年长江第4/5号洪水实测高水连时序曲线

1.3 水位顶托影响因素

水位顶托除受库水位（下游水位）和流量的显著影响外，还受洪水峰型和汇流比的影响。

1.3.1 库水位

库水位表征了三峡水库的蓄水量，直接影响了上游库尾水位的顶托。本次研究拟设定库水位从死水位至正常蓄水位间的145 m、150 m、155 m、160 m、165 m、170 m、175 m共7组。

1.3.2 入库流量

水位与入库流量有直接关系，本次研究的入库流量指寸滩站流量，即忽略了区间入流和乌江汇流量的坝址入库流量。根据三峡入库流量多年数据，拟设定10 000 m3/s，20 000 m3/s，30 000 m3/s，40 000 m3/s，50 000 m3/s，60 000 m3/s，70 000 m3/s，80 000 m3/s，90 000 m3/s共9组。

2 模型介绍

2.1 模型选择

由于本次研究的区域为典型线型水库的洪水传播，本次采用Hec-RAS模型。由于天然河道底坡沿程有一定的变化，断面形状也不规则，河槽断面宽窄不一，河底高低不平，因此洪水水面线推算通过河道非均匀流计算方法，以起始断面，采用伯努利能量方程，向上游推算出各断面不同频率下的水面线，在求解方程过程中采用了递次求近法。伯努利能量方程如下：

式中：Y1，Y2—断面水深；Z1，Z2—主槽高程；V1，V2—平均流速（总流量/总过流面积）；α1，α2—速度加权系数；g—重力加速度；he—能量水头损失。

2.2 模型率定

本次研究中对模型的率定主要是针对Hec-RAS所需的河道边界糙率，糙率能够一定程度上影响壅水。以实测及调查的历史洪水水面线及各水文站水位—流量关系曲线作为率定库区沿程糙率的依据。以寸滩水文站为主要研究对象，整理率定后的研究区各断面糙率如表2所示。

表2 三峡库区各断面糙率率定表

2.3 模型合理性分析

以寸滩站两场实况来水过程（2018年7月11日～16日、2020年8月17日～22日）作为上边界，三峡库水位作为下边界，采用Hec-RAS模型模拟计算寸滩站水位，对比两场洪水各自的数据差异，见表3。

表3 两场洪水模拟差异性分析

由表3可以看出，两场洪水的差异性分析中，平方和、均方均较小，而显著性水平大于0.9，表明没有显著差异，模拟结果能够反应真实情况。

同时两场洪水绘制水位流量关系线与实测对比，如图2、图3所示。

图2 模拟与实测对比（2018年7月11-16日）

图3 模拟与实测对比（2020年8月17日～22日）

模型计算的水位流量关系线与实测模拟整体较好，拟合程度高，虽然从图中可以看出在洪水涨水面，模拟数值会略偏高于实测结果，而退水面模拟数值略偏低于实测结果，这是由于Hec-RAS模型本身的归一性程序架构所致，不过这种偏差对水位变幅的影响极小，可忽略不计。因此，本次研究采用Hec-RAS模型一维模块是合理可行的。

3 成果分析

3.1 基本理论

寸滩站位于长江干流上游，本次仅研究寸滩站以上来水稳定流量与三峡库水位对寸滩站水位顶托的共同影响，这也是造成水位顶托最直接最重要的两个因素。根据三峡建库以来大洪水期寸滩站流量和库水位，可将寸滩站流量设置为10 000～90 000 m3/s（步长10000）；库水位设置为145～175 m（步长为5），并进行寸滩站流量与库水位之间的两两组合，计算寸滩站水位。

3.2 数值实验与分析

根据Hec-RAS模型模拟计算当来水为稳定流时，设置三峡不同坝前水位，计算寸滩站水位。根据模拟结果，以三峡库水位为参数，绘制三峡不同坝前水位下寸滩站水位流量线，如图4所示。

图4 三峡不同坝前水位寸滩站水位流量关系线（模拟稳定流）

由图4可知，当上游寸滩站出现洪峰水位，三峡库水位低于155 m时，三峡调蓄洪水对寸滩水位流量关系影响较小；当三峡库水位在160 m以上时，寸滩站水位流量关系明显左偏，即同流量下寸滩水位偏高，且偏高幅度随三峡坝前水位抬高而加大。将各水位差情况下的水位顶托分别绘制成曲线，如图5所示。

图5 不同坝前水位差的寸滩站水位顶托曲线

从图5能够更直观清楚地看出，随着坝前水位的抬升，水位顶托效应均匀上涨，且寸滩流量小于40 000 m3/s时，流量越小，库水位越高，顶托作用越明显；寸滩流量大于40 000 m3/s时，顶托效应随流量的增大逐渐变缓，即顶托效应与来水流量成负相关。这一定程度上说明了汛期寸滩站初始水位流量关系曲线的非一一对应性，导致误判寸滩站真实水位流量关系曲线和报汛曲线之间的转换。

4 结论

本文以Hec-RAS水动力模型分别对寸滩站采用入库流量和坝前水位等主要因素，来探究大洪水期三峡坝前水位对库尾寸滩站水位的顶托影响，得到以下主要结论：

（1）采用Hec-RAS模型一维模块求解三峡库区的水动力问题是可行的;

（2）大洪水期三峡坝前水位对库尾寸滩站水位存在线性顶托影响;

（3）顶托效应与寸滩来水流量成负相关。