三峡水库典型运用过程库区水面线变化特点研究

袁玉　鲁军　胡挺　肖扬帆　李肖男

摘要：随着三峡水库运用条件和调度方式的变化，库区水面线的沿程特性发生了一定程度的变化。为了探求水面线的时空变化规律，选取三峡水库典型洪水调度过程及典型瞬时水面线进行各库段水面线特性研究。结果表明：坝前至巴东段不受寸滩流量影响。巴东至白沙沱段受坝前水位与寸滩流量双重影响，寸滩流量40 000 m/s以下时，此段水面线主要受坝前水位的影响;寸滩流量30 000 m/s以下且坝前水位达到165 m时，此段水面线基本不受寸滩流量的影响。白沙沱至寸滩段受寸滩流量与坝前水位综合影响，坝前水位150 m以下、寸滩流量50 000 m/s以下时，此段水面线与寸滩流量相关。坝前水位达到165 m后，回水影响至寸滩河段。

关键词：水库运行; 典型洪水调度; 水面线; 坝前水位; 寸滩流量; 三峡水库

中图法分类号：TV697.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.015

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0089 - 06

0 引 言

随着长江上游干支流梯级水库群陆续建成运行，三峡水库来水来沙条件发生明显变化。根据朱沱、北碚、武隆3个站点监测的三峡水库入库输沙量，及黄陵庙站监测的三峡水库出库输沙量，三峡水库2008年试验性蓄水以来至2020年，淤积泥沙累积约19.77亿t[1]，入库泥沙的淤积使库区的河道地形发生了一定程度的变化[2-4]。同时，流域经济社会的发展对三峡水库防洪、发电、航运、供水、生态等综合调度提出了更高需求。对三峡水库防洪调度、汛期运行水位、汛末提前蓄水、汛前消落等方面的调度运行方式均进行了优化。调度运行方式的改变使水库汛期运行水位常高于初步设计阶段的汛期运行水位，在遭遇不同频率洪水时，库区淹没的风险加大[5-6]。随着三峡水库运用条件和调度方式的变化，库区水面线的沿程特性发生了一定程度变化。在汛期防洪调度时，为避免库区水面线超过初步设计阶段确定的移民迁移线和土地淹没线，水库运行管理部门常面临较大的调度决策压力。

目前，对于库区水面线的研究主要集中于对计算方法的探讨[7-11]，亦有学者基于水库调度运行阶段的实测水面线特性开展分析。其中，胡鹏等[12]验证分析了三峡水库正常蓄水运行阶段特征洪水的沿程水位;谢静红等[13]分析了三峡水库蓄水后荆江段低水期水面线变化;肖中等[14]重点研究了寸滩河段的水面线特性。总的来看，目前对三峡水库运行以来的库区水面线特性分析和规律探讨相对薄弱。三峡水库调度运行资料和库区主要测站水文资料的积累，为水库实际运行阶段库区水面线的特性分析与规律探讨提供了有利条件。本文基于三峡水库典型洪水调度过程的实测水面线资料，分析了库区不同河段的水面线特性，以期探求水面线的时空变化规律，为实时调度决策提供一定支撑。

1 研究区概况

三峡水利枢纽工程位于湖北省宜昌市三斗坪镇，下距宜昌站约40 km。枢纽正常蓄水位175 m，枯季消落低水位155 m，防洪限制水位145 m。三峡库区范围为105°44′E～111°39′E，28°32′N～31°44′N，面积约5.8万km。初步设计阶段，三峡水库5 a一遇洪水回水末端在距坝址574 km的大塘坡;20 a一遇洪水回水末端在距坝址580 km的弹子田[15]。

三峡水库2008年汛末进入175 m试验性蓄水运用阶段，入库流量参考站主要为干流寸滩站、乌江武隆站等。尤其是寸滩的流量、水位成为三峡水库调度的重要参照。已有研究成果表明：入库流量（寸滩流量、武隆流量等）、区间支流流量、坝前水位、库区地形条件等对库区水面线均会产生一定程度的影响，其中，以寸滩流量、坝前水位的影响最为显著[16]。三峡水库2008年试验性蓄水以来，库区地形条件总体未发生显著变化。区间流量主要对库区洪峰的水面线产生一定程度影响，需展开定量模拟研究[17]。因此，本文主要基于三峡水库典型运用过程的实测资料，在日尺度下，研究寸滩流量、坝前水位对三峡库区水面线的影响。受限于库区观测站点和实测资料，本文不对区间支流流量展开评述。三峡水库库区干支流河道及水文站位置图见图1。

2 数据选取

2.1 典型洪水调度过程水面线

2020年汛期，三峡水库入库流量峰值与坝前水位最高值均为实际运行以来之最。2018年7月上中旬入库流量较大;2014年蓄水期三峡水库入库流量峰值为历年蓄水期最大，且发生了2场较大洪水，相应坝前水位为历年同期最高。因此，选取2014年蓄水期、2018年汛期和2020年汛期典型洪水调度过程（图2～4）进行库区水面线变化分析。

2.2 瞬时水面线

选取坝前水位相近（坝前水位变幅在±0.5 m以内）、寸滩流量不同，寸滩流量相近（流量变幅在±2 000 m/s以内）、坝前水位不同两类工况下的水面线，分析库区水面线变化的规律。图5为坝前水位145，155，165 m时，3组不同量级寸滩流量的实测库区水面线。图6为寸滩流量30 000，40 000，50 000 m/s量级时，3组不同坝前水位对应的库区水面线。

3 分析与讨论

3.1 典型洪水调度过程库区水面線变化

3.1.1 2014年蓄水期

（1） 由图2（a）可知，2014年9月17～23日库水位处于缓慢抬升状态，壅水段主要出现在清溪场（距大坝447.9 km）至白沙沱（距坝437.3 km）段、巫山（距坝126.7 km）至巴东（距坝71.0 km）两个峡谷段，寸滩流量越大，此两段的水面坡降越大，壅水作用越显著。清溪场以上水面线主要受流量影响，白沙沱以下水面线呈水库特性（主要受坝前水位影响）。

（2） 由图2（b）可知，2014年10月1～31日坝前水位较高且处于持续抬升状态，寸滩流量较小，巫山至巴东和清溪场至白沙沱两峡谷段均无明显壅水，库区水面线接近水平。

2014年9月23日，坝前水位168.47 m，寸滩流量19 300 m/s，巫山至巴东和清溪场至白沙沱两个峡谷段基本无壅水。由此推测，在蓄水期坝前水位高于168.0 m的前提条件下，寸滩流量低于20 000 m/s，且不发生区间特大洪水时，巫山至巴东和清溪场至白沙沱两个峡谷段基本不壅水。

3.1.2 2018年汛期

由图3可知，2018年7月13～21日寸滩流量变化范围为27 400～59 200 m/s，坝前水位变化范围为146.66～156.76 m，坝前水位的变幅为10.10 m。从水面比降看，由于寸滩流量较大，清溪场至白沙沱段和巫山至巴东段两处峡谷段洪水位明显壅高。

3.1.3 2020年汛期

由图4可知，7月13日坝前水位153.20 m，寸滩流量21 400 m/s;8月14日，坝前水位153.09 m，但寸滩流量为53 500 m³/s，此时巫山至巴东段、清溪场至白沙沱段的水面坡降均高于7月13日的水面坡降，说明坝前水位不变时，库区水面比降与流量呈正相关关系。

结合图2（a），2014年9月19日坝前水位166.64 m、寸滩流量44 700 m/s，清溪场与白沙沱的水位差为1.44 m，巫山与巴东的水位差为1.11 m;2020年8月17日坝前水位157.49 m、寸滩流量48 700 m/s，但清溪场与白沙沱的水位差为2.30 m，巫山与巴东的水位差为1.42 m。说明寸滩流量不变时，库区水面比降与坝前水位呈负相关关系。

结合图3，2018年7月14～21日与2020年7月8～15日坝前水位上升范围（148～156 m）基本一致，只是前者寸滩流量变化范围（27 400～59 200 m/s）显著大于后者的流量变化范围（16 000～23 100 m/s）。两者白沙沱以下的水位波动范围均与坝前水位波动范围相近，但前者清溪场以上朱沱沿程的水位波动范围显著大于后者相应点的水位波动范围，说明清溪场至白沙沱段以上水面线主要受流量影响，寸滩流量越大水面线越高，以下的水面线则主要受库水位影响。

根据上述结果，可将三峡水库库区划分为坝前至巴东段、巴东至白沙沱段、白沙沱至寸滩段，分析坝前水位与寸滩流量对各河段水面线的影响规律。

3.2 寸滩流量对库区水面线影响

（1） 由图5（a）可知，坝前水位145.24 m、寸滩流量由30 200 m/s增加至46 000 m/s时，坝前至巴东段水位基本维持在145 m;巴东至白沙沱段寸滩流量增加至46 000 m/s时，水位差由5.00 m增大到7.58 m，表明此段水面线开始受寸滩流量的影响，寸滩流量越大，影响程度相对越大;白沙沱至寸滩段水面线则明显随寸滩流量增大而抬高。

（2） 由图5（b）可知，坝前水位155 m、寸滩流量由21 000 m/s增加至41 000 m/s，坝前至巴东段水位基本为155 m，说明此段水面线受寸滩流量影响很小。而巴东至白沙沱段的水位差在寸滩流量21 000 m/s时为1.70 m，流量28 100 m/s时为3.06 m，流量41 000 m/s时为5.24 m，相较于坝前水位145 m、同级寸滩流量的水位差小。即坝前水位155 m时，巴东至白沙沱段的水面比降受寸滩流量的影响比坝前水位145 m时弱。白沙沱至寸滩段的水位差在寸滩流量21 000 m/s时为12.95 m，寸滩流量28 100 m/s时为15.02 m，寸滩流量41 000 m/s时为18.36 m，其中，白沙沱至清溪场段，水面线与坡降均随寸滩流量增大而增加，说明寸滩流量增加对水面线的影响程度提高，库区水面线呈现明显的河道特性。

（3） 由图5（c）可知，坝前水位165 m条件下，寸滩流量由20 500 m/s增加至39 000 m/s，坝前至巴东段水位基本为165 m，说明此段水面线基本不受寸滩流量影响;巴东至白沙沱段，当寸滩流量30 000 m/s以下时，水面线受寸滩流量的影响甚微;白沙沱至寸滩段，寸滩流量20 500 m/s时水位落差6.09 m，寸滩流量29 900 m/s时水位落差10.33 m，寸滩流量39 000 m/s时，水位落差11.56 m，说明坝前水位越高，回水影响越远，坝前水位165 m时，回水至寸滩河段。

总体而言，坝前水位145，155 m和165 m在不同寸滩流量量级下，坝前至巴东段水面线不受寸滩流量影响。巴东至白沙沱段相同坝前水位时，寸滩流量越大，水面线受流量影响越显著;相同寸滩流量时，坝前水位越低，水面线受流量影响越显著。白沙沱至寸滩段主要受寸滩流量的影响。

3.3 坝前水位对库区水面线影响

（1） 由圖6（a）可知，寸滩流量30 000 m/s时，坝前水位由145.24 m增加至163.36 m，坝前至巴东段水位基本与坝前水位相同。坝前水位163.36 m时，清溪场站至白沙沱站水位差为3.30 m;坝前水位145.24 m时，水位差为5.23 m，坝前水位低对应的水面坡降大。清溪场至寸滩段，坝前水位163.36 m时水位差为7.87 m，坝前水位145.24 m时水位差为19.42 m，坝前水位越高，比降越缓。

（2） 由图6（b）可知，寸滩流量40 000 m/s时，库区各段水面线变化规律与寸滩流量30 000 m/s条件下总体一致。

（3） 由图6（c）可知，寸滩流量50 000m/s时，坝前水位由151.34 m增加至167.25 m，坝前至巴东段水位与坝前段一致。巴东至白沙沱段水位抬高4.0～7.5 m，说明寸滩流量达到50 000 m/s量级后，此段水面线受寸滩流量影响程度提高。白沙沱至寸滩段的水面线也有所提高。

综上所述，寸滩流量30 000，40 000 m/s和50 000 m/s量级时，坝前和巴东段水面线基本与坝前水位相同，说明此段水面线主要受坝前水位影响。巴东至白沙沱段受坝前水位与寸滩流量的双重影响，寸滩流量40 000 m/s量级以下时，此段水面线主要受坝前水位的影响。白沙沱至寸滩段水面线受寸滩流量与坝前水位的综合影响，当寸滩流量达到50 000 m/s量级后，水面线主要受寸滩流量的影响。

4 结 论

（1） 坝前至巴东段段水面线不受寸滩流量影响，与坝前水位基本一致。

（2） 巴东至白沙沱段水面线受坝前水位与寸滩流量的双重影响。相同坝前水位条件下，寸滩流量越大，流量影响越显著;相同寸滩流量量级下，坝前水位越低，流量影响越显著;当寸滩流量40 000 m/s量級以下时，巴东至白沙沱段水面线主要受坝前水位的影响;寸滩流量30 000 m/s量级以下且坝前水位达到165 m时，巴东至白沙沱段基本不受寸滩流量的影响。

（3） 白沙沱至寸滩段水面线受寸滩流量与坝前水位的综合影响。坝前水位150 m以下、寸滩流量50 000 m/s以下时，此段水面线主要受寸滩流量影响;坝前水位达到165 m后，回水顶托作用影响至寸滩河段。

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（编辑：李 慧）

Study on characteristics of water surface profile change in Three Gorges

Reservoir during typical operation process

YUAN Yu LU Jun HU Ting XIAO Yangfan LI Xiaonan

（1.  Hubei Key Laboratory of Basin Water Security， Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. China Three Gorges Corporation， Yichang 443133， China）

Abstract： With the change of operation condition and mode of Three Gorges Reservoir， the water surface profile has changed along the reservoir area. In order to study the temporal and spatial variation law of water surface profile， the typical flood operation process and typical instantaneous water surface profile of Three Gorges reservoir were selected to study the variation characteristics of water surface profile of various reservoir sections. The results showed that the water surface profile from the dam to Badong reach was not affected by the flow of Cuntan station; the water surface profile of the reach from Badong to Baishatuo was affected by the water level in front of the dam and Cuntan discharge， when the Cuntan discharge was less than 40 000 m3/s， the water surface profile in this reach was mainly affected by the water level in front of the dam; when the Cuntan discharge was less than 30 000 m3/s and the water level in front of the dam reaches 165 m， the water level in this reach was not affected by the Cuntan flow; the water surface profile from Baishatuo to Cuntan reach was affected by the inflow of Cuntan station and the water level in front of the dam， when the water level in front of the dam was below 150 m and Cuntan discharge was below than 50 000 m3/s， the water surface profile was related to Cuntan flow， when the water level in front of the dam is higher than 165 m， the backwater effect of the water level in front of the dam significantly affect Cuntan reach.

Key words： operation of reservoir; typical flood regulation; water surface profile; water level in front of dam; Cuntan flow; Three Gorges reservoir