成库初期三峡库区河段水位变化研究

摘 要：为分析三峡成库后对航道水深的影响，收集了大量水文资料，建立了一维数学模型，对三峡成库后正常蓄水期（139m、156m、175m）上游出现99%保证率流量以及防洪限制水位（135m、145m）上游出现平均流量以及出现常遇洪水（P=50%）两种情形的计算得到：139m、156m、175m分别影响至涪陵李渡、铜锣峡及江津，防洪限制水位时当上游出现平均流量与常遇洪水（P=50%）时， 135m、145m蓄水期分别影响至丰都和扇沱长江大桥。

关键词：三峡水库 水位变化 平均流量 航道条件

2003年6月三峡工程蓄水后，改变原来天然航道的水位变化情况，枯水期上游来水偏少，坝前水位抬高，航道水深增加，坝前水位影响范围上延，汛期上游来流量增加，坝前水位降低，坝前水位影响范围随上游来流量的增加而后退。不管汛期还是非汛期，水库回水末端皆受坝前水位和上游来水影响而变化，水库回水范围充分体现出三峡工程河道性水库的特点。

三峡水库调度过程

三峡工程2003年6月实现首次蓄水，坝前水位按135m运行，汛后坝前水位按139m运行；2004年至2006年9月，库水位按135～139m方式运行（枯季坝前水位139m，汛期坝前水位135m）；2006年9月开始，三峡水库按156～144m方式蓄水；2008年汛后三峡进入175m试验性蓄水阶段，具体蓄水过程见图1。

图1 蓄水以来坝前水位过程图

水文资料的收集

天然情况下：2003年6月三峡为成库之前，河道仍处于天然状态，为了获得三峡成库前库区河段沿程水位、流量、比降等情况，收集了2001年清溪场到寸滩6个水位站水位资料，用于天然情况下通航水流条件计算分析，见表1。

135-139m蓄水期：2003年6月至2006年9月三峡水库按照135-139m蓄水运行，回水末端在涪陵李渡附近，本次收集了2003年三峡大坝至寸滩共9个站水位资料，见表1。

144-156m蓄水期：2006年9月至2008年9月，三峡水库按照144-156m方案运行，回水末端在铜锣峡附近，本次收集了144-156m蓄水期（2007年）三峡大坝至鱼嘴沿程共15个水位（文）站水位资料，见表1。

175m实验性蓄水期：2008年9月以来，三峡按照175m实验性蓄水运行，最高水位达到了172.8m，回水末端在小南海以上，本次收集了175m试验性蓄水以来（2008年）三峡大坝至江津沿程各水位（文）站的水位资料，见表1。

表1 三峡大坝-江津水位收集情况

数学模型的建立及验证

为了全面了解蓄水前后库区河段通航水流条件的变化情况，利用一维数学模型进行全河段数模计算，将近700公里库区划分为424个断面进行计算（天然情况自万州到江津划分了275个断面），模型验证采用各蓄水期沿程水位资料。

1、流量选取和水头损失计算

1.1 流量选取

三峡大坝-江津河段较长，中间主要有嘉陵江、乌江两大支流汇入，在本计算当中按照分段恒定流来考虑。朱沱站控制江津-朝天门河段，寸滩站控制朝天门-涪陵河段，万州站控制涪陵-三峡大坝河段（表2）。

表2 流量分段控制情况

1.2 沿程水头损失

三峡库区设计最低通航水位重点是在丰都-江津河段，因此本次计算在这些河段更加细致的考虑了阻力损失，主要在以下几点与以往研究不同：

对采用相同糙率的河段划分更细，如在寸滩-长寿河段，相同流量时，根据河段特性采用几个不同的糙率，而不是同一糙率。

在丰都以上的观音滩、剪刀峡、明月峡、黄草峡等众多峡谷河段，天然情况汛期平均流量水位至计算水位时考虑边壁糙率的影响。

2、数学模型的验证

2.1 验证工况

计算验证主要针对以下几种情况，天然情况、坝前135-139m、坝前144-156m、175试验性蓄水阶段，其中每个阶段都考虑了对航运影响较大的几种典型工况，主要考虑了蓄水期上游来水偏枯时的流量、各站遇到平均流量、各站常遇洪水流量（P=50%），其中天然情况自万州开始计算至江津。具体验证工况见表3。

表3 验证选取工况

2.2 验证结果

针对表3所选取的10种验证工况一一进行了水位的验证，其中天然情况收集到7个验证水位（文）站，135-139蓄水期有8个验证水位（文）站，144-156蓄水期及175m蓄水期有25个验证水位（文）站。对所有具有实测水位的站点进行了实测水位和计算水位的对比，两者差值较小，偏差在正负5cm以内，可见数学模型计算水位与实际情况吻合较好。

三峡库区水位变化分析

1、计算工况

为分析三个阶段的水位变化情况，对天然、135-139m、144-156m、145-175m蓄水期进行了蓄水期99%保证率流量、全年平均流量及常遇洪水流量的水位，共计28组，其中156m蓄水阶段只计算蓄水期（表4）。

2、计算成果及分析

2.1蓄水期（99%保证率流量下）计算成果分析

通过计算结果对比分析可以看出，在枯水期三峡按照正常蓄水位运行，在139m蓄水期当上游出现99%保证率枯水流量时，涪陵李渡区以下成为库区，水位自李渡至万州段较天然情况有较大抬升，至万州抬升幅度超过38m，自涪陵李渡至万州水位抬升幅度依次增大；在156m蓄水期当上游出现99%保证率枯水流量时，铜锣峡峡口至万州段较139m蓄水期进一步增大，增大幅度最大约为17m，在156m蓄水期，这段航道条件相比139m蓄水期改善较大；在175m蓄水期当上游出现99%保证率枯水流量时，水位较天然、139m、156m蓄水期又进一步增大，较156m蓄水增大幅度最大约为19m，从水面线成果可以看出，铜锣峡以下水面几乎平齐，可见175m蓄水期该段航道条件改善明显。具体变化情况见图2。

图2 99%保证率枯水期各蓄水阶段水面线变化（与天然比较）

2.2 防洪限制水位（平均流量）计算成果分析

从水面线计算成果来看，135m蓄水期水面线自丰都开始有明显改善，在万州附近水面线升高28m；在145m蓄水期自扇沱长江大桥以下水面线有明显改善，至万州水位抬升幅度约为38m。具体变化情况见图3。

图3 防洪限制水位各蓄水阶段水面线变化（与天然比较）

2.3 防洪限制水位（常遇洪水）计算成果分析

通过对坝前水位为防洪限制水位时上游遇到常遇洪水时水面线分析可以看出，在坝前135m蓄水期水面线自北拱开始有所抬升，但在丰都大桥（观音滩）附近水位抬升幅度不大，自丰都大桥以下水位依次升高；在坝前145m蓄水期自洛碛河段（扇沱长江大桥上游7km）水位开始有所抬升，抬升幅度较135m明显，在丰都大桥附近也有4m左右的抬升。具体变化见图4。

图4 防洪限制水位各蓄水阶段水面线变化（与天然比较）

结论

为了研究三峡成库后各蓄水期水位变化情况，分别收集了三峡成库前、135-139m蓄水期、144-156m蓄水期、175m试验性蓄水期库区沿程水位（文）站水位资料。

为了解三峡运行初期库区的水位情况，主要计算了正常蓄水期（139m、156m、175m）以及防洪限制水位（135m、145m）两类工况，上游来水主要考虑对航运影响较大的三种情况：正常蓄水期（11、12月）对应于上游出现99%保证率流量，防洪限制水位对应于上游出现平均流量以及出现常遇洪水（P=50%）两种情形。

通过对比分析正常蓄水期水位，139m、156m、175m蓄水分别影响至涪陵李渡、铜锣峡及江津。防洪限制水位时当上游出现平均流量与常遇洪水（P=50%）时， 135m、145m蓄水期分别自丰都、扇沱长江大桥水位开始有所提升。

（作者单位：长江重庆航运工程勘察设计院）

注：本文为国家科技支撑计划项目（2011BAB09B01）