三峡工程运用后宜枝河段平滩流量调整特点

周美蓉，夏军强，邓珊珊，许全喜

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 长江水利委员会 水文局，武汉 430010)



三峡工程运用后宜枝河段平滩流量调整特点

周美蓉1，夏军强1，邓珊珊1，许全喜2

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 长江水利委员会 水文局，武汉 430010)

三峡水库蓄水运用后，清水下泄使得坝下游宜枝河段发生显著冲刷，河道过流能力也相应调整。宜枝河段(包括宜昌及宜都两河段)断面形态复杂，且过流能力沿程差异较大，河段平均的平滩流量更能反映其综合过流能力。采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法，分别计算了宜昌及宜都河段2002—2013年各年汛后的平滩流量，分析了河床冲淤变化对河段平滩流量的影响，同时还建立了两河段平滩流量与前5 a汛期平均水流冲刷强度的经验关系。结果表明：当河段冲刷时，平滩流量增大，反之则减小；宜昌河段平滩流量与水流强度相关性系数较低，为0.64，而在宜都河段为0.94，表明宜都河段对上游水沙条件变化的响应较宜昌河段更为显著。

三峡工程；水沙条件；河床冲淤；河段平滩流量；宜枝河段

1 研究背景

三峡工程运用后， 清水下泄造成坝下游宜枝(宜昌至枝城)河段持续冲刷， 河槽形态改变， 平滩流量也相应发生显著调整。 平滩水位下河道的过流能力(即平滩流量)是防洪设计中的重要参数之一， 也是衡量水流造床能力的一个重要指标[1]。 因此研究近期宜枝河段平滩流量的调整特点十分必要。

平滩流量指特定断面水位与河漫滩齐平时该断面所通过的流量， 其调整变化与上游来水来沙条件密切相关[1]。 楚万强等[2]探讨了重庆主城区河段造床流量变化对水沙条件的响应， 发现其与多年平均的年流量及汛期流量之间存在较高的相关性。 吴保生等[3]通过分析1960—2002年黄河下游主要水文站的实测平滩流量资料， 并考虑含沙量的影响， 建立了平滩流量与前4 a滑动平均汛期流量及来沙系数之间的经验关系。 吴保生[4]还根据河床调整速率与其当前状态和平衡状态之间的差值成正比的基本规律， 提出了冲积河流平滩流量的滞后响应模型， 阐明了前期水沙条件对平滩流量滞后影响的物理本质。 需要说明的是， 此类方法多以特定水文断面为研究对象， 计算得到的平滩流量不能代表整个河段的综合过流能力。 目前计算河段尺度的平滩流量一般采用算数平均或几何平均的方法。 梁志勇等[5]采用算数平均法计算了1973—1996年花园口—利津河段的平滩几何特征参数， 然而该方法得到的河段平滩面积与相应流速之积不等于河段平滩流量， 不满足水流连续性条件。 Harman等[6]采用基于对数转换的几何平均法来解决上述问题， 计算得到的平滩河槽形态参数可较好地满足水流连续性要求， 但未考虑到断面间距不等对计算结果的影响。

基于以上考虑，本文采用将对数转换的几何平均和断面间距加权平均相结合的方法，计算了2002—2013年各年汛后宜昌及宜都河段的平滩流量，并分析了河床冲淤变化与河段平滩流量调整之间的关系，此外还建立了各河段平滩流量与前5 a汛期平均水流冲刷强度的经验关系式。

2 河段概况

长江作为我国第一大河，发源于青藏高原，并自西向东注入东海，全长约6 300 km，分为上、中、下游，其中长江中游指宜昌到湖口之间的河段，长达955 km[7]。宜枝河段即位于长江中游，上起宜昌，下迄枝城，长约59 km，为三峡及葛洲坝工程下游的近坝段，其间有清江等小支流入汇。以虎牙滩为界，可将该河段分为宜昌、宜都2个河段，其长度分别为19.4，39.6 km，如图1所示。

图1 宜枝河段示意图Fig.1 Sketch of the Yichang-Zhicheng Reach

宜枝河段是山区河流到平原河流的过渡段，总体为宽谷型顺直微弯河段，其中宜昌段河身基本顺直，而宜都段相对蜿蜒[7]。三峡工程运用前，宜枝河段主要为沙夹卵石河床，砾卵石所占比例自上而下递减，其中宜昌段河床组成基本为细沙与砾卵石两相，且沙质覆盖层较薄；而宜都段河床组成以细沙为主，砾卵石和粗中沙为次，沙泓覆盖层厚达10 m左右[8]。三峡工程运用以来，宜枝河段总体呈持续冲刷趋势，2003—2013年平滩河槽累积冲刷量达1.44×108m3，且主要集中在宜都河段，冲刷量占河段总冲刷量的88%[8]。在河床持续冲刷的过程中，宜枝河段床面泥沙不断发生分选，河床逐渐粗化，2001年该河段床沙平均中值粒径约为0.40 mm，截至2012年已增加到23.59 mm[8]。与此同时，河床糙率也随着床沙粗化而增大，2009年该河段平均糙率较蓄水前(1980—2002年)增大了20%左右[8]。

宜枝河段的水沙主要来自长江上游，三峡工程运用前(1950—2002年)，宜昌站多年平均汛期水量为3 456×108m3，而蓄水后(2003—2013年)减小到2 983×108m3，汛期来水量变化相对较小。然而，长江上游大型水库的修建及水土保持工程的实施使得上游来沙量显著减少，宜昌站多年平均汛期输沙量由蓄水前的4.74×108t降低到0.46×108t，降幅达90%。

3 断面及河段尺度平滩流量计算

3.1 平滩高程的确定方法

计算断面平滩流量首先要确定平滩高程，主要是通过套绘相邻年份各固定断面的汛后地形，具体原则如下[1]：①当主槽滩唇明显时，以两岸滩唇较低者为平滩高程；②当主槽滩唇明显，但与相邻断面的平滩高程差距较大时，需考虑相邻断面的滩唇高度，进行综合确定；③当主槽滩唇不明显时，则参考相邻断面及该断面相邻测次的平滩高程，尽可能使滩唇高度不发生大的变动。

宜枝河段部分断面的滩唇位置不明显，如宜57断面(见图2(a))，此时需根据该断面的实测地形及相邻断面的滩唇高度，综合确定其平滩高程为49.42 m；而荆2断面滩唇位置较为明显，则可直接确定其平滩高程为47.08 m，见图2(b)。两岸滩唇的间距为平滩河宽(Bbf)，平滩水位与河床围成的面积即为平滩面积(Abf)，而平滩水深则为面积与河宽的比值(Hbf)。

图2 2013年典型断面平滩高程的确定Fig.2 Identification of bankfull dimensions in 2013 at typical sections

3.2 断面平滩流量的估算

平滩流量的估算采用一维水动力学模型，主要控制方程有[9]：

连续方程

(1)

运动方程

(2)

式中：Q为断面平均流量(m3/s)；Z，A分别为断面平均水位(m)、过水面积(m2)；Jl为断面局部阻力；Jf为断面能坡；αf为动量修正系数；g为重力加速度(取9.81 m/s2)；x为距离。

采用有限差分法离散上述方程，并用二分法求解，计算得到河段内各个断面的平滩流量。该模型考虑到了断面地形变化对水位-流量关系产生的影响，计算结果较为合理[9]。具体计算过程如下。

(1) 给定边界条件：利用汛后实测断面地形资料作为河床边界条件(不考虑河床冲淤变形)，每隔2 000 m3/s设定流量级作为进口水沙条件(不考虑水流含沙量及清江等小支流入汇)，并采用出口断面实测的水位-流量关系作为下游边界条件。如图3(a)所示，根据枝城站2013年实测水位-流量关系曲线，可计算得到某一进口流量下相应的出口断面水位，如2×104m3/s流量下枝城站水位为40.09 m。

(2) 率定沿程糙率：利用一维水动力学数学模型，率定各水文断面间的糙率，依次使得上游水文断面(宜都、红花套、宜昌站)的水位-流量关系与实测情况能较好地符合，从而进一步确定宜枝河段各个固定断面的水位-流量关系，如图3(b)所示。

(3) 确定平滩流量：依据各固定断面的实测平滩高程，由各断面水位-流量关系计算曲线上确定相应平滩高程对应的流量，即为平滩流量。

图3 宜枝河段各水文断面的水位-流量关系Fig.3 Stage-discharge curves at different sections

3.3 断面平滩流量计算结果分析

采用上述方法可计算得到2002—2013年宜枝河段50个固定断面的平滩流量，各断面计算结果差异较大，个别断面平滩流量超过10×104m3/s，而少数断面则未达到5×104m3/s。断面平滩流量主要取决于平滩面积及平滩水位下的断面平均流速[9]。宜昌、宜都河段各固定断面平滩河槽形态存在着显著差异，且不同断面所受的水流阻力、河床阻力各不相同，影响着断面过流速度，这两者使得各断面平滩流量沿程变化较大。典型断面平滩流量变化过程见图4。

图4 宜昌、宜都河段特定断面及河段尺度的平滩流量变化过程Fig.4 Temporal variations in the reach and section-scale bankfull discharges of Yichang Reach and Yidu Reach

宜66断面位于葛洲坝下游43.84 km处，2012年该断面水位平滩时所能通过的流量为4.45×104m3/s，如图4(b)所示。然而同年宜昌站日均流量超过4.60×104m3/s的天数达到了4 d，上游来水量超过了宜66断面的过流能力，使其发生漫滩现象，威胁到了两岸的防洪安全，因而研究平滩水位下断面的过流能力具有实际意义。

3.4 河段平滩流量计算

(3)

式中：xi表示第i个断面距大坝的距离；N为断面数量，宜昌及宜都河段的计算断面数分别为22，28个；L为计算河段的长度。

计算结果表明：河段平滩流量与特定断面平滩流量之间存在较为显著的差异。宜34断面位于葛洲坝下游4.88 km处，2002—2013年该断面平滩流量从5.33×104m3/s增加到6.22×104m3/s，增幅为16.7%；宜46断面位于葛洲坝下游17.24 km处，其平滩流量在12 a间仅增加了0.5%；两者与宜昌河段平滩流量6.2%的增幅均存在一定的差异，宜昌河段平均平滩流量尺度计算见图4(a)。宜55断面、宜66断面分别位于葛洲坝下游30.48，43.84 km处，前者平滩流量在12 a间增大了2.2%，后者则增大了9.5%，而宜都河段平滩流量增幅为13.2%，变化幅度均大于上述特定断面，宜都河段平均平滩流量尺度计算见图4(b)。上述4个断面间隔距离大致相等，基本贯穿整个河段，此外，选取的断面均位于较为顺直的河段(图1)，没有经过江心洲等特殊地形位置，可较好地反映宜枝河段断面平滩流量的基本情况。

4 河段平滩流量变化过程及分析

4.1 河段平滩流量与冲淤量的关系

平滩流量主要取决于平滩面积及平滩水位下的断面平均流速[9]，而平滩面积又与河床冲淤变化密切相关，故平滩流量与其河段冲淤量之间必然存在一定的联系。图5给出了宜昌及宜都河段平滩流量与相应累积冲淤量的变化过程，发现两者的变化趋势基本相反：当河段淤积时，平滩流量相应减小；反之，平滩流量则增加。

图5 宜昌、宜都河段平滩流量与相应累积冲淤量的变化过程Fig.5 Temporal variations in the reach-scale bankfull discharges and the cumulative channel evolution volumes in different reaches

进一步分析可知，平滩流量与河段累积冲淤量的线性相关性系数在宜都河段高达0.95，而相关程度在宜昌河段却较低，相关系数仅为0.65。由此可知，宜昌河段平滩流量大小除受河道的冲淤变化影响之外，必然还受到其他因素的控制。初步分析表明：一方面是因为宜昌河段河床粗化较快，冲刷量较小；另一方面则是由于宜昌河段受河床阻力增加及胭脂坝高滩壅水作用等因素的影响较大[11]。这些控制水位下降的作用与河床冲刷导致的水位下降发生了相互抵消，从而使得宜昌河段平滩流量与累积冲淤量的相关程度较低。

4.2 河段平滩流量与来水来沙条件的关系

在低含沙量河流上，如宜枝河段，一般可用水流冲刷强度参数来代表水沙条件[10]，则汛期平均的水流冲刷强度(Ff)可定义为

(4)

式中：Nf为汛期的总天数，宜枝河段水文年中汛期一般指5—10月份；Qj和Sj分别为汛期日均流量(m3/s)和悬移质含沙量(kg/m3)。

(5)

式中：k为系数；为指数。

图6 河段尺度平滩流量与F5f的关系Fig.6 Relationshipsbetweenthereach-scalebankfulldischargeandthefive-yearaveragefluvialerosionintensityduringfloodseasonsindifferentreaches

图7 河段尺度平滩流量式(3)和式(5)计算值比较Fig.7 Comparisonsbetweenthereach-scalebankfulldischargescalculatedusingEq.(3)andthatcalculatedusingEq.(5)indifferentreaches

5 结 论

采用基于河段平均的方法，计算了三峡近坝段(宜昌及宜都河段)2002—2013年各年的平滩流量，增幅分别达到了6.2%及13.2%。并研究了近期河床冲淤及水沙条件变化对河段平滩流量的影响，得出如下结论。

(1) 分析了宜昌及宜都河段平滩流量与所在河段冲淤量之间的关系。结果表明：当河段发生冲刷时，平滩流量增大，反之则减小。但由于宜昌河段平滩流量受河床阻力增加、胭脂坝高滩壅水作用等因素的影响较大，两者的相关程度低于宜都河段。

(2) 建立了宜昌及宜都河段平滩流量与前5 a汛期平均的水流冲刷强度的经验关系。计算结果表明：宜昌河段平滩流量与水流冲刷强度的相关性较低，但在宜都河段相关程度高达0.94，可较好地反映平滩流量随上游水沙条件的变化趋势。

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(编辑：陈 敏)

Characteristics of Adjustment in Reach-scale Bankfull Discharge ofYichang-Zhicheng Reach after the TGP Operation

ZHOU Mei-rong1, XIA Jun-qiang1, DENG Shan-shan1, XU Quan-xi2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072, China; 2.Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

A sharp reduction in sediment load has caused a significant process of channel degradation along the Yichang-Zhicheng Reach after the operation of the Three Gorges Project (TGP), especially in the adjustment of flood discharging capacity. In view of the complicated cross-sectional profiles and the great longitudinal variability inflood discharging capacity, the reach-scale bankfull discharges in the reaches of Yichang and Yidu from 2002 to 2013 were estimated using a combination of geometric average and weighted average method. The effect of channel erosion and deposition on the reach-scale bankfull discharge in each reach was investigated. In addition, empirical relationships were established between the reach-scale bankfull discharge and the previous five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons for these two reaches, and it was found that bankful discharge increased with erosion, and decreased with deposition; the correlation between bankful discharge and flow intensity in Yichang was 0.64, whereas in Yidu it was 0.94, indicating that the response of bankfull discharge to the altered flow and sediment regime in the Yidu reach was more remarkable than that in the Yichang reach.

Three Gorges Project; flow and sediment regime; channel erosion and deposition; reach-scale bankfull discharge; Yichang-Zhicheng Reach

2015-08-31；

2015-10-11

国家自然科学基金项目(51579186，51339001)；国家重点研发计划课题(2016YFC0402303)

周美蓉(1992-)，女，浙江衢州人，硕士研究生，研究方向为河流动力学，(电话)13163385306(电子信箱)ZMR@whu.edu.cn。

夏军强(1974-)，男，浙江绍兴人，教授，博士，研究方向为河流动力学，(电话)027-68774302(电子信箱)xiajq@whu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150725

2016,33(10):1-5,11

TV147

A

1001-5485(2016)10-0001-05