三峡水库运用对坝下游干流河道水文情势的影响研究

黄 悦，姚仕明，卢金友

（长江科学院a.河流研究所；b.院长办公室，武汉 430010）

三峡水库运用对坝下游干流河道水文情势的影响研究

黄 悦a，姚仕明a，卢金友b

（长江科学院a.河流研究所；b.院长办公室，武汉 430010）

三峡水库调度运用改变坝下游水沙条件，会对坝下游河道水文情势产生影响。利用坝下游长河段一维水沙数学模型计算分析了丰水年、平水年与枯水年情况下三峡水库调度运用对坝下游干流河道沿程流量、水位及输沙量的影响。结果表明：枯水期与泄水期出库流量增加，坝下游沿程枯水位相应抬高；蓄水期下泄流量减少，同时期沿程水位下降；遇枯水年，水库蓄水使得坝下游来流量过小（10月下旬大通站平均流量小于9 000 m3／s）；遇平水年蓄水期，中下游水位下降较多，沿程水位下降1.71～3.68 m，对坝下游河道的航运及供水等带来一定的影响。

三峡工程；典型水文年；水文情势；数学模型

三峡工程于2003年6月开始蓄水运用，汛期按135 m、枯季按139 m水位运行；2006年汛后水位抬升至156 m，汛期水位则按144～145 m运行；2008年汛后，三峡工程进入175 m试验性蓄水阶段，2010年10月26日三峡水库成功蓄水至175 m水位运行，正在发挥防洪、发电、通航及补水等综合效益。

三峡水库调度运用后，下泄的水沙条件已较自然条件下发生了较大变化，影响坝下游干流河道的水文情势，进而对坝下游河道防洪、航运、供水及生态环境等产生影响，故开展三峡水库调度运用对坝下游干流河道水文情势的影响研究具有十分重要的实际意义。本文利用坝下游长河段一维水沙数学模型计算分析了典型水文年条件下三峡水库运用对坝下游干流河道流量、水位与输沙量的影响，提出了三峡水库蓄水运行对坝下游干流河道水文情势影响的定量成果，可供三峡水库调度与坝下游河道治理参考。

1 一维水沙数学模型补充验证

本文采用已建立的三峡工程坝下游长河段一维水沙数学模型［1］，并利用新的实测资料对模型开展进一步验证。

1.1 验证计算条件

验证计算河段为宜昌至大通，全长约1 123 km（图1）。计算起始地形采用长江委水文局2002年、2003年施测的1／10 000水道地形图。计算时段为2003年至2009年，一天一个时段。进口水沙条件：长江干流进口水沙由宜昌站相应时段的逐日流量、含沙量控制，干流区间支流清江、汉江入汇以及洞庭湖和鄱阳湖出流水沙均采用同期的实测资料；下游出口控制水位采用大通站水位流量关系插值确定；荆江三口分流分沙按口门水位预分流试算确定。

1.2 长江干流河段冲淤验证

根据长江委水文局公布资料，2003年至2009年宜昌－湖口河段累计冲刷量实测值8.802亿m3，其中宜昌－枝城河段冲刷1.19亿m3，上荆江河段冲刷1.865亿m3，下荆江河段冲刷2.596亿m3，城陵矶－武汉河段冲刷0.798亿m3，武汉－湖口冲刷2.353亿m3（表1）。

表1 宜昌至湖口河段2003－2009年冲淤量验证Table 1 Verification of erosion and siltation volume from Yichang to Hukou during 2003－2009

三峡水库蓄水运用至2009年，数学模型计算宜昌－湖口河段累计冲刷量8.501亿m3，较实测值略小，相对误差－3.4%。其中，宜昌－枝城河段累计冲刷计算值为1.055亿m3，相对误差为－11.4%；上荆江河段累计冲刷计算值为1.914亿m3，相对误差为2.6%；下荆江河段累计冲刷计算值为2.544亿m3，相对误差为－2.0%；城陵矶至武汉河段累计冲刷计算值为0.836亿m3，相对误差为4.8%；武汉－湖口河段累计冲刷计算值为2.152亿m3，相对误差为－8.6%。

计算结果表明：各分段计算冲淤性质与实测一致，除宜昌－枝城河段和武汉－湖口河段的冲刷量计算误差偏大外，其他河段的计算误差均小于5%以内。本次验证的宜昌－枝城河段和武汉－湖口河段冲刷量计算误差偏大，其主要原因是实测值中包括了河道采砂量，若扣除这部分量，模型计算误差就比较小了。

1.3 主要站水位流量关系对比

以2006年、2008年宜昌、沙市、螺山、武汉、九江5站实测资料点绘水位流量关系曲线，同时标出计算的水位流量关系点，两者对比结果见图2。由图可知：沙市站的计算点除流量在10 000～20 000 m3／s之间，水位值较实测值略低0.1～0.2 m外，武汉站的计算点除流量在20 000～30 000 m3／s之间，水位值较实测值略低0.1～0.2 m外，其他的基本上都在实测点带之内；宜昌、螺山、九江站的计算水位值与实测值吻合较好，基本上都在实测点带之中；流量大于35 000m3／s以上，除螺山站的计算点在实测点带的上缘或稍偏大外，其他站计算点均在实测点带的范围内，符合较好。

图1 长江干流宜昌至大通河道示意图Fig.1 River channel from Yichang to Datong in Yangtze river mainstream

2 三峡水库运用对坝下游干流河道水文情势的影响

三峡水库按正常蓄水调度方式运用，下泄水量随水库调度方式运用改变坝下游水沙过程的年内分布，不同自然水文年经三峡水库的调度运用，其出库水沙过程也不一样，从而对坝下游干流河道水文情势的影响也不同。为了揭示三峡工程调度运用对不同典型年坝下游干流河道水文情势的影响，特以丰水、平水及枯水年份为对象，研究三峡水库调度运用对坝下游干流河道水文情势的影响。

2.1 丰平枯水文年确定

长江中下游入流量主要来自宜昌以上及两湖（洞庭湖、鄱阳湖）两江（清江、汉江）入汇，其下游大通站为主要控制站，宜昌以上来水量占大通站总来水量的48%，洞庭湖四水和鄱阳湖五河来水量分别占大通站总量的23%、17%，清江、汉江来水量分别占大通站总量的5%和7%。由于受各区域的降水分布及程度的影响，沿程主汛期不一，选用同一水文年代表全程的丰、平、枯水平年份存在一定的难度。

为了定量研究三峡水库运用对坝下游干流河道水文情势的影响，采用长江中下游宜昌至大通段主要水文站长系列年径流量实测资料，计算各站的经验频率曲线，然后比较中下游各站同频率代表年的差异，综合分析适合全河段丰、平、枯的代表年［2］。宜昌、沙市、监利、螺山、汉口、大通各站选用的年份系列超过50年，均能满足《水文计算规范》概率统计的要求。经统计分析，因1998年在各站中出现的频率均小于3.6%，且资料齐全，故以1998年作为长江中下游河段内的丰水年比较合适；沿程各站频率大于90%的枯水年出现机率较多，去掉最枯年份2006年、1972年和1978年，沿程各站均出现频率大于90%（监利站除外），监利站主要是受当时下荆江中洲子、上车湾两处人工裁弯和沙滩子自然裁弯的影响，改变了下荆江的过流能力，使监利站年径流量频率受到影响。故以1972年和1978年代表长江中下游河段内的枯水年比较合适。长江中下游沿程各站多年平均径流量值处于各自的计算频率为44%～53%，而各站计算频率为40%～55%的年份较多，但某一平水年年份同时出现在各站的情况很少，而1977年除沙市站外其它各站均出现。1977年各站的年径流量值与各自的多年平均径流量值比较看，偏差较大的是沙市站，宜昌站次之，其它站偏差小于±4.4%。因此选1977年代表长江中下游河段内的平水年较为合适。

经统计分析，长江中下游宜昌至大通河段内丰水、平水、枯水代表性水文年见表2：丰水年由1998年代表，除沙市站计算频率小于2%以外，其它各站的计算频率在3.3%左右，相当于30年一遇的水文年频率；中（平）水年由1977年代表，除沙市站外，沿程各站的计算频率为40%～55%之间，相当于2年一遇的水文年频率；枯水年选用2个典型年，城陵矶以上由1972年代表，城陵矶以下由1978年代表，沿程各站的计算频率基本大于95%（除监利站外），即枯水年保证率为94%～98%。

图2 水位流量关系比较Fig.2 Stage-discharge relations at different hydrological stations

表2 长江中下游不同典型年与计算频率比照表Table 2 Contrast of different typical years and calculation frequencies in them idd le and lower Yangtze River

2.2 三峡水库调度运用后坝下游干流河道流量变化

2.2.1 水库调度后坝下游多年平均流量变化

水库按正常蓄水175 m方式运行时（2009年9月以后），由于水库调度特点，汛期（6月11日至9月底）一般年份水库基本敞泄，大通站来水量变化不大。汛后水库开始蓄水，下泄流量减小，大通站流量随出库流量减小而减小，10月份平均流量相对建库前减小8 200 m3／s。枯水期1至4月水库为满足航运要求，蓄水位不低于枯季消落水位155 m运用，故1至3月份出库流量普遍增加，大通站月平均流量相应增加1 080～1 790m3／s。由于6月中旬库水位要降到防洪限制水位145 m，5月份出库流量加大，大通站月平均流量比建库前月平均值增大3 710 m3／s（表3）。

表3 三峡水库运用后大通站年内流量变化（175－145－155 m运用方式）Table 3 Changes of annual flow runoff after TGP’s operation at Datong hydrological station

表4 三峡水库运用后大通站流量变化表Table 4 Changes of discharge after TGP’s operation at Datong hydrological station m3／s

2.2.2 水库调度后坝下游丰平枯水平年流量变化

上述分析是考虑大通站多年平均情况。大通站天然年来水量变化复杂，影响因素多，牵涉面广，故选择丰、平、枯典型年进行初步预估。三峡水库初设阶段的调度方式，在枯水期是一月调一次，因此在以下分析中，枯水期（11，12，1－5月）以月平均进行统计。

根据大通站1951－1999年实测资料分析，大通站年来水量为9 050亿m3，1977年型接近多年平均水平，代表平水年；丰水年以1998年型代表；枯水年份较多，考虑枯期1－3月及蓄水期10月，枯水年选择1978年型代表。三峡水库调度运用后，大通站流量根据相应年份水库调度后的计算值与平、丰、枯水平年对应，比较情况见表4。

平水年：水库调度运用后蓄水期流量减少，枯水期流量增加。蓄水期10月平均流量比建库前平水年减少7 620m3／s，其中10月上旬平均流量减小最多约8 470 m3／s；枯水期1－3月平均流量比建库前平水年增加420～1 520 m3／s，其中2月份平均流量增加较多；汛前5月份为了腾空防洪库容下泄流量增加，5月的平均流量增加较多，约增加6 220 m3／s。平水年大通站月平均最小流量大于10 580m3／s，出现在3月份。

丰水年：水库调度运用后大通站蓄水期10月平均流量比建库前丰水年减少6 780m3／s，其中10月中旬平均流量减小最多约8 460m3／s；枯水期1－3月平均流量比建库前丰水年增加1 630～2 640 m3／s，其中2月份平均流量增加较多。丰水年大通站月平均最小流量大于11 300 m3／s，出现在12月份。

枯水年：水库调度运用后大通站蓄水期10月平均流量比建库前枯水年减少6 240 m3／s，其中10月上旬平均流量减小最多约6 690 m3／s；枯水期1－3月平均流量比建库前枯水年增加1 780～3 060 m3／s，其中3月份平均流量增加较多。枯水年大通站月平均最小流量8 970 m3／s，出现在10月下旬。

由表4看出，三峡水库蓄水运用后，水库调度对丰水年的来水情况影响相对较小，而平、枯水年的枯水期流量相对增加较多，改善了坝下游枯水期流量小的不利条件。但水库蓄水期（10－11月份）下泄流量减少，特别是10月下旬流量减少较多，且小于11月份平均流量26%～33%，缩短了坝下游河道浅滩段的走沙过程，对通航产生不利影响，同时枯水期时段延长以及河道冲刷，对坝下游的供水将带来新的影响。另外，汛前5月为了防洪下泄流量增加，对坝下游的春汛排涝也带来新的影响。因此，需在考虑坝下游支流水系来水的具体情况下，对三峡水库采取动态与科学合理的调度，尽可能减少对坝下游的不利影响。

2.3 水库调度运用后长江中游主要站水位变化

三峡水库运用后，水库调度即蓄水期和泄水期改变了坝下游来水过程及年内水量分布，沿程水位也相应发生变化（表5）：蓄水期（10月）沿程水位下降，泄水期（5月）和枯水期（1－3月）沿程水位抬高。另外坝下游河床冲刷对中游河段的中枯水位下降也有一定的影响。三峡工程蓄水后坝下游沿程水位变化主要以沙市、监利、螺山、汉口和九江站蓄水前后的水位进行对比分析，典型年采用前面确定的丰平枯水平年。考虑坝下游河段的水位变化一致性，枯水年统一选用1978年，丰水年和平水年不变，仍为1998年和1977年。

计算结果表明，三峡工程按正常蓄水位175－145－155m方式蓄水运用后，长江中下游沿程水位变化明显。枯水期（1－3月）水库下泄流量增加，坝下游水位相对蓄水前普遍抬高，其中枯水年受益较大，沙市至九江段各站月平均枯水位抬高1.96～0.57 m；泄水期（5月）水库加大泄量，下游水位相对抬高，其中平水年受影响较大，沿程各站月平均水位相对抬高1.75～1.06 m；蓄水期（10月）水库下泄流量减少5 200～8 500 m3／s，下游沿程旬平均水位相对下降1.25～3.68 m，其中平水年的水位下降较多。

综上所述，三峡水库运用后，坝下游沿程枯水期水位均有所抬高，其中枯水年水位抬高较多，丰水年次之，平水年抬高相对较少，遇枯水年时枯水期水位抬高0.57～1.96 m；沿程水位变化为：荆江河段水位抬高较多，城陵矶－汉口河段次之，汉口以下水位抬高相对较少。但蓄水期坝下游沿程水位均受到不同程度的下降，其中平水年水位下降较多，丰水年次之，枯水年水位下降较小。平水年时，蓄水期旬平均水位下降1.71～3.68 m，一般10月中下旬的水位下降较多，主要与来水条件相关，如果水库蓄水期适当提前，可缓解坝下游10月中下旬的低水位问题。

2.4 三峡水库调度运用后坝下游主要站输沙量变化

三峡工程2003年蓄水运用至2006年，水库入库沙量偏少，2003－2006年入库输沙量（寸滩＋武隆）分别为2.2，1.84，2.74，1.12亿t，宜昌相应来沙量分别为0.98，0.64，1.1，0.091亿t。对于小水少沙年或者大水丰沙年情况时，长江中下游输沙量如何，本文根据计算系列年中的小水少沙年及大水丰沙年各站输沙量进行相似比较分析。

在计算系列年中，三峡水库出库（宜昌站）年来沙量较小的年份有1969年型、1994年型，年来沙量较多的年份有1964年型、1968年型、1998年型。三峡工程蓄水运用至2012年和运用至2018年，宜昌站年输沙量较少的1994年型为0.89，0.66亿t，1969年型为0.9，0.98亿t。上述少沙典型年的年输沙量与三峡工程蓄水后2003－2005年的来沙情况基本相近，而长江中下游螺山、汉口、大通站相对应的年输沙量分别为1.35～2.08亿t、1.71～2.72亿t和1.72～2.93亿t，比蓄水后3年年输沙量分别减少45%～57%，20%～36%，25%～38%（表6），其中螺山站减少较多，汉口、大通2站减少较少。对少沙年而言，上游下泄沙量少，中下游输沙量也相应减少。三峡工程蓄水运用初期汉口至大通河段呈微冲微淤状态，而汉口以下段因支流、湖泊入汇的沙量不变，故水库下泄沙量减少的影响比上段要小些。

三峡工程蓄水运用后对于出库年输沙量较多的有1998年型2.76亿t和2.82亿t、1968年型2.47亿t和2.59亿t、1964年型2.22亿t（宜昌站），相应长江中下游螺山、汉口、大通站年输沙量分别为3.41～3.91亿t、4.71～4.97亿t和4.48～4.87亿t，与实际年来沙量比较：1964年型3站年输沙量分别减少23%，14%，30%；1968年型3站年输沙量分别减少26%，8%，23%；1998年型3站年输沙量则增加，约增加8%，32%，21%。对多沙年而言，上游下泄沙量多，中下游输沙量也相应增多，且九江至大通河段还会出现淤积。

表5 三峡水库运用后中下游主要站典型年水位变化表Table 5 Changes of water level in typical years atmain stations in m iddle and lower Yangtze River after the operation of TGP m

表6 三峡水库运用初期主要站典型年来沙量变化Table 6 Changes of incom ing sediment during the initial operation of TGP in typical years at 4 main stations

3 结论与建议

3.1 结 论

根据50多年实测资料统计，长江中下游宜昌至大通河段内丰水、平水、枯水代表性水文年分别为1998年、1977年和1972年（或1978年）。根据三峡水库下游长河段一维水沙数学模型对坝下游干流河道水文情势变化的计算分析，可知：枯水期与汛前增泄期三峡水库出库流量增加，其下游沿程水位较自然条件下相应抬高；蓄水期下泄流量减少，同时期沿程水位下降；若遇枯水年，水库蓄水使得下游来流量过小（10月下旬大通站平均流量小于9 000 m3／s），平水年蓄水期，坝下游水位下降较多，沿程水位下降1.71～3.68 m，给其航运与供水等带来不利影响；三峡水库运用后，因三峡大坝拦蓄，不同水文情势下进入坝下游泥沙均大幅度减少，沿程各站输沙量也相应减少（除1998年型外），但因坝下游河床冲刷补给及支流入汇，年输沙量沿程递增，因此城陵矶以下河段输沙量减少相对较小。

3.2 建 议

当三峡水库下游支流水系遇较枯的水文年，三峡水库应采取动态与科学合理调度的方法，尽可能减少对坝下游的不利影响；一般年份水库蓄水期可适当提前，以便缓解10月中下旬坝下游的低水位问题。

［1］ 潘庆燊.三峡工程泥沙研究［M］.武汉：湖北科学技术出版社，1997.（PAN Qing-shen.Research on Sedimentation of TGP［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，1997.（in Chinese））

［2］ 詹道江，叶首泽.工程水文学［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.（ZHAN Dao-jiang，YE Shou-ze.Engineering Hydrology［M］.Beijing：China Water Power Press，2000.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Impact of TGP Operation on the Hydrologic Regime in the Downstream M ain Channel of the Dam

HUANG Yue，YAO Shi-ming，LU Jin-you
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The operation of Three Gorges Project（TGP）changes the flow and sediment conditions in the downstream river channel of the dam，and will further affect the hydrologic regime of its downstream river channel.Using one-dimensionalmathematicalmodels of flow and sediment，the changes of flow，water level and sediment load influenced by TGPoperation along the downstream main river during high，average and low flow years are respectively calculated and analyzed.Results reveal that the flow increases during low-water and water-discharging seasons，and the downstream streamwise low water level of the dam rises accordingly.During storage period the discharge flow decreases and streamwisewater level drops.During a low-flow year，the impoundmentof the reservoir causes an excessively small inflow into the downstream river channel of the dam（with the average discharge at Datong hydrometric station less than 9 000 m3／s in late October）.Whereas during the storage period of an average flow year，the water level atmiddle and lower Yangtze River drops substantially with the streamwise water level drop in the range of1.71-3.68m，which influences the navigation and water supply in the downstream river channel of the TGP dam.

TGP；typical hydrological years；hydrologic regime；mathematicalmodel

TV146.1

A

1001－5485（2011）07－0076－06

2010-04-18

中国科学院知识创新工程重大项目（KZCX1－YW－08－01－02）；水利部公益性行业科研专项经费项目（200901004）

黄 悦（1956-），女，湖南长沙人，教授级高级工程师，主要从事河流数值模拟研究，（电话）027-82829871（电子信箱）yuehuang5688＠hotmail.com。