三峡库区（175 m运用初期）设计最低通航水位计算方法研究

朱代臣,佘俊华,樊书刚

（长江重庆航运工程勘察设计院,重庆 401147）

三峡库区（175 m运用初期）设计最低通航水位计算方法研究

朱代臣,佘俊华,樊书刚

（长江重庆航运工程勘察设计院,重庆 401147）

文章结合三峡蓄水运行实践综合分析了三峡工程蓄水以后库区设计最低通航水位的主要影响因素和计算的难点及解决方案,并在2004版《内河通航标准》中有关枢纽上游河段设计最低通航水位计算方法的符合性规定基础上,分析和总结了三峡库区（175 m运用初期）设计最低通航水位的计算方法,加强了方法的针对性和操作性。

设计最低通航水位；影响因素；计算方法；三峡库区

Biography：ZHU Dai⁃chen（1981-），female，engineer.

三峡库区属于川江中下段,自从三峡工程2003年开始蓄水,坝前水位抬高,流速减缓,库区河段航道条件与河床演变开始发生极大变化。蓄水至今,三峡水库共经过了135～139 m围堰发电期和144～156 m初期运行期,2008年9月底进入175-145-155 m试验性蓄水阶段,并在2010年10月26日成功蓄至175 m,首次达到工程设计的最高蓄水位。随着蓄水进度的推进,回水末端逐渐上延,最终到达江津红花碛河段,之下共约670 km河段全部进入了三峡库区［1］。

设计最低通航水位（简称“设计水位”）是航道规划与整治设计的重要指标。设计水位的高低直接关系到航道整治工程的投资,定低了,整治工程投资大,对行船安全有利,定高了,工程投资小,但船舶安全通航保证率低。设计水位的合理性取决于计算方法的合理性。目前,国内外计算设计水位大都是对具有良好一致性的长系列水文数据进行统计分析,研究对象以没有水利枢纽影响的天然河流为主,常用的计算方法大致分为算术平均法、综合历时曲线法和保证率频率法三类［2］,而对受水利枢纽影响的库区通航水位的研究较少。在我国,近期随着各流域水电开发的快速发展,对受水利枢纽影响的库区河段的通航水位确定方法思考逐渐增多［3-5］。2004版《内河通航标准》对确定枢纽上游河段通航水位有一定的原则性规定［6］,标准规定总体上是科学的,但从三峡工作实践看,库区通航水位影响因素众多,尤其是变动回水区,水位变化复杂,设计水位对变动回水区航道的整治与维护又非常重要和敏感。因此有必要在2004版《内河通航标准》对枢纽上游河段设计最低通航水位确定方法的符合性规定的基础上进一步分析研究,使得方法更具有针对性和操作性。

1 设计水位影响因素

与蓄水前的天然河流相比,蓄水后的库区河段设计水位不仅与来流量有关,还与坝前水位有关,在水库达到冲淤平衡之前,还要受累积性淤积影响。

（1）坝前水位的影响。三峡蓄水以后,坝前水位受人为调控,汛期基本保持在一定的低水位运行（防洪限制水位期）,汛后逐渐减小下泄流量,抬高库水位（水位抬升期）,冬季枯水期又基本保持在一定的高水位运行（正常蓄水期）,到了次年又开始逐渐增加下泄流量,降低库水位至防洪限制水位（消落期）。

天然河流的水位主要取决于来流量的大小,而蓄水以后受人为调控的坝前水位成为重要的影响因素。枯水期高水位运行改变了蓄水前绝对的大流量高水位、小流量低水位规律,须分时段和河段区别看待。常年库区,由于水流平缓,水位主要取决于坝前水位的高低;变动回水区,随着回水末端的变动,坝前水位的影响范围不断发生变化,在回水影响范围内,水位主要受雍水影响,脱离回水影响则取决于来流量的大小,而在回水末端,水位受坝前水位和来流量的双重影响。根据三峡175 m正常运行方案,坝前水位基本在175 m和145 m之间变动,因此常年库区的设计水位接近145 m,出现在防洪限制水位期;正常蓄水期（11～12月）坝前水位基本保持175 m的高水位运行,又因这个时期来流量不大,变动回水区也基本保持175 m,消落期（1～6月上旬）变动回水区逐渐脱离坝前雍水的影响,又因是枯水时期,流量小,所以消落期是变动回水区出现年最低水位的时期,但不同的河段出现年最低水位的具体时间又是不一样的,因此变动回水区的设计水位最难以把握。

（2）入库流量的影响。尽管蓄水后坝前水位成为了库区河段设计水位的重要影响因素,但来流量的影响仍然存在。变动回水区在完全脱离坝前水位影响期间同天然河道,水位仍取决于来流量大小,遵循水位流量关系;受坝前水位影响的河段则既有坝前水位的影响也有入库流量的影响,尤其是回水末端两者的作用都非常重要。

（3）库区泥沙淤积。由于大坝拦水,库区河道流速减缓,在正常运行前期容易形成累积性淤积,通过目前三峡库区原型观测知,某些河段已经发生了较严重的累积性淤积,尤其是某些滩险河段。产生累积性淤积后在相同来流量下淤积河段水位有所抬高,甚至引起上下游水面线的变化。因此严格意义上的设计水位是在随着河床的淤积而发生变化的。

2 设计水位的计算难点及解决方案

通过分析,三峡库区设计最低通航水位的计算存在以下几方面的困难：

（1）若采用天然河道设计最低通航水位的统计方法,则需要同一站点多年观测的水位资料,通常不少于20 a,并且要求具有良好一致性。但在水库运行初期,运行时间短,实际观测数据少,运行方案也不稳定,自然缺乏具有良好一致性的长系列年水文观测数据。在这种情况下,若一定要得到所需的水位数据,则需借助目前应用较多的数学模型手段。

（2）库区河段水位受到入库流量和坝前水位的双重影响,而入库流量具有随机变化性,坝前水位受人为调控,尽管有一定的调度方案,但调度方案偏于原则性,往往因为无法估计的自然因素,计划的调度方案被打破,具体到每天的控制水位更存在较大的不确定性。因此,必须同时考虑入库流量与坝前水位,采用两者的对应组合。

（3）三峡水库经历了围堰发电期、初期运行期和试验运行期,于2010年10月底成功蓄至175 m,库区泥沙累积性淤积逐渐体现。三峡水库正常运行才刚刚开始,不管是变动回水区还是常年库区,泥沙淤积还将持续较长时间才能达到冲淤平衡。如何反映库区累积性淤积引起的设计水位变化,也是确定三峡水库设计水位计算方法所遇到的难题之一。解决这一难题的方法要么是较准确预测出将来的冲淤变化量,要么通过定期校核设计水位成果来实时调整设计水位。鉴于目前河流泥沙模拟技术尚不成熟,模拟结果不一定可靠,所以本文推荐采用最新实测资料定期复核的方式来解决库区泥沙淤积引起的设计水位变化的问题。

3 设计水位计算方法

我国经过制定和多次修订“内河通航标准”,在2004版“内河通航标准”中对枢纽上游河段的设计最低通航水位计算方法作出了较明确的规定：“枢纽上游河段设计最低通航水位应按标准中规定的多年历时保证率（即Ⅰ、Ⅱ级航道多年历时保证率不小于98%，Ⅲ级航道取98%）的入库流量与相应的坝前消落水位组合,以及坝前死水位或最低运行水位与相应的各级入库流量组合,得出多组回水曲线,取其下包线作为沿程各点的设计最低通航水位,并应计入河床冲淤可能引起的水位变化值”,简称该方法为下包络线法。

下包络线法综合考虑了前文分析的设计水位主要影响因素,也通过计算多条坝前水位与入库流量组合下的水面线解决了缺乏具有一致性的长系列年水位数据的难点。但具体到受某一特定水利枢纽影响河段,设计水位确定方法的步骤、组合情况及某些参数选择等还需进一步明确。对于长江三峡水利枢纽上游库区河段的设计水位确定方法,则要紧密结合三峡运行实际情况和库区河段的水沙与航道条件,研究确定更具针对性和操作性的计算方法。

（1）计算手段。时段保证率流量与相应坝前低水位组合下的水面线是人为构造的一条时段内较低的水面线,水库运行过程中不一定会出现,不太可能通过实际观测得到,但是可以借助数学模型模拟计算得到。目前一维、二维水流数学模型在水力学及河流动力学中应用广泛,技术也比较成熟,可以用于计算上述特定的水库回水曲线。

（2）入库流量。考虑三峡水库的区间汇流和沿程支流入汇,入库流量宜采用分段控制。目前库区有寸滩和万州两个水文站,库尾上游最近的水文站为朱沱水文站。库区主要有两大支流入汇,嘉陵江在朝天门入汇,乌江在涪陵入汇。因此,根据主要支流入汇情况,水文站流量控制河段范围如下：江津到朝天门河段用朱沱流量控制,朝天门到涪陵用寸滩流量控制,涪陵以下用万州流量控制。

根据下包络线法的规定,入库流量取规定的多年历时保证率流量。从水沙条件变化分析知,三峡蓄水前后,长江上游来流量的大小及年内分配没有发生明显的变化,近期流量资料具有良好的一致性。因此,套用天然河流设计最低通航水位计算时的资料取用条件,入库流量系列取近期不少于20 a的日平均流量数据系列。

时段内流量的保证率与航道等级对应确定。重庆九龙坡—三峡大坝目前航道等级已经达到Ⅱ级,规定多年历时保证率不小于98%,在航道工程实践中,一般取98%;九龙坡到江津航道等级为Ⅲ级,对应通航保证率为98%。

（3）坝前水位。根据三峡蓄水以来三峡—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程及运行实践情况,各运行阶段都有相对稳定的调度方案,三峡正常蓄水以后也会制定并不断优化相应的调度方案。目前,根据三峡水利枢纽初步设计制定的175-145-155 m水位运行方案,结合2008年9月以来的175 m试验性蓄水运行方案和系列优化研究,确定三峡水库正常运用期坝前水位典型调度过程为：9月1日开始蓄水,10月31日蓄至175 m,11月1日至12月31日按175 m运行,次年1月1日开始消落,2月28日消落至165 m,5月25日消落至155 m,6月10日前消落至汛限水位145 m,至9月1日按145 m运行。设计水位计算时,坝前水位应根据计算当时的运行调度规程和防洪调度方案具体分析确定。

（4）入库流量与坝前水位的组合关系。已知了入库流量和坝前水位过程,按照下包络线法规定,最重要的是确定两者的组合关系。显然两者应按时间对应,消落期的入库流量与坝前消落水位组合,坝前死水位或最低运行水位与相应的入库流量组合。然而消落期是1月1日～6月10日,历时长,坝前水位消落幅度也大,因此,对整个消落期再进行时段划分才更接近实际情况,尤其是5月25日～6月10日消落速度快,日均消落0.6 m,时段划分要更细。坝前145 m水位期间,则无需细分,因坝前水位相同时,水面线取决于入库流量的大小,构成下包线的水面线一定是入库流量最小的那一条。

各时段的坝前水位依据典型调度过程线,建议取时段内最低消落水位,因入库流量极小时要保证水库下游的供水,坝前水位很可能低于典型调度线运行。

入库流量取时段内98%保证率流量。时段内保证率流量的统计与多年历时保证率水位计算方法类似：取每年某个时段（如每年的1月1日～1月31日）的逐日平均流量资料,作为一个集合,分级统计,并绘成曲线,即综合历时曲线,从曲线上查出通航保证率对应的流量。

（5）河床冲淤。三峡水库的河床冲淤调整是一个较长时期内的变化过程,对水位的影响尤其是低水位的影响将比较明显。数学模型可以计算河床冲淤,但目前水沙数学模拟技术还不成熟,模拟结果的精度不能保证,因此,建议数学模型计算设计水位时不计算泥沙,而是通过采用当时实际地形计算并定期复核计算成果或重新计算的方式,以消除河床冲淤对设计水位的影响,时间期限可以是3～5 a,具体年限视河床冲淤引起的水位变化程度而定,这样还有助于减少调度方案变化和其他不确定因素的影响。

总结起来,三峡库区（175 m运用初期,江津～三峡大坝河段）设计最低通航水位的计算方法步骤如下：

①根据三峡正常运行期水库调度规程及调度实践总结,确定三峡坝前水位典型调度过程;②将典型调度过程中的消落期划分为多个时间段（消落越快,时段划分越细）;③选取入库和库区水文站（朱沱、寸滩、万州）近期具有一致性、不少于20 a的逐日平均流量资料,计算消落期各个时段和防洪限制水位期（坝前145 m）多年历时保证率98%的流量,用朱沱站控制江津到朝天门河段流量,寸滩站控制朝天门到涪陵河段流量,万州站控制涪陵以下河段流量;④基于最新淤积地形,采用水流数学模型计算手段,计算每个时段坝前消落最低水位与保证率流量组合时的回水曲线,取这些回水曲线的下包线作为沿程各点的设计最低通航水位;⑤每隔3～5 a进行一次计算成果复核或者重新计算,及时调整设计水位,以消除河床冲淤变化、调度方案调整以及上游水沙条件变化等因素的影响。

4 结语

三峡成库以后,原天然山区河道成为河道型水库,其设计水位由受来流量单一影响发展成受坝前水位、来流量大小以及累积性淤积等多重因素影响。在缺乏具有一致性的长系列水位观测资料的情况下,提出采用水流数学模型计算手段,在“04内河标准”下包络线法的基础上,结合三峡水库175 m正常运行规程和调度实践,较详细地分析和总结了用于三峡库区175 m运用初期具有较强针对性和操作性的设计最低通航水位计算方法。

［1］长江重庆航运工程勘察设计院.三峡工程航道泥沙原形观测2003-2010各年度分析报告［R］.重庆：长江重庆航运工程勘察设计院，2003.

［2］邱大洪.工程水文学：港口航道及海岸工程专业用［M］.北京：人民交通出版社,2004：120-126.

［3］张幸农,吴建树.枢纽及其上下游河段通航设计水位确定若干问题探讨［J］.水道港口，2005（S）：130-132.

ZHANG X N,WU J S.Investigation of navigable stage in the upstream and downstream channel of hydroproject［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005（S）：130-132.

［4］黄村显,周丽云,潘明煌,等.郁江西津枢纽上游航道设计最低通航水位的分析［J］.水运工程,2005（10）：67-69.

HUANG C X,ZHOU L Y,PAN M H,et al.Design Lowest Navigable Stage of the Upstream Channel of Yujiang Xijin Hydropower Junction［J］.Port&Waterway Engineering,2005（10）：67-69.

［5］白金嘉.水口电站库区回水变动段最低通航水位分析［J］.水运工程,2005（6）：57-62.

BAI J J.Analysis of Lowest Navigable Stage at Fluctuating Backwater Area of Shuikou Power Station Reservoir Region［J］.Port&Waterway Engineering,2005（6）：57-62.

［6］GBJ50139-2004,内河通航标准［S］.

Computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）

ZHU Dai⁃chen,SHE Jun⁃hua,FAN Shu⁃gang
（Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute,Chongqing401147,China）

A method of calculating the designed lowest navigable stage is the key to obtain the exact value.Based on implementation of the Three Gorges Reservoir,the main influencing factors,calculation difficulties and solutions of the designed lowest navigable stage were analyzed in this paper.On the basis of the 2004 edition ofNavigation standards of inland waterway,the computational method of designed lowest navigable stage for the Three Gorges Reservoir（175 m early period）is put forward and studied,which is more practical and operational.

designed lowest navigable stage;influencing factor;computational method;the Three Gorges Reservoir

U 617.9；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0171-04

2012-12-03;

2013-01-05

西部交通建设科技项目（201132854810）

朱代臣（1981-）,女,重庆云阳人,工程师,主要从事河流动力学及航道整治的设计与研究工作。