三峡工程运行后长江中下游河道设计频率水文年泥沙模拟研究

李振青，吴昌洪，李会云，杜晓阳

(长江科学院 a.河流研究所, b.空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

三峡工程运行后长江中下游河道设计频率水文年泥沙模拟研究

李振青a，吴昌洪a，李会云a，杜晓阳b

(长江科学院 a.河流研究所, b.空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

三峡水库运行以来，长江水沙发生很大的变化，为今后泥沙模型计算与试验水文条件的仿真性提供保证和依据,统计分析了三峡水库建库以来长江中下游泥沙的变化情况，并针对泥沙模型计算与试验中常选取的频率水文年的泥沙问题，做了详细的分析与研究。提出了泥沙模型中设计频率水文年所要模拟的沙质泥沙部分的处理方法与途径，即床沙质的输沙率过程采用流量输沙率关系推求设计洪水对应的沙量过程。并出于工程安全的考虑，采用流量输沙率关系的下包线作为沙量过程确定的依据。该方法较好地反映了三峡水库蓄水后泥沙量减少条件下的频率水文年泥沙模拟实际情况。

三峡工程;长江中下游;泥沙模型;床沙质；设计频率水文年

1 研究背景

三峡水库运行以来，长江中下游河段内水沙发生了很大的变化。其主要变化是，长江中下游来沙明显减少，受水库拦沙的影响，水库运行初期长江中下游泥沙减少幅度超过50%[1-2]。泥沙模型中(无论是实体物理模型还是数学泥沙模型)设计频率水文年的沙量设计，也必须考虑这种真实的影响。由于受一些条件的制约，泥沙模型中模拟的泥沙往往不是全部的泥沙，而是模拟长江来沙中参与造床作用的沙质部分的泥沙，而对悬沙中大量的冲泻质不予考虑。

在长江中下游河段内关于涉河工程，或河道整治工程研究中，往往需要采用实体物理模型和数学泥沙模型进行工程河段内河道冲淤模拟试验研究[3]。而在模型试验水文条件选取中，又往往需要进行模拟设计频率水文年，如设计100 a一遇或300 a一遇水文年，以研究设计频率水文年下河道的冲淤情况。在设计频率水文年中，如何考虑三峡建库后对泥沙中沙质泥沙的影响，需要根据三峡水库运行以来的来沙情况和历史上长江泥沙的基本情况，做出分析研究，为泥沙模型提供真实的模拟依据。

2 三峡水库运行以来长江水沙变化情况

由于三峡水库运行以来，长江水沙发生了明显的变化，按三峡水库蓄水运行前后分别统计的大通水文站流量和泥沙特征值见表1和表2。

表1 三峡水库蓄水运行前大通水文站流量和泥沙特征值统计Table 1 Statistics of flow and sediment eigenvalues atDatong Hydrological Station before Three GorgesReservoir impoundment

由大通水文站实测泥沙资料统计，2006，2007年年平均输沙量分别为0.85亿t，1.34亿t，占多年平均输沙量的20.8%，32.8%；2008年年平均输沙量为1.3亿t，2009年则为1.13亿t。从表2统计比较可知，自三峡水库蓄水以后，上游来沙量进一步减少，三峡建库后坝下游年均输沙量由4.3亿t减少为1.51亿t，减少幅度达64.8%；年均含沙量由0.479 kg/m3减少为0.172 kg/m3，减少幅度达64.1%。

3 模型中设计频率水文年泥沙模拟的问题研究

泥沙模型计算与试验中常常进行100 a一遇和300 a一遇典型水文年的模拟。如以1998年作为典型年，模拟100 a一遇和300 a一遇2个典型水文年洪水过程，按洪峰流量放大法进行放大，即按100 a一遇和300 a一遇洪峰流量与1998年最大洪峰的比值关系放大1998年汛期来水过程。图1即为1998年洪水过程线以及按1998年放大的100 a和300 a一遇洪水过程线。

图1 洪水过程线Fig.1 Flood hydrograph

在1998典型水文年沙量情况的基础上，100 a一遇和300 a一遇2个典型水文年的年输沙量和年内沙量的分配，需考虑长江上游建坝的影响。其减沙方案根据三峡工程建成后长江中下游实际沙量的变化，通过分析整理原型资料，找出来沙的变化规律，按一定规律关系确定不同沙量的分配。

对于沙量过程，以往的研究均根据一维模型计算结果进行确定。其中模型计算分别采用了20世纪60年代和90年代系列年过程。表3列出了三峡工程蓄水运用后大通水文站输沙量计算值与实测值的对比情况，可见无论是输沙量还是粒径大于0.1 mm(表示为>0.1 mm,下同)的床沙质输沙量，模型计算值都较实测值偏大，因此不能采用模型计算值作为参考。

表3 三峡工程蓄水运用后大通站输沙量计算值与实测值对比Table 3 Comparison between calculated and measuredsediment loads at Datong Hydrological Station afterThree Gorges Project impoundment

泥沙模型中对于河床冲淤问题的研究，其沙量过程的确定将重点放在参与河床变形的床沙质上。柯尔比[4]认为在缺乏实测床沙颗粒级配时，取泥沙的下限粒径0.062 5 mm作为床沙质和冲泻质的分界粒径；黄才安[5]统计了长江中下游各个河段的床沙质和冲泻质的分界粒径为0.03～0.11 mm。因此本文作者将0.062 5 mm作为长江中下游河段床沙质和冲泻质的分界粒径。在此，分别点绘了水库蓄水运用前1990—2003年、水库蓄水运用后2004—2010年大通水文站流量和床沙质输沙率(>0.062 5 mm)的相关关系(图2)。由图2可见，三峡水库蓄水运用后大通水文站流量与床沙质输沙率(>0.062 5 mm)的关系与蓄水前较为相似。三峡水库蓄水运用后，大通水文站同流量下床沙质输沙率(>0.062 5 mm)较建库前有所减小，但随着流量的增大，床沙质输沙率(>0.062 5 mm)也有所增大逐渐在恢复。因此可以考虑采用流量输沙率关系推求设计洪水对应的沙量过程。出于模型计算和试验研究安全的角度考虑，采用图2中流量输沙率关系的下包线作为沙量过程确定的依据。

图2 大通水文站流量与床沙质输沙率(粒径>0.062 5 mm)的相关关系Fig.2 Correlation between flow and transport rate of bed material load (particle size larger than 0.0625mm) at Datong Hydrological Station

图3为1998年床沙质含沙量过程线(>0.062 5 mm)以及图2确定的下包线推求的100 a

和300 a一遇床沙质含沙量过程线(>0.062 5 mm)。图3中显示了100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙质含沙量(>0.062 5 mm)过程线与1998年并不对应，产生差异的主要原因是1998年洪峰过程与沙峰过程存在一定的错动，而这里确定的100 a一遇和300 a一遇的床沙质含沙量过程(>0.062 5 mm)是考虑了水库蓄水运用后床沙质的恢复特性，由于主要依赖于河床补给，流量越大，从河床上冲起的泥沙也就越多，相应的含沙量也就越大。也就是说，1998年实际沙峰落后于洪峰约6 d的时间，而在设计100 a一遇和300 a一遇的床沙质含沙量过程(>0.062 5 mm)时，考虑了水库蓄水运用后床沙质的恢复特性，使得沙峰与来流量正相关，这是因为考虑了水量越大，相应的床沙质含沙量也就越大。因此最终使得设计的100 a一遇和300 a一遇频率洪水年的沙量过程与水量过程达到一致，这是有别于1998年实际沙量过程的根本原因。

图3 床沙质含沙量过程线(粒径>0.062 5 mm)Fig.3 Process curves of sediment concentration of bed material load (particle size larger than 0.0625mm)

根据上述确定的100 a和300 a一遇床沙质含沙量过程线(>0.062 5 mm)，在1998年总输沙量(>0.062 5 mm)0.55亿t的基础上，100 a一遇和300 a一遇设计洪水下相应的沙量分别为0.398亿t和0.438亿t。沙量的年内分配也按上图过程线予以确定。

根据以上研究，在确定的考虑三峡工程近期运行以来，物理模型或数学模型研究中关于设计频率水文年的泥沙模拟问题及处理方法，基本符合实际情况。

4 结 语

对于三峡建库后模型计算与试验中设计频率水文年中泥沙问题的模拟问题，本文做了详细的研究，给出了问题的处理方法。该方法把粒径0.062 5 mm作为床沙质和冲泻质的分界粒径，以统计出长江大通水文站历年中实测的床沙质含沙量的下包线为依据，推求出100 a一遇和300 a一遇洪水的床沙质含沙量，来最终代表模拟三峡大坝建成后设计频率洪水年的床沙质泥沙，较好地反应了泥沙的减少程度。该项研究成果在南京市纬三路长江隧道物理模型与数学模型计算中得到了应用[6]。在马鞍山二期河道整治研究中应用该处理方法模拟的100 a一遇洪水年的计算与模型试验成果为专家认可。是现阶段三峡工程运行初期较好的处理方法，比较能够反映现阶段的实际情况。

[1] 董耀华,惠晓晓,蔺秋生.长江干流河道水沙特性与变化趋势初步分分析[J].长江科学院院报，2008，25(2):16-20.(DONG Yao-hua, HUI Xiao-xiao, LIN Qiu-sheng. Preliminary Analysis on Characteristics and Changing Tendency of Annual Runoff and Sediment Load in Changjiang River Main Channel [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2008, 25(2):16-20. (in Chinese))

[2] 胡向阳，张细兵，黄 悦.三峡工程蓄水后长江中下游来水来沙变化规律研究[J].长江科学院院报, 2010, 27(6): 4-9.(HU Xiang-yang, ZHANG Xi-bing, HUANG Yue. Research on Changes of Coming Sediment and Coming Water of Middle-Lower Yangtze River after TGP Early Operation [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(6): 4-9. (in Chinese))

[3] 王光谦.河流泥沙研究进展[J].泥沙研究,2007, (2):64-81.(WANG Guang-qian. Advances in River Sediment Research[J]. Journal of Sediment Research, 2007, (2):64-81.(in Chinese))

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[6] 李振青,廖小勇.南京市纬三路长江隧道工程河工模型试验研究报告[R].武汉：长江科学院，2011. (LI Zhen-qing, LIAO Xiao-yong. Report on the River Model of Tunnel Crossing the Yangtze River at Weisan Road in Nanjing City[R]. Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute, 2011. (in Chinese))

(编辑：赵卫兵)

Study on the Simulation of Sediment in Hydrological Year ofDesigned Frequency in the Middle-Lower Reaches of Yangtze Riverafter the Three Gorges Project Operation

LI Zhen-qing1, WU Chang-hong1, LI Hui-yun1, DU Xiao-yang2

(1.River Research Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The water flow and sediment in Yangtze River have changed remarkably since the operation of Three Gorges Reservoir. To provide guarantee and basis for the simulation of hydrological conditions in sediment model calculation, we statistically analysed the variation of sediment in the middle-lower Yangtze River since the Three Gorges Reservoir impoundment. On this basis, we carried out detailed research on the sediment problem of hydrological year of designed frequency which is often selected in sediment model calculations and tests. We proposed the method and approach of dealing with sandy sediment in sediment model which is to deduce the sediment process of designed flood according to the relationship between flow rate and sediment transport rate. Moreover, in consideration of project safety, we proposed to take the lower enveloping curve of flow rate versus sediment transport rate as the basis of determining sediment process. Through this method, the sediment condition in hydrological year of designed frequency when sediment load decreases could be well reflected.

Three Gorges Project；middle-lower reaches of Yangtze River; sediment model; bed material load;hydrological year of designed flood frequency

2013-10-11;

2013-11-22

李振青(1963-)，男，河南泌阳人，教授级高级工程师，主要从事河道治理研究，(电话)13971064580(电子信箱)heliusuo@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.003

TV147

A

1001-5485(2015)02-0011-03

2015,32(02):11-13,19