重庆小南海枢纽运用后坝下游近坝段水位变化研究

黄建成， 黄 悦

( 长江科学院 河流研究所，武汉 430010)

重庆小南海枢纽运用后坝下游近坝段水位变化研究

黄建成， 黄 悦

( 长江科学院 河流研究所，武汉 430010)

为了分析小南海枢纽运用后坝下游近坝段河道水位的变化特性，基于物理模型试验和一维泥沙数学模型计算，研究了小南海枢纽运用初期和运用20 a末，不同特征流量条件下，坝下游近坝段河道水位的变化过程，以及引起水位变化的主要原因。研究表明：小南海枢纽运用后，坝下游约4 km河段范围内，水位较建坝前有不同程度下降，坝下游0.4 km处水位最大下降约1.47 m，出现在枢纽运用初期的枯水流量时；坝下游4 km以下河段水位，在枢纽运用初期下降甚少， 随着三峡水库运行年限增加，库区泥沙淤积增多，水位逐渐高出初期水位，在枢纽运用20 a末，坝下游8.2 km处水位较初期水位最大升高约0.6 m；引起坝下游近坝段河道水位变化的主要原因是施工期坝下游河床的开挖和三峡水库调度及泥沙淤积。

小南海枢纽； 坝下游近坝段； 水位； 物理模型；数学模型

1 研究背景

拟建的小南海枢纽工程位于长江上游宜宾至重庆主城区河段，是《长江流域综合利用规划报告》推荐梯级开发方案的重要枢纽，是三峡水利枢纽的上游衔接梯级。坝址位于珞璜镇下游约1.0 km处，上距江津区约28.5 km，下距重庆主城区约40 km。枢纽正常蓄水位197 m，死水位195 m，库区防洪控制水位193 m，总库容13亿m3，总装机容量2 030 MW。枢纽主要建筑物分别布置在大中坝江心洲两侧,从左至右依次为：左岸连接段、船闸坝段、左溢流坝段、左电厂坝段、右电厂坝段、右溢流坝段、右岸连接段[1](图1)。

图1 小南海枢纽平面布置

水利枢纽修建后，坝下游近坝段河道中、枯水期同流量的水位较建坝前有不同程度的降低，如丹江口枢纽下游6.0 km处黄家港站水位下降1.3 m(1960—1967年，相应流量1 000 m3/s), 万安枢纽下游2.3 km处西门站水位下降1.04 m(1986—1996年，相应流量165 m3/s)，葛洲坝枢纽下游6.0 km处宜昌站水位下降0.8 m(1981—1992年，相应流量4 000 m3/s)，水位下降幅度与近坝段河道的河床开挖、采砂、坝下游河道局部冲刷和长距离冲刷等因素有关[2-4]。由于小南海枢纽处于三峡水库变动回水区的上段，枢纽运用后同流量坝下游水位不仅受上述因素的影响，同时还受三峡水库调度和库区泥沙淤积的影响，水位问题十分复杂。因此，在小南海枢纽可研阶段开展对枢纽运用后坝下游近坝段水位的研究，搞清楚水位变化规律，对确定船闸下闸首门槛设计高程，保证坝下游中、枯水期航道船舶航行安全，充分发挥枢纽的航运效益具有重要的意义。

2 河道概况

小南海枢纽坝区河段上起大猫峡进口，下至渔洞溪，全长约14 km。河道平面形态微弯，大中坝沙洲将长江分为左汊和右汊，左汊为主汊，宽约900 m，右汊为支河，宽约350 m；坝址位于大中坝中偏上部(图2)。该河段洪水时江面最窄处约300 m(大猫峡段)，最宽处可达2 000 m(大中坝分汊段)；河道两岸多为低山丘陵和阶地组成，岸线稳定；河床则多为砂卵石覆盖，抗冲性较好，多年来河道滩槽位置相对固定，年际间河床冲淤变化较小，河势较稳定。

据该河段上游约100 km处的朱沱水文站50 a水沙资料统计(1954—2004年)，该站多年平均流量8 610 m3/s，多年平均径流量2 687亿m3，其中5—10月径流量2 120亿m3，为年径流量的79%，实测最大流量为53 400 m3/s(1966年9月)，最小流量为1 910 m3/s(1999年3月)；朱沱站多年平均输沙量为3.03亿t，含沙量为1.13 kg/m3，中值粒径为0.012 mm，沙卵石推移质输沙量为26.4万t，卵石推移质中值粒径为52.1 mm。1991年以后，朱沱站径流来量变化不大，但泥沙来量有所减少，1991—2004年平均输沙量较多年平均减少了9%。

图2 小南海枢纽坝区河段河势

3 研究方法

3.1 物理模型

利用小南海枢纽坝区河工模型研究枢纽运用后坝下游近坝段水位变化，该模型模拟的河段范围全长约18.5 km，模型上起铜罐驿河段的猫港(坝址上游10.0 km)，下至鱼洞河段的王家溪(坝址下游8.5 km)。模型按几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似和河床冲淤变形相似准则进行设计。模型平面比尺αL=150，垂直比尺αh=150，为几何正态。模型沙选用株洲精煤，其密度为1 330 kg/m3。

模型采用2007年4月该河段实测地形制模，进行了水面线、断面流速分布和河床冲淤变化的验证。结果表明，各项验证指标均符合《河工模型试验规程》(SL99—2012)要求，模型设计、选沙及各项比尺的确定基本合理，能够保证正式试验成果的可靠性[5]。

3.2 数学模型

为配合物理模型试验，需进行三峡水库泥沙淤积和回水水位的长系列年计算，为物理模型试验提供出口边界条件。三峡水库泥沙冲淤计算采用以不平衡输沙理论为基础建立的一维水沙数学模型，该模型经过实测资料的验证，在三峡工程论证和设计阶段发挥了重要作用。本次计算采用1991—2000年典型系列年长江干流朱沱站、嘉陵江北碚站、乌江武隆站的水沙资料作为三峡入库控制条件，同时考虑上游干流溪洛渡、向家坝水库蓄水拦沙的影响和支流嘉陵江亭子口水库拦沙的影响，出库流量及坝前水位按三峡枢纽调度原则控制[6-8]。

3.3 试验条件

(1) 试验流量：为研究枢纽运用后坝下游近坝段水位变化，试验共选取洪、中、枯9级典型流量作为试验特征流量，分别是2 300 m3/s(最低通航流量)，4 000 m3/s(枯期流量)，8 610 m3/s(多年平均流量)，14 320 m3/s(电站额定流量)，20 000 m3/s(汛期流量)，25 000 m3/s(汛期流量)，35 000 m3/s(最大发电流量)，42 600 m3/s(最大通航流量)，526 000 m3/s(20 a一遇洪水流量)。

(2) 试验控制水位：坝前控制水位及枢纽开启方式按设计提供的枢纽调度原则控制。模型出口(尾门)水位由三峡水库一维水沙数学模型提供的计算成果控制。

(3) 试验河床地形：小南海枢纽运用初期试验河床地形，采用2007年4月长江水利委员会水文局实测的该河段地形；枢纽运用20 a末试验河床地形，采用小南海枢纽运用20 a系列河工模型试验成果，以枢纽运用至20 a末坝区河段模型测量地形作为试验地形。

3.4 试验方案

根据小南海枢纽设计方案，工程建设中将对大中坝洲体及坝址下游2.6 km长河段河床进行较大范围的开挖(图1)。其中大中坝左汊原河床高程165～173 m,枯水期河宽550 m，开挖后河床高程降为156～170 m,枯水期河宽扩展至700 m；大中坝右汊开挖成导流明渠原河床高程170～173 m,枯水期河宽200 m，开挖后河床高程降为166～168 m,枯水期河宽扩展至350 m。

根据小南海枢纽坝区河工模型试验成果[3]，枢纽运用20 a末，水库排沙比已达98.0%，坝区河段河床基本达到冲淤平衡，坝下游8.5 km河段范围内河床累积冲刷量为686.7万m3，其中，大中坝左汊段累积冲刷量162.3万m3，右汊段累积淤积量11.4万m3，大中坝洲尾—王家溪浅滩段累积冲刷量535.8万m3。

鉴于上述情况，在模型试验中拟定了2个不同控制水位与河床地形方案来研究坝下游近坝段水位的变化，分别是小南海枢纽运用初期河床地形及相应的模型出口控制水位方案，小南海枢纽运用20a末河床地形和相应的模型出口控制水位方案。

4 坝下游水位变化成果分析

4.1 坝下游0.4 km处水位变化

在枢纽船闸设计中，下闸首门槛高程的确定与坝下游0.4 km处水位变化关系密切，它直接影响到船闸的通行能力,试验结果见表1。小南海水库运用初期，坝下游0.4 km处，枯水期流量2 300～4 000 m3/s时，水位较建坝前最大下降1.23～1.47 m，出现在三峡水库消落期；中水期流量8 610～14 320 m3/s时，水位较建坝前最大下降0.86～0.93 m, 也出现在三峡水库消落期；洪水期流量20 000～52 600 m3/s时，水位较建坝前下降0.22～0.76 m。

表1 坝下游0.4 km处水位变化试验成果

小南海水库运用20 a末，坝下游0.4 km处水位变化规律与水库运用初期相似，但水位下降幅度小于水库运用初期，枯水期流量2 300～4 000 m3/s时，水位较建坝前最大下降1.14～1.39 m；中水期流量8 610～14 320 m3/s时，水位较建坝前最大下降0.68～0.81 m；洪水期流量20 000～52 600 m3/s时，水位较建坝前下降0.02～0.32 m。

由于坝下游2.6 km河段是枢纽工程建设中河床开挖的主要区域，因此坝下游0.4 km处水位的下降主要是由于河床开挖所至。

4.2 坝下游3.3 km处水位变化

小南海枢纽坝区河段为卵石夹砂河床，床沙粒径范围0.25～250 mm,中值粒径d50为70.2 mm，河床抗水流冲刷能力较强。根据物理模型试验结果，枢纽运用20 a末，坝下游8.5 km河段范围内河床累积冲刷量仅为686.7万m3，主要冲刷段在大中坝洲尾-王家溪长6.0 km河段[3]。因此坝下游3.3 km处水位变化主要是受三峡水库回水的影响，试验结果表明(表2)，小南海水库运用初期，坝下游3.3 km处，枯水期流量2 300～4 000 m3/s时，水位较建坝前最大下降0.09～0.12 m，出现在三峡水库消落期；中水期流量8 610～14 320 m3/s时，水位较建坝前最大下降0.05～0.11 m，仍出现在三峡水库消落期；洪水期流量20 000～52 600 m3/s时，水位较建坝前下降0.04～0.09 m。

表2 坝下游3.3 km处水位变化试验成果

小南海水库运用20 a末，坝下游3.3 km处，枯水期水位下降值较水库运用初期有所减小，流量2 300～4 000 m3/s时，水位较建坝前最大下降0.05～0.07 m；中、洪水期水位较建坝前有不同程度的升高，流量8 610～14 320 m3/s时，水位较建坝前升高0.02～0.36 m；流量20 000～52 600 m3/s时，水位较建坝前升高0.20～0.37 m。主要原因是小南海枢纽运用20 a末，相应三峡水库运行40 a末(枢纽工程按2015年开工建设，施工工期8 a计算[1]，三峡工程运行时间按2003年初期蓄水开始计算)，三峡水库库尾水位受库区泥沙淤积增加的影响较初期有不同程度的上升。

4.3 坝下游8.2 km处水位变化

小南海枢纽坝下游8.2 km处水位是本次试验中模型出口的控制水位，由三峡水库一维长系列年泥沙数学模型计算提供，计算中考虑了三峡水库调度和库区泥沙淤积对小南海枢纽坝下游水位的影响。计算结果表明(表3)。小南海枢纽运用20 a末，坝下游8.2 km处水位较枢纽运用初期有不同程度的升高，枯水期流量2 300～4 000 m3/s时，在三峡水库消落期，水位升高0.12～0.14 m，蓄水期水位变化不大；中水期流量8 610～14 320 m3/s时，在三峡水库消落期水位升高0.24～0.48 m，蓄水期水位升高0.20～0.32 m，汛期水位升高0.63 m；洪水期流量20 000～52 600 m3/s时，水位升高0.31～0.68 m。可见，受三峡水库调度和库区泥沙淤积影响，小南海枢纽运用20 a末坝下游8.2 km处水位较枢纽运用初期有不同程度升高，其中汛期升幅最大，中水期次之，枯水期影响最小。

表3 坝下游8.2 km处水位变化试验结果

综上所述，小南海枢纽坝下游近坝段水位的变化，主要受坝下游河床开挖和三峡水库回水变化的影响。在坝下游约4.0 km范围内，水位以下降为主，最大下降值出现在枢纽运用初期枯水流量时，随着三峡水库运行年限的增加，水库泥沙淤积增多，水库回水位有所升高，该河段内水位降幅有所减小；坝下游3.3 km以下河段，枢纽运用初期水位较建坝前有所下降，随着三峡水库泥沙淤积的增加，水库回水位的上升，该处水位将逐渐升高，并高于枢纽运用初期水位。因此，小南海枢纽坝运用后，坝下游河段同流量下水位的降低主要出现在坝下游约4.0 km长的河段范围内。

5 结论与建议

(1) 小南海枢纽修建后，坝下游近坝段水位较建坝前发生一定程度的变化，其变化幅度与施工期坝下游河床开挖、三峡水库调度与泥沙淤积、枢纽清水下泄河床冲刷等因素有关，其中前2个因素是造成坝下游近坝段水位变化的主要原因。

(2) 小南海枢纽运用后，坝下游约4 km河段范围内，水位较建坝前有不同程度下降，坝下游0.4 km处水位最大下降为1.47 m；坝下游4 km以下河段水位, 在枢纽运用初期水位下降甚少，随着三峡水库运行年限增加，库区泥沙淤积的增多，河段水位逐渐升高并高于枢纽运用初期水位，坝下游8.2 km处枢纽运用20 a末水位较初期最大升高约0.6 m。

(3) 鉴于问题的复杂性和敏感性，建议下一阶段应加强对小南海枢纽河段原型水位观测，进一步分析三峡水库运用对该河段水位的影响。

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(编辑：曾小汉)

Fluctuation of Water Level in the Downstream River Course Near Damafter Operation of Xiaonanhai Hydropower Project in Chongqing

HUANG Jian-cheng, HUANG Yue

(River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010，China)

Through physical model and one-dimensional mathematical model, we analysed the water level variation under different characteristic discharges and the causes of the variation in the downstream river course near Xiaonanhai Hydropower Station in its initial operation stage and at the end of 20-year operation. The modeling results show that after the operation of Xiaonanhai station, water level decreased in the range 4km downstream of the dam compared with the natural status, the maximum decrease (1.47m) happened at 0.4km downstream from the dam during dry season in the initial operation stage. In the initial stage, no obvious water level drawdown happened in the downstream of the 4km range, but with the accumulated sedimentation in Three Gorges Reservoir (TGR), water level will rise higher than that in the initial stage. After 20 years of operation, the maximum increase (0.6m) of water level (compared with that in initial stage) happened at the position 8.2km downstream of the Xiaonanhai dam. The downstream river bed excavation in construction period and the sedimentation with TGR operation are both main causes of water level changing in the river course near Xiaonanhai Dam.

Xiaonanhai Hydropower Station;river course near dam;water level;physical model;mathematic model

2014-04-24；

2014-06-27

黄建成(1962-)，男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事河流工程泥沙研究，(电话)027-82829873(电子信箱)1060912752@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.002

2015,32(05):6-10

TV143

A

1001-5485(2015)05-0006-05