三峡蓄水过程对香溪河水文特性的影响

□ 鲍瑞雪（河南省三门峡水文水资源勘测局）

0 引言

三峡库区的众多支流中，香溪河是三峡库区最大的支流，同时也是最靠近三峡大坝的支流，为三峡水库中的典型库湾。香溪河地处长江西陵峡北侧，发源于湖北省西北部神农架林区[1]，为峡谷型河流，主要二级支流有古夫河和高岚河[2]，沿程流经兴山县、秭归县，于香溪镇注入长江，香溪河总流域面积3099km2，河长106km[3]，年平均流量达65.50m3/s，最大洪水流量为2890 m3/s（1935年）[4]，枯季最小流量 14m3/s。

三峡蓄水后，随着坝前水位的抬升，香溪河的水文特性发生了较大的改变[5]，香溪河的水文条件不仅受到其上游来流的影响，同时受长江来流以及三峡坝前水位的影响将逐渐增大。其水文特性由原来的河道型逐渐变为湖泊水库性质，因此研究香溪河的水文特性对于揭示三峡工程库区支流水文特性的变化机理具有重要意义。文章主要研究坝前水位及其变化与长江来流流量对香溪河水文条件的影响。

1 模型建立

依据静压假定，Boussinesq近似采用垂向平均的二维浅水方程。

连续性方程:

动量方程:

考虑到三峡蓄水后水位最高可达到175m，此时库水位上涨到上游滩子沟处，故该模型香溪河段取自上游滩子沟至香溪河河口22km，长江段取自香溪河河口上下游各10km，模型糙率为2.40×10-2，运用Delft3D软件建立香溪河的二维水动力模型，并以2005年的实际监测数据为基础，对香溪河河口处的水位流速进行验证，如图1，图2。

图1结果表明，模拟得到的水位与实际监测资料相比，整体变化规律基本一致，可较为准确地显示监测点水位的变化过程，最大相对误差为0.15%，可以满足计算要求。图2结果表明，模拟得到的流速与实际监测资料相比，在部分点存在较大相对误差达10%，其余点相对误差均较小，在5%以内，由于流速受到诸多因素如温度，风速等的影响，而在该模拟中尚未考虑因而在部分点存在一定的误差，但总体趋势基本一致，故基本满足计算要求。

图1 数值模拟结果与水位实际监测结果对比图

图2 数值模拟结果与流速实际监测结果对比图

2 水文特性分析

2.1 坝前水位及其变化的影响

三峡蓄水的最高水位为175m，死水位为145m。故分析了香溪河上游来流为160m3/s的情况下，三峡坝前水位分别为135，145，160，175m时的香溪河的水文特性，自香溪河上游到下游依次选取滩子沟，竹丫头，盐关，官庄坪以及香溪河河口处为典型代表点，代表点分别位于高程130，115，100，85，70m处，图3反映了各代表点在上游来流流量不变的情况下，其流速大小与三峡坝前水位之间的关系。

图3 代表点流速与坝前水位关系图

当山峡库水位在145～175m之间运行的时候，上述观测点均处在三峡回水影响区之中，因而流速都相对较小，随着下游水位的升高，各点处的流速下降，越靠近上游流速下降的越快。其中滩子沟处水流速度在坝前水位为135m时有较大的提高，这是因为滩子沟处地形高度为130m，当坝前水位降低到135m时，滩子沟受回水影响的作用较小，回归到原来的河流状态，因而流速会变大。而在香溪河河口处水流一直受到三峡水位回水的影响，故流速值一直都较小，且流速受三峡水位的影响不大，一般在0.01m/s左右。

同时选取河道中心线上各点为研究对象，分析比较了在不同坝前水位下，河道中心线上各点流速沿程变化。

在上游来流恒定的情况下，坝前水位对回水影响范围内各点的流速影响比较大，在同一点，坝前水位越低，流速越大；当坝前水位高于145～175m时,计算区域内各点都受坝前水位影响，且坝前水位越高，流速越小，且流速沿程变化率也越小。同时，在上游流量不变的情况下，坝前水位的高低决定着香溪河受三峡回水影响的区域，据此分析，可以将香溪河段依流速分布分为回水影响区,过渡区,河道区。以上游流量为160m3/s，坝前水位135m为例,距香溪河上游滩子沟2km以内的区域属于河道区，距滩子沟2～10km的区域属于过渡区，距滩子沟10km之外均属于回水影响区。在距香溪河上游滩子沟>10km的区域，水流流速几乎不受到坝前水位的影响。且各分区的长度随着上游流量以及坝前水位的变化而变化。当坝前水位上升到175m时,上述研究的区段受到回水影响的作用十分明显。

同时，坝前水位的动态变化也会对香溪河的水文特性产生不容忽视的影响，坝前水位的下降会促进河口处水流的运动，从而改变香溪河的水动力特性，当取香溪河上游来流流量为160m3/s,坝前水位以不同的速率下降时，上游滩子沟处的流速随时间的分布。

随着坝前水位下降速率的减小，在上游滩子沟处水流流速的变化幅度也相对减小，当坝前水位的下降速率为1.00m/d时,上游处的水流流速依然随时间增大，但是其速度的加速度保持不变，即流速增加的速率不再随时间发生变化。当坝前水位下降的速率降到0.50m/d以下时，其水流流速最终稳定在某个值而不再随时间发生变化。此时影响水流速度变化的因素有两个:坝前水位的下降速率和下游水位的影响。当坝前水位下降速率较小时，下游处于相对较高的水位，使得研究区域受回水的影响较大，故流速不受到坝前水位变化的影响，而当下游水位下降到一定高度时，上游处由回水影响区逐渐向过渡区以及河道区转变，水流流速变大，随下游水位的降低而逐渐增大。

2.2 长江来流的影响

长江来流流量的变化会对香溪河水文特性产生一定影响，取香溪河上游流量为160m3/s,坝前水位保持为150m，分析长江来流流量分别为5000m3/s和15000m3/s时香溪河的水文特性。

有相关资料可知，长江来流会对香溪河河口的流速产生一定的影响，使得香溪河河口处的流速方向发生一定的偏转，该影响范围会随着长江来流流量的增大而增大，但是总体上受到长江来流影响仅仅局限在河口附近很小的区域内。

相关图表反映了在相同坝前水位以及香溪河流量时，不同长江来流流量下香溪河河道中心线上的水流流速沿程分布情况，由图可知，由于受到长江来流的影响，香溪河河口处的流速有所增大，且长江来流流量越大，流速越大，受长江影响流速增大的区域主要在距香溪河河口处约0.15km处，且随着长江来流流量的增大，该区域的范围变化不大。

由上可知，香溪河河口处附近范围内受到长江来流的影响较大，该区域的流速显著增大，水流方向受到长江水流的影响而发生偏转，该区域的范围会随着长江来流流量和坝前水位的变化而变化，但是变化范围的幅度并不明显。

3 结论

文章从Boussinnesq假定下的二维浅水方程出发，基于Delft3D软件平台构建了香溪河二维水动力数值模型，分析了其在不同坝前水位及变化和长江来流的条件下的香溪河的水文特性的变化，得到以下结论:一是在不同下游水位即坝前水位下，香溪河段可依据水流流速的特性分为河道区，过渡区以及回水影响区；二是.对于回水影响区，水流流速较小各处水位基本与坝前水位保持一致，越靠近下游的区域，受坝前回水影响的作用越明显；三是坝前水位下降引起香溪河段内的水流向下游运动，该方向与上游水流方向一致，从而可以促进水流的运动；四是香溪河河口附近范围内受到长江来流的影响较大,该区域的流速显著增大,水流方向受到长江水流的影响而发生偏转，该区域的范围会随着长江来流流量变化而变化，但是变化范围的幅度并不明显。

[1]雒文生，谈戈.三峡水库香溪河库湾水质预测[J].水电能源科学 2000,18（4）:35-37.

[2]王玲玲,戴会超,蔡庆华，香溪河水动力因子与叶绿素a分布的数值预测及相关性研究[J].应用基础与工程科学学报,2009（5）:652-658.

[3]王敏，等.三峡库区神女溪水华成因初探[J].中国环境监测,2008（1）:60-63.

[4]焦世珺.三峡库区低流速河段流速对藻类生长的影响[D].西南大学,2007..

[5]谭路,等.三峡水库175m水位试验性蓄水后春季富营养化状态调查及比较[J].湿地科学,2010（4）:331-338.