三峡蓄水后长江中游设计最低通航水位预报

冯小香，张 明

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

三峡蓄水后长江中游设计最低通航水位预报

冯小香，张 明

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

设计最低通航水位是长江航道系统整治的关键技术参数之一。依据历史水文资料和水库设计运行方式，推算了三峡单库运行、三峡与上游控制性水库联合运行两种情况下，长江中游宜昌至武汉河段的设计最低通航流量，采用一维泥沙数学模型预测了两种情况下长江中游主要水文站的水位变化趋势，结合近期三峡电站日调节对下游各站的影响情况，预报了三峡蓄水后20 a、30 a宜昌至武汉河段的设计最低通航水位。

三峡工程；长江中游；设计最低通航水位；设计最小通航流量；日调节

设计最低通航水位（简称设计水位，下同）是航道工程关键技术参数之一。对基本处于动态平衡、水文情势没有发生较大变化的天然河流，设计水位一般根据长系列的历史资料直接进行计算。但对一些受人类活动影响较大、水文情势发生较大变异的河段，尤其是短期尚无法恢复动态平衡的河流，为使航道工程在设计运行周期内具有较好的效果，设计水位应具有一定的前瞻性，其变化趋势研究就显得十分必要。

三峡水库蓄水后，长江中游河段枯水流量增加，出库泥沙减少，河床出现了长距离持续冲刷现象［1-3］，2012年10月、2013年5月长江上游向家坝、溪洛渡等大型控制性水库工程也先后进行试验性蓄水，这将进一步影响三峡下游的水沙情势，并对设计水位等航道整治参数产生影响。三峡及上游水库运用后，长江中游设计水位将如何变化，关系到长江中游航道的系统治理效果，对长江黄金水道的进一步规划与开发也有重要影响，因此是当前大家十分关心的问题［4-5］。鉴于此，本文采用资料分析、数学模型计算等手段，预报了三峡蓄水后20 a、30 a宜昌至武汉河段的设计水位，成果可为长江中游航道的整治及开发利用提供参考。

1 设计水位计算方法

《内河通航标准》［6］（GB50139-2014）规定，枢纽下游河段设计最低通航水位应根据与航道等级相对应的多年历时保证率，分析选定设计流量，并考虑河床冲淤变化和电站日调节的影响推算确定，水位和流量资料应选取近期不短于20 a的连续系列，且应具备良好的一致性。

三峡工程采用“一次建成、分期蓄水”的方式调度运行，自2003年6月蓄水以来，经过135～139 m、144～156 m运行方式后，于2008年9月开始175-145-155 m的试验性蓄水，2010年10月首次蓄水至175 m。由于三峡175 m蓄水运行时间较短，且向家坝、溪洛渡等上游控制性水库工程对下游水情的影响尚没有充分显现，因此无法直接运用三峡蓄水后的已有实测资料来推求沿程设计流量。鉴于此，通过水库调度数学模型，以水库设计运行调度方案为基础，在不考虑上游来流及区间来流变化的情况下，模拟计算三峡175 m蓄水运行条件下水库的下泄流量过程，并得到沿程各控制水文站的流量系列。为反映现有调水工程及河网水情变化对河段的实际影响，模型考虑了引江济汉工程的取水作用及江湖关系变化对三口分流的影响。在此基础上，根据综合历时曲线法计算沿程各站的设计最小通航流量（简称设计流量，下同）。

采用一维水流泥沙数学模型，模拟计算长江中游宜昌至大通河段在新水沙系列下的河床冲淤变形情况，预测设计流量下沿程各站的水位变化趋势。根据三峡175 m蓄水运行方式时、三峡电站日调节所引起的下游水位非恒定流波动规律，计算电站日调节对设计水位的影响。

根据基础水平年（2012年）的水位流量关系，推求设计流量对应的水位，然后在考虑水位流量关系的远期变化、电站日调节的影响等基础上，预报设计水平年宜昌至武汉河段沿程各控制水文站的设计水位（图1）。

图1 三峡蓄水后长江宜昌至武汉河段基本站设计水位预报方法Fig.1 Prediction method of design lowest navigable stage for hydrologic stations in the Yichang to Wuhan reach of the Yangtze River after the Three Gorges Reservoir impoundment

2 设计通航流量的确定

选取1990～2012年作为典型系列，计算三峡单库运行、三峡与溪洛渡和向家坝联合运行两种条件下宜昌至武汉河段的流量过程，采用综合历时曲线法计算各站保证率98%的流量，并与1990～2012年、2011～2012年实际流量系列的综合历时保证率98%流量比较。

表1可见，与三峡单库运行相比，在建设溪洛渡、向家坝后，梯级联合调度运行情况下，宜昌至武汉河段各站综合历时98%保证率的流量稍有增加，但差别不大。考虑到三峡与上游梯级水库间的联合运行尚在研究阶段，以三峡单库运行时各站综合历时98%保证率的流量作为设计流量。

与三峡蓄水前1990～2002年系列比，各站的设计流量有明显增加，增加幅度自上游向下游逐渐减小，宜昌站、枝城站、沙市站、监利站、螺山站、汉口站分别增加2 221 m3/s、2 025 m3/s、1 674 m3/s、1 350 m3/s、1 716 m3/s、1 693 m3/s，增加幅度分别为66%、56%、44%、34%、30%、25%，可见，三峡175m蓄水后枯水期补水作用明显。

2011年1月～2012年12月，宜昌站保证率98%流量的实测值为5 690 m3/s，比设计流量计算值大119 m3/s。从沿程变化来看，宜昌站、枝城站的实际变化规律与设计流量计算值基本相同；沙市站、监利站，设计流量计算值自上游向下游减小的趋势与实际运行情况略有不同，主要是因为模型计算中考虑了江湖关系变化以及引江济汉工程的分流作用；螺山站、汉口站，设计流量计算值均比实际运行的要小，这可能与实际的水文系列年限较短有关，各支流近年来兴建的梯级水库枯水期的流量补偿作用也有一定的影响。

3 水位变化预测

3.1 河床冲淤变形计算

采用一维河网数学模型计算长江中游宜昌至武汉河段的河床冲淤变化［7］，模型范围自宜昌至大通，起始地形为2008年实测地形，出口大通站的水位流量关系假定不变；利用三峡175m蓄水方案对宜昌站2003～2012年（03系列）的来水来沙进行修正，其中三峡出库泥沙根据是否考虑上游向家坝、溪洛渡水库的影响，可得到上游无库（三峡单库运行）、上游建库（梯级水库联合调度运行）两种条件下的水沙过程。

表1 1990～2012年修正系列年98%的流量与实际运行比较Tab.1 Comparison of 98%guaranteed discharge between 1990-2012 revision series and the actual operation

对03系列水沙资料进行连续滚动计算，可获得三峡蓄水后20 a、30 a长江宜昌至大通河段的冲淤情况。图2可见，三峡建成运用后，宜昌至大通河段将出现自上而下的长距离冲刷，在上游建库条件下，各河段冲淤主要有如下特点：

（1）宜昌—松滋口河段：河床由卵石夹沙组成，表层粒径较粗，冲刷后河床粗化很快，经过10 a冲刷，河床冲刷基本平衡。该河段30 a累积最大冲刷总量约为0.96亿t，按平均河宽1 100 m计，累积平均冲深约1.15 m（冲淤量及河宽均以平滩河槽进行统计，下同）。

（2）松滋口—太平口河段：河床主要由卵石夹沙构成，经过20 a冲刷，河床冲刷基本结束。30 a末该河段累积最大冲刷量约1.2亿t，按平均河宽1 400 m计，累积平均冲深1.4 m。

（3）太平口—藕池口河段：该河段主要是沙质河床，该河段冲刷相对上游沙卵石河段明显增加。该河段30 a最大累积冲刷量约4.04亿t，按平均河宽1 400 m计，累积平均冲深3.8 m。

（4）藕池口—城陵矶河段：蓄水后本河段处于持续冲刷状态。该河段30 a累积最大冲刷量约15.57亿t，按平均河宽1 600 m计，累积平均冲深5.71 m。

（5）城陵矶—武汉河段：蓄水后本河段在前10 a冲刷较少，10a末累积冲刷量1.79亿t，随着上游冲刷往下游传递，后期冲刷速率增大，30 a末累积最大冲刷量约6.58亿t，按平均河宽1 800 m计，累积平均冲深1.58 m。

（6）武汉以下河段：由于距坝较远，汉口以下河段在蓄水前30 a有冲有淤，以冲刷为主，总体冲淤幅度不大。前30 a最大累积冲刷量为2.36亿t。

上游建库与上游无库相比，宜昌—大通河段的冲淤量差别不大。宜昌—大通全河段20 a、30 a末的累积冲淤量相差分别为0.33亿t、0.43亿t，仅占总量的1.5%左右。分河段来看，宜昌—太平口的沙卵石河段由于较快达到冲刷平衡，上游建库和上游无库条件下的冲刷总量基本一致；汉口以下河段由于距离大坝较远，且沿程含沙量逐步恢复，其蓄水后30 a内冲刷幅度不大，两种情况下冲淤量差别也不大。上游建库和上游无库条件下的冲刷量的差异主要体现在荆江河段以及城陵矶—汉口河段。

图2 03系列上游建库条件分段累积淤积量变化图Fig.2 Change of sectionalized accumulated deposition for 03 series under the upstream reservoirs existence condition

3.2 水位变化预测

表2可见，在不考虑上游建库条件下，三峡蓄水后10～20 a，各站设计流量对应的水位，宜昌站、枝城站、沙市站、监利站、螺山站、汉口站分别下降0.17 m、0.21 m、0.51 m、0.63 m、0.47 m、0.32 m，三峡蓄水后20～30 a，各站再次下降0.06 m、0.05 m、0.17 m、0.61 m、0.39 m、0.39 m。

与上游无库相比，考虑金沙江溪洛渡、向家坝与三峡联合运行条件下，各站相同流量下的水位下降值有小幅增大，但一般在0.05 m内，表明建设溪洛渡和向家坝，对于三峡水库下游河床的冲淤影响较小。

从三峡175 m蓄水后各站设计流量对应的水位变化来看，2008～2012年，宜昌站、枝城站、沙市站、监利站、螺山站、汉口站分别下降0.46 m、0.15 m、0.69 m、0.41 m、0.25 m、0.13 m；各站水位变化与河段位置、河床质组成、河道形态等有关，宜昌站距离坝址最近，蓄水初期影响最大，水位下降较为明显；螺山站、汉口站距离较远，水位下降不大；沙市站、监利站位于沙质河段，河床冲刷变形剧烈，水位降幅较大；枝城站由于受芦家河浅滩河段的控制作用，水位下降较小。未来随着清水冲刷逐渐向下游发展，近坝河段宜昌站的水位降幅逐渐减小，下游河段螺山站、汉口站水位降幅逐渐增大，沙市站、监利站由于河床的沙质覆盖层较厚，在一段较长时间内仍将呈现河床冲刷下切、枯水位下降态势，枝城站受下游芦家河浅滩控制性侵蚀基点的影响，水位总体变化不大。数学模型计算结果基本与三峡蓄水初期水位变化实际与清水冲刷发展的规律一致。

表2 设计流量下长江中游各站的水位下降预测值Tab.2 The predicted decline value of water level at hydrological stations in the middle reaches of Yangtze River under design minimum traffic flow

4 电站日调节对设计水位的影响

内河航道设计水位一般是基于日平均水位的概念，电站下泄非恒定流引起的日内水位变幅难以反映。考虑到葛洲坝近坝段水位变幅较大，有可能影响通航，因而设计水位需要考虑电站日调节的影响。

图3可见，从各站水位与宜昌站流量变化的关系来看，越向下游的站点，其水位变化与宜昌流量的相关关系越差，宜昌站、枝城站一定程度受电站日调节的影响，沙市站、监利站受电站下泄非恒定流的影响较弱。

图3 典型水文站时均流量及水位变化关系Fig.3 Relationship between time-average discharge and water level at typical hydrologic stations

根据2011年11月～2013年4月枯水期逐时资料统计，当宜昌站日均流量小于8 000 m3/s时，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分别为0.17 m、0.10 m；当宜昌站日均流量小于6 000 m3/s下，宜昌站、枝城站的平均日水位均谷差分别为：0.11 m、0.07 m。从偏安全考虑，取宜昌站0.17 m、枝城站0.10 m作为电站日调节影响修正值。

5 设计水位预报

以2012年为基础水平年，根据水位流量关系下包线，推算基础水平年设计流量对应的水位，再计入设计水平年三峡下游因长距离冲刷调整所引起的水位变化，结合目前三峡175 m蓄水方案下的日调节影响情况，对设计水平年的设计水位进行预报。

表3可见，2022设计水平年，宜昌至武汉河段主要控制站的设计水位为：宜昌站38.79 m，枝城站37.41m，沙市站30.18 m，监利站23.25 m，螺山站18.18 m，汉口站13.28 m。与长江中游现行使用的设计水位基面（82基面）相比，三峡蓄水运用20 a末，宜昌站、沙市站设计水位与82基面相差-0.56 m、-1.38 m，枝城站相差-0.02 m，监利站、螺山站、汉口站相差0.19 m、1.43 m、1.28 m，可见，随着长江中游宜昌至武汉河段枯水水情的变化，实际枯水情况与82基面设计水位已有不同程度的偏离。

表3 三峡蓄水后不同时段的设计水位预报值Tab.3 The predicted value of design lowest navigable stage at different points after the Three Gorges Reservoir impoundment

6 结论

（1）因三峡工程及上游大型水库蓄水运用导致下游水情发生变异，应采用基于设计流量推求设计水位的方法，并考虑枢纽蓄水运用初期因河床长距离冲刷调整所引起的设计水位变化，枢纽坝下近坝河段，还应考虑枢纽下泄非恒定流所引起的设计水位变化。

（2）三峡单库运行、三峡与上游控制性水库联合运行两种情况下，长江中游宜昌至武汉河段各控制性水文站的设计流量及设计水位差别不大。

（3）在目前三峡175 m蓄水运用方式下，长江中游宜昌站、枝城站一定程度上受电站日调节影响，沙市站及下游基本不受电站日调节影响。因三峡坝下河床的冲刷调整，三峡蓄水20 a、30 a末，宜昌至武汉河段的设计水位还将有所下降。

［1］郭小虎，李义天，渠庚，等.三峡工程蓄水后长江中游泥沙输移规律分析［J］.泥沙研究，2014（5）：11-17. GUO X H，LI Y T，QU G，et al.Analysis of Sediment Transport in Middle Yangtze River after filling of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Sediment Research，2014（5）：11-17.

［2］卢金友，黄悦，王军.三峡工程蓄水运用后水库泥沙淤积及坝下游河道冲刷分析［J］.中国工程科学，2011，13（7）：129-136. LU J Y，HUANG Y，WANG J.The Analysis on Reservoir Sediment Deposition and Downstream River Channel Scouring after Impoundment and Operation of TGP［J］.Engineering Science，2011，13（7）：129-136.

［3］班璇，姜刘志，曾小辉，等.三峡水库蓄水后长江中游水沙时空变化的定量评估［J］.水科学进展，2014，25（5）：650-657. BAN X，JIANG L Z，ZENG X H，et al.Quantifying the Spatio-temporal Variation of Flow and Sediment in the Middle Yangtze River after the Impoundment of the Three Gorges［J］.Advances in Water Science，2014，25（5）：650-657.

［4］王秀英，李义天.长江中下游设计最低通航水位变化分析［J］.水运工程，2004（11）：70-74. WANG X Y，LI Y T.Variation of Design Lowest Navigable Water Level in Middle and Lower Reach of the Yangtze river［J］.Port& Waterway Engineering，2004（11）：70-74.

［5］李聪，邓金运，韩剑桥.三峡水库蓄水后长江中游航道设计水位变化研究［J］.水运工程，2013（5）：88-93. LI C，DENG J Y，HAN J Q.Variation of Design Navigable Water Level in Middle Reach of the Yangtze River after Impoundment of Three Gorges reservoir［J］.Port&Waterway Engineering，2013（5）：88-93.

［6］GB50139-2014，内河通航标准［S］.

［7］交通运输部天津水运工程科学研究所.长江上游水沙变化对中游航道影响研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2015.

Prediction of the design lowest navigable stage in the middle reaches of Yangtze River after Three Gorges Reservoir impoundment

FENG Xiao-xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

The design lowest navigable stage is one of key technical parameters for the systematic waterway regulation of the Yangtze River.Based on the historical hydrological data and the design operation of Three Gorges Project,the design minimum traffic flow under the condition of single operation of Three Gorges Project and joint operation with the upstream reservoirs was calculated in the middle reaches.And the change trend of water level corresponding to above situation was predicted by one-dimensional sediment mathematical model.Combined with daily regulations caused by the dam,the design lowest navigable stage after 20 a,30 a impoundment of Three Gorges Project was forecasted between Yichang and Wuhan reach.

Three Gorges Project;middle reaches of Yangtze River;design lowest navigable stage;design minimum traffic flow;daily regulation

TV 143；U 641

A

1005-8443（2017）01-0049-05

2016-06-17；

2016-07-18

冯小香（1977-），女，河南省人，副研究员，主要从事水力学及河流动力学、内河枢纽、航道工程研究。

Biography：FENG Xiao-xiang（1977-），female，associate professor.