清江来水对长江宜昌站水位顶托影响分析

2019-03-08，，

水利水电快报 2019年2期

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(长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌 443000)

宜昌水文站设立于1946年，属国家一类基本水文站，是控制长江中游干流基本水情的重要控制站、一类精度站、国家重要报汛站。几十年来，宜昌水文站为葛洲坝和三峡两大水利工程的规划、设计、施工、运行以及水文、泥沙、水环境科研提供了大量原型观测资料和研究成果。在长江的治理开发，特别是在长江中下游防汛抗洪中，及时、准确的水文测报资料发挥了重要作用。清江来水顶托是影响宜昌水文站报汛和预报精度的一个重要因素，本文重点探讨如何利用已有的水文资料，评价清江出流对宜昌水文站水位的顶托影响程度。

1 工程概况

清江是长江出三峡后的第一条大支流，发源于湖北省利川市，在宜昌水文站下游约38 km处的宜都市由右岸汇入长江。清江干流全长423 km，总落差达1 430 m，水能资源丰富。清江干流以恩施为界，恩施以下为清江中下游，分3级开发，从上到下依次为水布垭水电站、隔河岩水电站、高坝洲水电站，均已建成。高坝洲水电站是清江干流最下游的一个梯级，位于隔河岩电站下游约50 km处，距下游宜都市约12 km(见图1)。

图1 清江入汇长江河道平面形势

高坝洲水库未蓄水之前，清江隔河岩下游至出口河段基本上以天然河道为主，位于隔河岩坝下的长阳站为清江主要控制站。2000年4月，随着高坝洲水库建成蓄水，原有天然河道逐渐演变为水库型河道，长阳站断面控制作用减弱，随后于2005年搬迁至高坝洲水库坝址下游，改名为高坝洲站。

2 建库前顶托影响分析

已有研究成果表明，清江来水流量在2 000 m3/s以上时对宜昌水文站水位可能有顶托影响。在清江流量汇入长江约3 h后对宜昌水位产生顶托，使宜昌水文站水位流量关系发生扭曲，即同流量下水位抬高或同水位下流量减小；对宜昌水位的顶托抬升值主要与清江流量有关，同时也受宜昌流量大小(或称底水)的影响[1]。

2.1 清江顶托影响下宜昌水位流量关系

研究分别选择了1982，1983，1986年和1990年清江长阳站4场较大的典型洪水过程，分析天然时期受顶托的宜昌水位过程线及水位流量关系变化情况，见图2。

(1)清江1982年8月洪水。从8月22日08：00起涨，23：00达到峰顶，流量8 470 m3/s，见图2(a)。此时，长江宜昌洪水正处于峰顶偏后，流量约26 100 m3/s，见图2(b)。本次顶托使宜昌水位最大抬升值为 0.67 m，顶托过程持续时间约50 h，见表1。

(2)清江1983年9月洪水。从9月16日08：00起涨，17日02：00达到峰顶，流量达10 000 m3/s，见图2(c)。此时，长江宜昌洪水的落水面，流量约30 700 m3/s，见图2(d)。本次顶托使宜昌水位最大抬升值达1.06 m，顶托过程持续时间约60 h，见表1。

(3)清江1986年7月洪水。从7月16日02：00起涨，21：00达到峰顶，流量为7 320 m3/s，见图2(e)。此时，长江宜昌洪水的峰顶前，流量约22 200 m3/s，见图2(f)。本次顶托使宜昌水位最大抬升值达0.60 m，顶托过程持续时间约54 h，见表1。

(4)清江1990年6月洪水。从6月20日14：00起涨，22：00达到峰顶，流量为9 550 m3/s，见图2(g)。此时，长江宜昌洪水的涨水面，流量约19 700 m3/s，见图2(h)。本次顶托使宜昌水位最大抬升值达1.17 m，顶托过程持续时间约51 h，见表1。

2.2 顶托影响的传播时间分析

表1统计了4次典型工况顶托影响的特性成果，长阳出现洪峰后，当宜昌水位达到最大时(此时即为顶托的最大水位抬升值)，顶托的传播时间为6～13 h。为分析长阳至清江河口的传播时间，选取高坝洲蓄水前长阳和毛家沱站(即蓄水后的高坝洲站)1987～1993年共21次洪水资料分析，传播时间2～7 h，平均约4.4 h。长阳至毛家沱站距离约50 km，平均每1 km传播时间约5.3 min，由此可推算出高坝洲站至河口的传播时间约为1.1 h，长阳至河口的平均传播时间约5.5 h。由表1平均顶托传播时间成果(9 h)，结合长阳至河口的传播时间(5.5 h)，可以推算出清江洪水入汇长江(即洪峰到达清江河口)影响宜昌水位的传播时间平均为3.5 h，与以往结论接近。由此可推算出蓄水后，高坝洲出流对宜昌的顶托影响，传播时间约 4.6 h。

2.3 顶托对宜昌水位的抬升值影响

选取高坝洲水库蓄水前长阳站和宜昌水文站1969年、1982～1999年共42次洪水顶托资料分析，当不考虑宜昌底水流量时，可建立清江长阳流量与宜昌水位最大抬升值拟合关系，见图3，公式为

△Z宜=6×10-5×Q清1.0378

(1)

式中，△Z宜为宜昌水位最大顶托值，m；Q清为清江来水洪峰流量，m3/s。

3 建库后顶托影响计算

2016年7月中下旬，清江流域发生特大洪水，清江水布垭水库7月19日出现2007年建库以来最大入库流量13 100 m3/s，高坝洲水库最大出库流量达7 800 m3/s，使得宜昌水文站水位流量关系曲线明显变形。图4(a)中，关系曲线自节点①(水位47.69 m，相应流量26 900 m3/s)开始受到顶托影响，依次经历节点①至节点⑩(水位48.38 m，相应流量29 500 m3/s)的变化过程，顶托影响随着高坝洲站流量的消退而逐渐消失。

为进一步分析经梯级调度后的清江出库流量对宜昌水文站的顶托过程及峰值变化与建库前的差异，且考虑到清江梯级建成以后顶托年份资料较少，加之长江干流河床的冲刷下切影响，拟采用DHI公司开发的河道一维水流数学模型MIKE11计算研究[2-3]。

图2 受清江顶托影响的宜昌水位流量关系

3.1 计算边界条件

(1)模型计算范围。选取长江干流的上边界为宜昌水文站，支流清江的上边界为高坝洲水文站，下边界为枝城水文站。干流河段长约58 km，支流清江入流河段长约12 km。

(2)河道断面。宜昌水文站至枝城站采用2015年实测的64个横断面，清江高坝洲站至汇口采用2014年实测的12个横断面。

(3)上下边界条件。长江干流上边界宜昌水文站和清江上边界高坝洲站分别给定不同流量级入流的工况，下边界枝城站水位由水位流量关系查算。

3.2 模型率定和检验

为通过数学模型计算出2016年清江洪水过程对宜昌水文站的水位顶托影响，设计如表2所示的两种计算工况，试图还原得到高坝洲正常泄流情况下的宜昌水位过程，通过对比分析推求出高坝洲实际洪峰过程对宜昌水文站的水位顶托过程。

选取2016年7月1 ～ 18日的宜昌站和高坝洲站逐时报汛流量，以及枝城站的水位流量关系资料作为模型率定期，建立一维模型。再以2016年7月19 ～ 23日的相应资料作为模型检验期，以水位逐时误差为目标，进行了糙率等参数的优化率定。经率定计算，宜昌水文站水位过程与实际报汛水位过程变化基本一致，对比如图4(b)所示，最大误差介于-0.34～0.26 m之间，模拟精度较高。说明模型能较好地模拟宜昌水文站及高坝洲站不同流量级工况下的水位变化情况，作为顶托分析的依据。

表1 清江洪水对宜昌水位顶托影响典型工况

表3 高坝洲站和宜昌站不同流量级组合下对宜昌站水位的顶托值

图3 宜昌水位抬升值与清江长阳流量的关系

图4 数学模型计算2016年清江洪水顶托成果

计算工况干流上边界清江上边界下边界备注1宜昌水文站实际流量过程高坝洲站实际流量过程枝城站H-Q关系模拟宜昌水文站实际水位过程2宜昌水文站实际流量过程高坝洲站1 000 m3/s恒定流过程枝城站H-Q关系模拟宜昌水文站还原水位过程

通过计算，水位最大顶托值达1.01 m，高坝洲站出现洪峰至宜昌水文站水位顶托达到最大时间约为5 h，与2.2节中通过分析历史洪水得到的4.6 h基本一致，说明模型较为可靠。

3.3 计算结果及分析

采用已率定和验证的模型分别计算高坝洲站和宜昌水文站不同流量级组合情况下的顶托情况(见表3)，发现宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜不仅与高坝洲流量Q高有关，还与宜昌水文站流量Q宜相关。通过模型计算，整理出如图5所示的ΔZ宜、Q宜、Q高三个参数的相关关系。由图可知，高坝洲站流量相同时，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜与宜昌站流量成反比；当宜昌站流量相同时，宜昌水文站水位抬升值ΔZ宜与高坝洲流量成正比。

图5 ΔZ宜、Q宜、Q高三个参数的相关关系

采用模型计算得到的3个参数相关图，查算建库前各次清江洪水的顶托值，再结合通过水位流量关系还原计算出的宜昌水位抬升值，对比分析建库前后的顶托值差异，结果见表4。通过比较可以发现，采用3个参数相关图查算出的宜昌水位抬升值较小，可能是由于三峡水库蓄水后坝下河床冲刷下切及清江中下游梯级电站人工削峰调度的共同影响。