三峡水库-葛洲坝水库调度影响下宜昌站流量测验时机分析研究

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)

宜昌站位于三峡水利枢纽下游44 km，葛洲坝下游约6 km的弯道下首。水位流量关系受长河槽控制，即受河道地形条件和水文因素变化的综合影响。中、高水受洪水涨落、断面冲淤影响，其水位流量关系呈逆时针绳套曲线变化，受下游清江来水顶托以及三峡和葛洲坝水库调度影响，关系曲线局部变形或扭曲。低水水位流量关系呈单一线[1]。

2009年以来，随着三峡水库进入试验性蓄水期，宜昌站中、高水时期水位流量关系带宽缩窄，呈单一线发展趋势；将宜昌站和枝城、高坝洲水文站的流量整编成果与葛洲坝出库流量比对，结果表明存在系统性偏大，但仍满足《流量整编规范》要求。受三峡、葛洲坝水利枢纽工程(以下简称“两坝”)联合调度影响，宜昌站水位流量关系曲线局部变形或扭曲更加频繁，在测验时机选择上难度更高。如何选择具有代表性的流量测点是宜昌站测验工作面临的难题，要求在不过多增加工作量的情况下，准确掌握流量变化规律。为此，宜昌站在2015～2017年开展了水利工程影响下宜昌流量测验时机选择与单次流量测量误差控制的专题研究。

1 两坝调度对宜昌流量影响

2009年以来，三峡水库出库流量和宜昌站流量资料表明，三峡水库有效调节了入库洪水，保证了下游区水资源有效利用以及满足庙咀水位不低于39.0 m的航运要求[2]。2012年7～8月，长江上游地区发生大洪水(复式洪峰)，三峡水库入库、宜昌站洪峰最大日均流量分别为 67 900，46 500 m3/s，削峰达 21 400 m3/s；三峡水库以 40 000～46 500 m3/s的日流量下泄达17 d，造成宜昌流量过程相对平坦化，见表1。三峡水库枯期最小下泄流量不小于5 000 m3/s，2015年后最小下泄流量不小于6 000 m3/s；相比1986～2003年间宜昌站1，2，3，4，5月的多年月平均流量分别增加了42.54%，52.50%，40.00%，15.61%，12.67%。而且，中小洪水期(尤其是枯水期)两坝调度还具有日调节特征，每日宜昌水位呈现从起涨到消退大约24 h的规律，不同流量Q下洪水历时见图1。

表1 2012年7～8月洪水历时统计 d

图1 2017年7月30日～8月7日宜昌水位过程线

水位流量关系表现为：受两坝调度蓄放水而产生的附加比降影响，电站放水时，水位上涨，流速增大，流量也增大；蓄水时，则完全相反。图2为宜昌站到枝城站水位落差。由图可看出，涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中；若不间断连时序测验流量，则会形成绳套型水位流量关系。

图2 宜昌-枝城水位落差

2017年8月28日在宜昌水文断面开展了连续流量测验。采用走航式ADCP横渡法从06:26～18:02历时12 h，共施测流量81次。不间断连续测流试验形成的水位流量关系与采用常规测验方法绘制的水位流量关系线对比结果见图3。

图3 连续测流试验与常规测验水位流量关系对比

表2分别采用常规法与流量试验法计算并比较了在上述时段内测算的径流量。如果将连续测流所计算的径流量作为真值，较常规测验方法计算的流量高出0.44亿m3。虽然常规测验方法在12 h内布置了4个流量测点，但计算误差仍较大，受工程调度影响，难以把握流量测验时机。

表2 连续测流试验与常规测验径流量分析亿m3

目前，基于安全和测验成本等因素考虑，难以实现连续不间断测流量方式。因此，在测验时机方面，应尽量选择具有代表性的测次，在水位-流量关系图上尽可能避免形成日调节造成的绳套曲线，而是能反映断面水位流量整体变化的单一线。

2016年5，7，10，12月分别在宜昌站开展了4次连续28 h流量试验，每间隔1 h测流一次，流量变幅范围为 6 930～32 200 m3/s，基本涵盖了宜昌站近年来的水情变化范围。其中，12月10日01:56～11日05:54共施测29次，图4为该试验形成的水位流量关系图。由图可看出，28 h连续流量试验结果形成了一个完整的绳套型水位流量关系，而采用常规测验方法得出的水位流量关系是一条单一线。采用两种方法计算出的径流量相同，见表3。

图4 28 h流量试验与常规测验水位流量关系

表3 28 h流量试验与常规测验径流量分析亿m3

2 水位涨落率与流量相对误差关系

目前宜昌站常规测验方式是水位小于43.50 m按单一线布置测次，测点受洪水涨落、断面冲淤、两坝联合调度影响，因此水位-流量关系出现明显变化时按连时序法布置测次。两坝联合调度主要是为了减轻长江中下游防洪压力从而对上游来水进行调度，不包括葛洲坝日调节形成的水位流量变化。除特殊水情外，全年大多数时间水位-流量关系稳定在单一线上。

通过对2012～2017年实测水位过程、实测流量相应水位过程、实测流量与整编流量(仅包括单一线，不包括连时序线)相对误差过程分析，实测流量与整编流量相对误差与水位过程线趋势并不一致，而且在部分时间段内，水位涨落变化不大而实测流量与整编流量相对误差较大，见图5。

图5 2016年宜昌站水位、流量分析

由曼宁公式知：

(1)

式中，Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；S为能坡比降；n为糙率；R为水力半径，m。

宜昌站断面2012～2017年均较稳定，没有明显的冲淤，同水位下n、A、R皆为定值，即流量变化与能坡比降成正比。则有

(2)

式中，k为综合流量系数，m3/s。

以受洪水涨落影响下的比降代替能坡比降，由正常比降Se和附加比降△S两部分组成，即

(3)

从洪水涨落影响下的流量公式可知，洪水流量的大小与涨落率的关系密切，涨落率较大时，反应在洪水绳套曲线上其偏离同水位的稳定水位流量关系曲线的距离越大；而研究测验时机的目的之一就是避免因受电站蓄放水日调节而形成的绳套曲线。

假设整编定线流量为近似真值(基本消除了流量测验环节误差，含有一定的定线误差等)，统计宜昌站实测流量与整编流量的相对误差(以下简称“流量相对误差”)与水位涨落率相关关系，两者趋势基本一致，即水位涨落率大时测验的流量相对误差大，水位涨落率小时流量相对误差也小，见图6。

图6 2012年宜昌站水位涨落率、流量相对误差过程关系

根据单次测验流量相对误差低水±8%、中高水±5%的控制要求，统计2012～2017年实测流量与整编流量误差与水位涨落率间相关关系,划分出关系点集中区域，计算落在此区域内的保证率。①在低水位级，流量相对误差控制在±3%，涨落率控制在±0.2 m/h的保证率为75%；②中水位级，流量相对误差控制在±3%，涨落率控制在±0.15 m/h的保证率为77%；③高水位级，流量相对误差控制在±2%，涨落率控制在±0.1 m/h的保证率为73%。图7为低水位期宜昌流量误差与水位涨落相关关系。在涨落率较小时进行流量测验，可以避免因流量误差过大，与稳定的单一线偏离太远。

图7 低水位期流量误差、水位涨落率相关关系

对照高水涨落率控制在±0.1 m/h、中水涨落率控制在±0.15 m/h、低水位涨落率控制在±0.2 m/h以内的分析值，可有效降低流量误差，获得具有代表性的流量测点。

3 测验时机选择

葛洲坝蓄放水时间也有一定规律，研究1 d内水位涨落率与时间关系有利于掌握测验时机。多数情况下，水位从06:00左右起涨，最高值一般出现在19:00～22:00，最低值出现在次日06:00～07:00，波动周期12～14 h，波动范围在0.5～1.0 m。

考虑到1次测流所需时间约30 min，根据2016年水位资料，按照30 min计算全年涨落率，并筛选满足低水涨落率不大于±0.2 m/h、中水涨率不大于±0.15 m/h、高水涨落率不大于±0.1 m/h的时段；然后将符合要求的时段，根据1d 24 h，分为00:00～01:00、01:00～02:00、02:00～03:00等归类计算频率。落在该时段内的频率越高则满足涨落率要求的可能性越大，在这个时期内测流，所测流量与同水位时稳定流量越接近。图8为高、中、低水期符合水位涨落率要求时段概率分布，不同时间段频率大小不同。07:00～12:00、23:00～次日03:00这两个时间段内频率明显较其他时段更低，与葛洲坝蓄放水在时间上的规律也吻合。水位从06:00左右起涨，07:00～12:00处于涨水较快阶段，23:00～次日03:00则是最高值出现后退水较快的时间段。

图8 高中低水期符合水位涨落率要求时段概率分布

频率高的时段相对于频率低的时段更适宜开展流量测验。假设以概率低于0.8的时段不适宜测验流量统计，高、中、低水时期开展测验统计结论如下：①低水期不适宜测流时段在07:00～10:00、22:00～01:00；②中水期不适宜测流时段为07:00～12:00、22:00～04:00；③高水期不适宜测流时段为08:00～12:00；其他时间均较为适宜。虽然葛洲坝调节呈日调节特点，但每日调节流量过程各有区别，以当日水位涨落率来控制流时机为最佳。

结合上述分析的规律，对2016年宜昌站4次连续28 h流量测验进行分析。流量相对误差与水位涨落率流量相对误差趋势一致，流量相对误差随水位涨落率增大而增大，随涨落率减小而减小。采用面积包围法计算28 h试验实测日平均流量，并与常测法计算日平均流量进行比较可知，相对误差在-7.5%～2.6%。使用南方片水文整编程序对所有28 h连续测验资料进行整编时，不能通过单一定线检验(符号、随机不确定度超限)；剔除水位涨落率大时期测验的流量后，满足单一定线要求。