三峡水库蓄水后宜昌站水位特性分析

，释今，，

(1.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；2.长江水利委员会水文局 荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000)

三峡水利枢纽位于长江西陵峡中段，坝址在湖北省宜昌市三斗坪，控制流域面积100万km2，多年平均年径流量4 510亿m3，多年平均年输沙量 5.3亿t。该工程1994年12月14日正式开工，1997年11月8日完成大江截流，2002年11月6日完成明渠截流。2003年5月25日开始关闸蓄水，形成水库，6月10日坝前水位蓄至围堰发电期水位135 m；10月25日三峡水库再次蓄水，11月5日坝前水位蓄至139 m附近。2006年9月20日，三峡水库开始156 m水位蓄水，10月27日，三峡水库坝上水位达到156 m高程。2010年10月26日成功蓄水至175 m水位。三峡水库属于年调节水库，总库容393亿m3，其中防洪库容 221.5亿m3，正常蓄水位175 m，汛期防洪限制水位145 m，枯水期消落水位155 m。水库调洪可消减洪峰流量达 2.7万～3.3万m3/s，能有效控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力。

三峡水利枢纽具有防洪、发电、航运等综合效益。①防洪。三峡大坝建成后形成巨大的水库，滞蓄洪水，使下游荆江大堤的防洪能力由防御10 a一遇的洪水提高到抵御100 a一遇的大洪水，防洪库容在73亿～220亿m3之间。②发电。三峡水电站是世界最大的水电站，总装机容量1 820万kW。电力主要供应华中、华东、华南、重庆等地区。③航运。三峡工程位于长江上游与中游的交界处，地理位置得天独厚，对上可以渠化三斗坪至重庆河段，对下可以增加葛洲坝水利枢纽以下长江中游航道枯水季节流量，能够较为充分地改善重庆至武汉间通航条件，满足长江上中游航运事业远景发展的需要。通航能力可以从每年1 000万t提高到5 000万t。另外，三峡水利枢纽工程在养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等方面均会发挥巨大效益。

宜昌站属三峡水利枢纽工程的出库控制站，对三峡水库的调度进行全过程实时监测，同时也服务于三峡工程，为三峡水库调度提供实时观测数据。该站始建于1946年，从1877年开始有系统水文观测资料，属于国家级基本水文站，位于东径111°17′，北纬30°42，集水面积约100万km2，占全流域面积的55.9%；控制长江上游的来水量，同时也控制三峡水利枢纽和葛洲坝水利枢纽的出库水量。宜昌水文断面位于三峡水利枢纽下游44 km，葛洲坝水利枢纽下游6 km。测验河段长约3 km，尚顺直。断面呈偏“U”型，水面宽630～780 m，年水位变幅约17 m。右岸为山区与平原过渡地段，左岸为宜昌市城区，河段两岸较为稳定，近几十年来河势未有大的变化。三峡水利枢纽工程蓄水以后改变了宜昌基本水尺断面的水位时空变化和行进规律。

本文采用宜昌站2003～2016年实测水位资料，分析该站在三峡水利枢纽工程蓄水以后水位特性变化。

1 宜昌站水位观测基本情况

宜昌站在2003年以前水位采用人工观测，观测段制根据水位级和水位变幅情况、报汛要求布置，以能测得完整的水位变化过程，满足日平均水位计算、推算流量和水情拍报的要求为原则。2003年3月投产使用中澳CR510型气泡压力式水位计，同年7月又安装了一套梯调自记水位计，两种仪器均可设置为5，10，30 min或1 h采集一个水位数据，满足测量精度要求，使用良好，检测合格，符合现行国家标准的要求，完整记录了三峡水利枢纽蓄水后的宜昌断面水位变化情况。

表1 宜昌站基本水尺断面瞬时水位观测误差统计

注：分析中有3次受过船波浪影响较大的水位，因不属个体差异因素影响而未参加统计计算。

1.1 水位观测精度

水位观测精度主要指仪器或人工采集水位数据的准确度和可靠性。影响水位观测精度的因素较为复杂，如波浪、水位涨落率、观测人员的个体差异、水位感应器物理精度及消浪处理等。

采用人工观测水位和自记采集水位的优缺点有互补性和差异性，为研究同一测站使用两种方法观测水位精度及其对比性，调整观测布置，进一步提高水位测报的时效性，保证观测数据准确可靠。根据《长江委水文局报汛自动化实施方案》，选择在水位变化过程中受水位涨落率、断面冲淤变化、水利工程等影响较为突出的宜昌水文站开展了2005年宜昌水文站水位精度专题研究。

研究结果表明：去掉受过船波浪影响较大的水位后，误差小于3 cm的水位保证率为100%，说明在正常情况下能够保证水位观测成果的质量；宜昌站位于长江葛洲坝水利枢纽下游，处于宜昌港区，水流变化不均匀，来往船只较多，江面时常出现大小波浪，对数据采集精度造成一定的影响。实际情况表明，波浪越大，水位采集差值越大，一般情况下某瞬时水位与时段平均水位差异最大为2 cm，但过船时受波浪影响造成观测差异最大达到4 cm。当整点水位出现在涨水段，整点前的水位一般略高于整点后的水位，平均后误差得以中和，退水段则正好相反。平均水位值与各瞬时采集值的误差大小主要与涨落率有关，涨落率越大则误差相对较大，但误差均在允许范围内。三峡水库调度加大后，水位突变对水位精度影响不大，水位精度满足要求(见表1)。

1.2 水位级划分

根据工程水文学和《河流流量测验规范》(GB 50179-93)中关于水位级的划分方法，采用宜昌站历年水位观测资料对全年水位分级，其计算结果见表2。

表2 宜昌站水位级划分 m

2 水位逐时过程变化分析

宜昌水文断面在1980年以前只受天然洪水传播影响。1981年1月4日葛洲坝水利枢纽工程大江截流，同年6月蓄水至坝前水位达 59.39 m，天然时期的行洪规律受到人工影响，宜昌水文断面水位改变未受上游水工程调度影响和天然洪水传播影响。葛洲坝水利枢纽是低水头径流式电站,坝前水位基本稳定，水库不起拦蓄作用，来多少水泄多少水，故蓄水前后宜昌站的水位特征基本上无变化[1]。自2003年三峡水利枢纽工程蓄水以后，三峡水库属于年调节水库，水库调洪能力强，能有效控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力，使得基本水尺断面受天然洪水传递影响不断减弱，水工程调度影响相对增强，反映在水位过程中其主要特征为水位变化呈锯齿状波动，局部水位受水工程调度影响而升高或下降[2]。

下面按水位级选择几个有代表性的时段的水位过程进行分析。

2.1 低枯水期

低枯水期间每天水位沿某一均值上下波动，较为规则，最低值出现在07：00～09：00之间，波动最高值一般出现在19：00～22：00之间，波动周期为10～14 h左右。说明三峡水库调度在每日的07：00～09：00时开始开闸放水，19：00～22：00开始关闸蓄水。宜昌站2015年11月逐时水位过程线(使用中澳CR510型气泡压力式水位计采集，每5 min采集一个水位数据，共有8 625个水位数据)见图1。图1较明显地反映出低枯水期不同水位的过程变化情况。从图中可看出，水位在 40.00 m以下的水位(属低枯水)波动范围为 0.2～0.3 m；水位在40.00～43.00 m的水位(属低水)波动范围为0.3～1.4 m。

图1 宜昌站2015年11月逐时水位过程线

2.2 中水期

宜昌站2014年7月逐时水位过程线(使用中澳CR510型气泡压力式水位计采集，每10 min采集一个水位数据，共有4 465个水位数据)见图2。图2反映出中水期受三峡水库调度和天然洪水传播影响情况下不同水位的变化过程。从图中可看出，在中水期水位涨落幅度要大于低枯水涨落幅度，在水位涨落水过程中每日仍存在较为明显的上下波动，其波动范围略大于低枯水，为 0.2～1.4 m，日波动峰谷值差与低水(水位为40.00～43.00 m)相近。波峰出现在19：00～22：00之间，波谷出现在次日07：00～09：00之间，波动周期为10～14 h左右，有时在波峰(谷)附近有短时小锯齿状波动。在水位急涨或急落时，在洪水传播中影响因素相互抵消，水位波动特征表现相对不明显。

图2 宜昌站2014年7月逐时水位过程线

2.3 高水期

宜昌站2014年9月逐时水位过程线(使用中澳CR510型气泡压力式水位计采集，每10 min或5 min采集一个水位数据，共有8 417个水位数据)见图3。图3反映了高水期两次洪水完整的水位变化过程。高水期主要发生在水位急涨或急落时，水位波动特征在洪水传播中表现不明显。水位的波动特征只是在水位变化幅度较小或水位相对平稳时表现相对突出，洪峰附近水位波动完全受水工程调度影响，范围时大时小，与正常情况下的波动特征略有差别。从图中可看出，高水期水位涨落率较大，水位波动周期短，为3～5 h左右，水位波动范围为 0.2～0.5 m。

图3 宜昌站2014年9月逐时水位过程线

3 水位分布特征分析

3.1 水位月分布特征

基于宜昌站2003年以后的水位整编成果，进行了时间系列的特征统计分析，并绘制了宜昌站2003～2016年月平均水位过程线，详见图4。从图中可以看出，自三峡水库蓄水以后宜昌站水位月分布特征仍然是在汛期(系指5月1日～10月15日)水位高，非汛期(系指10月16日至次年4月30日)水位低。但从年际变化来看每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趋势，特别是2010年以后较为明显；6～10月平均水位则有下降趋势，出现下降趋势的时间也是从2010年开始，这是三峡水库调蓄的作用所导致。受人为控制三峡水库水位的影响，每年1～5月、11～12月水库下泄流量不断加大，到2015年不小于6 000 m3/s[3]，宜昌水文断面平均水位由此逐年抬高。其中1～3月和11～12月，由于三峡水库补水，水位抬高0.6～0.8 m；4～5月三峡水库消落期也造成宜昌水位抬高。6～9月是洪水频发期，为有效减轻中下游防洪压力，通过科学调度三峡水库，在洪峰期间拦蓄洪量和削峰而使宜昌水位下降。9～10 月为三峡水库蓄水期，平均拦蓄能力约5 200 m3/s，较天然情况宜昌平均水位也在降低。

图4 宜昌站2003～2016年月平均水位过程线

3.2 水位年分布特征

宜昌站2003～2016年年特征水位值统计成果见表3。

表3 宜昌站2003～2016年年特征水位值统计

从表3中可以看出，受三峡水库调度的影响，水位年分布出现以下变化：历年最高水位有下降趋势，排除2006年特枯水情外，从2005年开始历年最高水位下降趋势明显；历年最低水位从2003年开始则出现逐年抬高趋势，到2009年水位抬高了1.1 m，但从2009年以后每年抬高幅度不大，年变化为0～0.1 m，最低水位控制在39.20 m左右。从年平均水位变化看，没有明显的上升或下降趋势，说明水位变化主要在局部时段或部分水位级。2003年前宜昌站多年平均水位为43.34 m(1981～2002年)，年最低水位为 38.30 m(1998年2月14日)，年最高水位 55.38 m(1981年7月19日)，水位最大变幅17.08 m。三峡水库运行后宜昌站多年平均水位为 42.45 m(2003～2016年)，年最低水位为 38.07 m(2003年2月9日)，年最高水位 53.98 m(2004年9月9日)，水位最大变幅15.46 m，年水位变幅在逐步缩小。

3.3 保证率水位

宜昌站2003～2016年年保证率水位统计成果见表4。从表4可以看出，2003年以后最高水位保证率为47.91～53.76 m，2008～2016年控制在52.60 m以下。第15天为 45.75～51.23 m，第30天为 44.61～49.67 m，第90天为 42.66～46.34 m，第180天为40.15～42.62 m，第270天为39.09～40.54 m，最低水位保证率为 38.11～39.51 m。特别是从2009年开始，断面水位基本维持在39.20 m(相应流量5 000 m3/s)，以后逐年递增，到2015年水位维持在39.50 m(相应流量6 000 m3/s)。丰水年高洪期断面水位控制在 52.60 m(相应流量45 000 m3/s)以下，说明通过三峡水库调节，保证了汛期长江中下游防洪、枯水期航运和生态需水量的需要。

表4 宜昌站2003～2016年年保证率水位统计 m

4 三峡水库蓄水前、后水位特性对比分析

水位是反映水体、水流变化的水力要素和重要指标，其变化主要取决于水体自身水量的增减变化、约束水体条件的改变和水体受干扰的影响等因素。水位特性在一定时间和空间范围内相对稳定。依照宜昌站多年水位的变化，考虑受约束水体条件明显改变的影响，将宜昌站水位变化分成两个时间段，即三峡水库蓄水前(1877～2002年)和三峡水库蓄水后(2003～2016年)。三峡水库蓄水前、后的水位变化特性具有相似的基本特征，也有不同点，见表5。

表5 三峡水库蓄水前、后宜昌站水位特性及成因

5 水位监测和资料整编控制措施

根据三峡水利枢纽蓄水以后宜昌基本水尺断面水位变化情况，为提高水位成果质量，保证水位资料准确可靠、连续完整,建议从以下几个方面采取措施。

(1)使用自记仪器采集的水位数据存在波动性，特别是中低水期间水位的波动变化较大，因而水位的校核较为关键，可以定期检查仪器波动情况的正确性。

(2)高水期间，当波浪较大时，水位的瞬间数据采集存在一定误差，建议有条件情况下做水面的静水处理。

(3)在整理水位数据时，在保证水位数据完整的情况下要做好水位的平滑和滤波处理。其方法是在充分考虑水位变化的实际情况下，保证水位变化的连续性，减少水位锯齿状形态；特别是在对水位特征值的处理时，尽量要靠近，即平滑线要走上包线靠近最高水位，下包线尽量靠近最低水位。

(4)在满足整编洪水摘录和汇编刊印需要的情况下，尽量压缩摘录段次，不要过多增加洪水摘录的时段。

6 结 论

通过对三峡水利枢纽蓄水以后宜昌站实测水位资料和整编资料分析，得出如下结论。

(1)2003年以后受上游水利工程调度和天然洪水传播影响，水位波动性增强，特别是中低水阶段较为突出；水位在40.00 m以下的水位(属低枯水)波动范围为 0.2～0.3 m；水位在40.00～49.00 m的水位(属中低水)波动范围为0.3～1.4 m，波峰出现在19:00～22:00之间，波谷出现在次日07:00～09:00之间，波动周期为10～14 h左右，有时在波峰(谷)附近有短时小锯齿状波动。

(2)水位月分布特征仍是在汛期水位高，非汛期水位低，每年1～5月、11～12月平均水位有抬高趋势，6～10月平均水位则有下降趋势，特别是2010年以后较为明显。

(3)从年平均水位变化看，没有明显的上升或下降趋势，说明水位变化主要在局部时段或部分水位级。历年最高水位有下降趋势，排除2006年特枯水情外，从2005年开始历年最高水位下降趋势明显；历年最低水位从2003年开始则出现逐年抬高趋势，到2009年水位抬高了1.1 m；2009年以后每年抬高幅度不大，年变化在0～0.1 m之间，最低水位控制在 39.20 m左右。中低水出现时间加长，高水时间相对变短，年水位变幅在逐步缩小。

(4)按照《三峡水库优化调度方案》，三峡水库调度主要有防洪调度、发电调度、航运调度和水资源(水量)调度。通过三峡水库调节，保证了汛期长江中下游防洪、枯水期航运、城乡居民用水以及工农业生产和生态用水的需要。2008年以后最高水位保证率控制在 52.60 m以下。2009年开始最低水位保证率从断面水位基本维持在39.20 m，以后逐年递增，到2015年水位维持在39.50 m。

总之，三峡水库蓄水后对宜昌基本水尺断面水位特性的影响较为突出，原有规律改变导致测验和整编方法的调整，只有通过对新规律的认识，摸清宜昌站的水位新特性，并采取一定的控制措施，才能保证水文资料成果质量，提高资料的代表性和精度。