丹江口水利枢纽工程蓄水对其上游各水文（位）站的综合影响分析与评估

徐利永，张海波，徐新雪

（长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441000）

水利水电工程工期短者3年～5年，时间长的可能10年以上，施工期间河道特性变化频繁，水文各要素关系也随之发生变化。施工结束后直接或间接的改变了水文站水文特性[1～2]。根据预建水利工程对水文测站的影响程度，水利工程对水文测验的影响分析与探讨的文章不少，但如何评价其影响大小，根据影响程度如何利用现有的技术条件解决水文测验问题需要更深一步进行讨论[3～5]。本文主要对水位、流量测验项目进行了影响分析与评估。

1 研究区概况

1.1 水利工程概述

丹江口水库作为南水北调中线的供水水源工程，也是汉江综合利用开发治理的控制性水利枢纽，由丹库和汉库两部分组成，涉及湖北和河南两个区域。丹江口水利枢纽分初期规模和后期规模两期兴建，初期工程于1973年底建成，后期的大坝加高工程于2005年开工建设，2014年12月12日丹江口水库正式向北方供水，标志着丹江口水库后期全面转入正常运行期。

丹江口水利枢纽工程大坝加高后，正常蓄水位由157 m提高到170 m，相应库容达到290.5亿m3，水库任务为防洪、供水、发电、航运等。水库运行调度方式为：5月初至6月21日，水库水位逐渐降低到夏季汛限水位160 m；8月底逐渐抬高到秋季汛限水位163.5 m；10月1日以后，逐渐蓄水到正常蓄水位[6]。死水位150 m；极限消落水位145 m[7]。多年平均入库水量为394.8亿m3[8],多年平均气温为15.9℃，年均降水量约900 mm，年均水面蒸发量860 mm左右[9]。其上游各水文（位）距坝里程、梯级开发情况、主要汇入河流距坝里程具体见图1、表1。

图1 汉江主要水文（位）站、水电站距丹江口坝址里程统计及示意图

表1 丹江口库区主要汇入河流距坝里程统计表

1.2 水文站网概述

丹江口水库供水对象包含汉江中下游、清泉沟及南水北调中线一期工程三部分。其供水调度关系到汉江中下游、清泉沟用水安全和南水北调中线工程的正常运行，关系到我国水资源优化配置战略格局，也关系到有效缓解华北地区缺水和改善生态环境战略目标的实现，成为学界高度关注的热点和难点问题。

受丹江口大坝加高工程影响，其坝上有白河、油房沟、黄龙滩、磨峪湾、淅川共5个水文站，分布在汉江、堵河（汉江一级支流）、丹江（汉江一级支流）、老灌河（丹江一级支流）上。坝下黄家港水文站受其影响，水位～流量关系复杂；库区内布设有龙口、浪河、巡路口、窑沟4个专用水位站，坝前布设有龙王庙国家基本水位站。受影响的水位站主要分布在汉江干流郧县至白河区间范围内，其主要作用为监测大坝加高前及加高后的蓄水缓冲区。各水文（位）站地理位置分布见图2。

图2 丹江口水利枢纽水文站网分布图

2 受影响水文要素特性变化分析

水文特性变化一般是指通过断面的水流形态发生变化，特别是流速、含沙量在垂线、断面上的分布发生改变，导致已经建立的测验方案或者采用的测验设施设备无法正常使用。具体为延断面布设的垂线位置及数量、延垂线分布的测点位置及数量、各流速系数、单断沙关系等均需重新分析确定，导致水文测验成果质量降低或者无法满足使用。

2.1 水文站主要水文要素影响情况

2.1.1 流量测验断面影响分析

根据各水文站大断面与丹江口水库蓄水位对比分析（见图3）可得：夏季汛限水位160 m对黄龙滩水文站会产生顶托影响，对白河、淅川、磨峪湾不会产生影响；秋季汛限水位163.5 m基本达到磨峪湾水文站断面，影响程度需根据历年水位～流量关系进一步分析；正常蓄水位170 m库区尾水对白河站产生影响，影响程度目前还无实测资料进行分析，目前在建的孤山电站蓄水后对该站的影响较大，该站完全处于库区之中。在正常蓄水位以下不会影响到淅川水文站。

图3 各水文站大断面与库区蓄水位对照图

2.1.2 水位过程受影响分析

黄龙滩水文站水位受顶托后在上游来水情况基本相同的情况下，水位变幅总体减小，但变动频次提高。稳定的测验时机难以掌控，常规测验无法满足定线整编精度要求。见图4、图5。

图4 受顶托前瞬时水文要素过程线图

图5 受顶托后瞬时水文要素过程线图

2.1.3 水位～流量关系受影响分析

黄龙滩水文站受丹江口水库回水顶托后水位～流量无稳定关系，较历年综合分析关系明显变化，之前每年为较稳定的单一关系（见图6）。应对措施为采用H-ADCP在线监测数据分析指标流速关系进行整编推流。磨峪湾水文站分析2016年～2017年水位～流量关系（见图7），其受断面冲刷及上游来水特性影响较大，一定时期内承单一临时曲线，无明显顶托影响。

图6 黄龙滩站受顶托后与历年水位～流量关系对比图

图7 磨峪湾站2016～2017水位～流量关系对比图

2.2 水位站水文要素受影响分析

从郧县向汉江上游至白河1个水文站和9个水位站的水位均被抬升，基本水准点部分被淹，校核水准点、水尺基本全部被淹没。水位被抬高以后造成多个站点地基不稳，塌方。新设的各水准点、水尺高程变动频繁，难以固定下来。被影响前水位过程主要受上游汉江蜀河电站调机影响，水位日变幅较大，受丹江口水库蓄水及年调节影响水位日变幅减小，但年变幅增大。

以天河口水位站为例（见图8），该站1955年设立，中间停测13年时间，已收集到50年水文系列资料，距坝里程165.5 km，2017年大坝加高蓄水前不受其任何影响。2016年该站未发生较大洪水过程，水位变幅仅5.65 m。2017年8月中旬开始受丹江口水库蓄水影响，水位逐渐抬高，平水期水位变幅达6.76 m。

图8 天河口水位站年过程线对照图

在洪水期丹江口水库蓄水对各站的水位有明显的抬高影响，2017年9月下旬至10月中旬汉江出现较大来水过程，且频次高，持续时间长。根据天河口水位过程线图可知，水位被抬高约4m，与历史系列资料发生了较大变化。根据分析将军河至西流水位站水位近三年过程线图（见图9～图11），可得丹江口水库汉江回水已达到将军河水位站附近，距坝里程184.7 km。

图9 将军河（二）水位站年过程线对照图

图10 灵牌石水位站年过程线对照图

图11 西流水位站年过程线对照图

3 评估体系与方法

3.1 评估方法

综合影响（S）以各测验项目（见表2、表3）影响程度、影响时间（见表4）为主要因子确定权重系数，各主要因子根据数据分析及工程概况评估得分，根据分数及权重系数计算综合影响程度。测验项目主要包括水位（Z）、流量（Q），经验值初步确定所占权重分别为0.4、0.6。影响时间因子（Tx）根据各项目的影响时间长短确定。综合影响得分计算见公式1，影响等级划分见表5。

表2 水位（Z）受影响赋分表

表3 流量（Q）受影响赋分表

表4 时间因子权重表

表5 综合影响层次划分

水位（Z）受影响程度指水位受影响升高变幅与历史最大变幅进行比较，如黄龙滩水文站受影响前最高水位176.52 m（相应流量11200 m3/s），最低水位158.79 m，变幅达17.73 m；受影响后水位已达到170.35 m，年水位变幅11 m，占历史最大变幅的62%，受影响赋分为7分。如果再次出现11200 m3/s流量，水位必定会超历史最高，受影响赋分可为9分。流量（Q）受影响赋分主要考虑在满足整编定线精度要求下流量测次的增量，可与历年流量测次均值进行对比。

3.2 综合影响评估

通过以上评估方法，对丹江口水库影响的各水文（位）站进行了影响等级评估（见表6、表7），根据受影响程度确定解决方案，已满足各水文要素的推求。

表6 各水文站受影响等级评估

表7 各水位站受影响等级评估

3.3 影响评估验证

在建孤山电站蓄水后将对白河水文站产生一定影响，根据其正常蓄水位（177.23 m）和白河水文站目前测验情况，进行了评估，结果见表8。

表8 白河水文站受孤山电站蓄水影响评估

4 水文（位）受影响解决方案

4.1 水位站

水位站测验项目单一，受影响后的解决方案一般较好确定。等级为轻微影响的测站在工作管理、人力资源上应增加投入，加强仪器设备维护，对基础设施设备进行补充及改善。如增设水尺、水准点，更换水位自记仪探头及存储设备安置位置等，部分测站需要重新建设水位自记台；等级为影响的测站，原基础设施及设备基本废弃，水尺、水准点、水位观测平台被淹没，一般在原来站址的基础上进行重建，特殊情况需要进行迁移，水位资料系列受到一定程度的影响，后期应用需进行资料还原；等级为显著影响的测站，需要进行迁移重建，个别站失去水文测验的必要性，水文资料无使用价值，进行停测或者撤销。

4.2 水文站

水位项目可参考4.1条内容，本条重点对流量测验成果进行详细分析。等级为轻微影响的测站，按照测站现有测验设施设备能够完成《水文测验任务书》的测验要求，测次会有所增加，水位～流量关系发生一定变化，目前整编方法可以继续使用；等级为影响的测站，水文特性发生较大变化，水流状态复杂化，测流时机控制难度系数大。现有测验设施设备及整编方法已经无法满足有关规范要求，不同水位级需要增设临时测验断面，需要研制开发或引进先进的水文测验设备、仪器；等级为显著影响的测站，测验数据代表性失真，水文测站需要迁移、改建、撤销（包括部分项目停测）[10～11]。

不同等级影响的水文站主要解决方案是引进先进的设备，例如水平式声学多普勒流速仪，流量自动监测是解决受工程影响水文测验的主要手段。发展方向为提高水文测验的信息化水平和自动化水平，运用遥测系统、微机测流系统、固态存储、超声波水位计、计算机网络技术进行水文测验。新技术的运用，可以最大程度的降低错误率，保障了水文测验工作的准确性和可靠性。同时也能够减少劳动力，加强日常测验与分析研究。

5 结论

通过以上评估体系的建立与对丹江口水利枢纽上下游附近各水文（位）站的分析与评估，基本建立了受工程影响水文测验评估体系，可供广大水文工作者借鉴和参考。水文成果是水利工程建设、水资源开发利用、科学研究和国民经济建设的基础数据资料，水文单位应与水利工程建设单位有效沟通，协调发展，加强基础设施建设与改善，研制开发或引进先进的水文测验设备、仪器，提高水文测验的科技水平以及水文测验的准确性，更好的满足水文事业的质量要求，为我国经济社会的发展提供更优质的水文服务。