影响寸滩水位流量关系的水力因素探讨

2021-01-26

水利水电快报 2021年1期

（长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010）

2020年汛期，长江流域暴雨频发、干支流洪水严重遭遇，干流发生5次编号洪水，上游干流寸滩站出现多次较大涨水过程。2020年8月11～17日发生的降雨过程为入汛以来长江上游最强过程，嘉岷流域出现大范围暴雨-大暴雨的强降雨过程，降雨持续时间长达7 d，强降雨区范围集中、极端性强，主要位于岷江中下游、沱江、涪江、嘉陵江上中游，面均雨量多在140 mm以上。

受强降雨影响，岷江发生超历史洪水，沱江、涪江、嘉陵江、长江干流朱沱至寸滩江段发生超保证洪水，干流寸滩站发生1次复式涨水过程。洪水期间，重庆主城区多处被淹，寸滩站最高水位191.62 m（超保证水位8.12 m），超过1981年最高水位191.41 m，但2020年最大流量（74 600 m3/s）较1981年（85 700 m3/s）偏小约11 100 m3/s，寸滩站水位流量关系的变化成为社会关注热点。本文以报汛资料为基础，通过分析洪水过程中三峡库区水面线、寸滩站断面变化情况、洪水峰型及三峡水库对寸滩站水位流量关系带来的影响，总结规律并探讨不同水力因素对寸滩站水位流量关系的影响。

1 三峡库区水面线分析

“20·8”洪水中，寸滩站出现洪峰水位191.62 m时相应流量为74 500 m3/s，依据寸滩站洪峰量级相近的原则，选择1981，1984，1987，1998年作为典型洪水年，绘制各年寸滩站出现洪峰水位时寸滩至坝址的水面线，见图1，各站水位已统一换算至吴淞基面。通过三峡库区水力学模型［1-2］，以“20·8”洪水中寸滩、武隆站实际来水过程为上边界，假定三峡坝前水位分别维持145，155，160 m，计算并绘制当寸滩站出现洪峰水位时寸滩至坝址的水面线，见图1。

由图1可知，“81·7”洪水中，当寸滩站出现洪峰水位191.41m时的寸滩至坝址水面线，与“20·8”洪水中寸滩站出现洪峰水位191.62 m时的寸滩至坝址水面线相比，水面线在寸滩至麻柳嘴河段基本重合，麻柳嘴至坝址河段水位因三峡水库蓄水在“20·8”洪水中明显抬高。当三峡坝前水位维持在145 m时，计算得到寸滩站出现洪峰水位时的寸滩至坝址水面线，与“20·8”洪水中寸滩站出现洪峰水位时的寸滩至坝址水面线基本重合，在寸滩至麻柳嘴河段偏低幅度稳定，在麻柳嘴至坝址河段偏低幅度随距坝址距离变近而变大。

1984，1987，1998年洪水中寸滩站的洪峰量级均小于“20·8”洪水中寸滩站洪峰量级，当寸滩站出现洪峰水位时，同时刻寸滩至坝址水面线均比“20·8”洪水中寸滩站出现洪峰水位时库区水面线低，但寸滩至麻柳嘴河段水面线的变化趋势与“20·8”洪水中的变化趋势基本相同。

由此可知，“20·8”洪水中，三峡水库库尾麻柳嘴至寸滩站约50 km，表现为明显的河道特征。当寸滩出现洪峰水位时，三峡库水位调洪运用对寸滩水位有一定抬高影响，但当寸滩现峰后，三峡水库调蓄洪水对寸滩附近水位影响较小。

2 影响水位流量关系因素分析

2.1 洪水峰型

寸滩站的洪水过程有单次涨水过程和连续多次涨水过程的区别，洪峰表现为单峰型和多峰型。本文选取典型年寸滩站复式洪水过程，分析水位流量关系线的走势。1981年和1998年为三峡水库建库前的典型年，次洪样本见图2。2012年和2020年为三峡水库建库后的典型年，次洪样本见图3。次洪样本汇总见表1。

图2 1981年和1998年洪水样本

根据选取的典型年复式洪峰次洪，绘制三峡水库建库前和建库后的寸滩站水位流量关系线，见图4和图5。

图3 2012年和2020年洪水样本

表1 典型年场次洪水样本选取汇总

图4 建库前寸滩站复式洪水水位流量关系

图5 建库后寸滩站复式洪水水位流量关系

由图4～5可知，三峡水库建库前、后寸滩站复式洪水水位流量关系基本处于综合线附近。从各典型次洪来看，复式洪水后峰水位流量关系绳套中间线较前峰水位流量关系绳套中间线左偏［3-4］；2020年复式洪水后峰水位流量关系绳套中间线左偏幅度较其他典型年偏离更大。

当发生复式洪水时，后峰在前峰影响后的河道上继续发展，洪水过程洪量偏大，河道的槽蓄能力变小，宣泄能力不足，水面比降降低，表现为同流量下水位偏高。

2.2 洪水形态

以“81·7”洪水过程为原型，固定洪峰流量85 700 m3/s以及洪水过程起涨、结束时间，按不同的洪水形态拟定5组洪水过程。以洪峰胖瘦系数描述洪峰胖瘦程度，分析洪水形态对寸滩站水位流量关系的影响程度。洪峰胖瘦系数，即洪峰流量与洪水过程平均流量或过程总水量之比。本次计算采用洪峰流量与过程平均流量之比，洪峰流量相同情况下，系数越大，洪水峰型越瘦。拟定的5组洪水过程参数见表2，过程线见图6，其中方案3为“81·7”实况洪水过程。

表2 洪水形态参数

图6 不同形态洪水过程线

基于三峡库区水力学模型，以拟定的5组寸滩洪水过程和武隆站实况过程作为模型上边界条件，区间降雨均采用2020年实况降雨，下边界三峡坝前水位维持145 m，分别计算5组寸滩站水位流量关系，见图7。由图7可知，流量在60 000 m3/s及以下时（涨水面相应水位183m左右），洪水形态越胖，水位流量关系曲线带宽越宽，且在涨水面流量越小时，水位流量关系越偏右；当流量大于60 000 m3/s时，洪水形态越胖，水位流量关系曲线整体越偏左，即同流量下水位越高。

图7 不同形态洪水对应寸滩站水位流量关系

分析5组洪水数值模拟得出的洪峰水位与洪水洪峰胖瘦系数的相关性（见图8）可知，当洪峰流量一定时，洪峰水位与洪峰胖瘦系数呈负相关，即胖瘦系数越大，洪水峰型越尖瘦，洪峰水位越低。

图8 洪峰胖瘦系数与洪峰水位相关关系

分析“20·8”寸滩洪水的胖瘦程度，考虑本次洪水为复式洪水，需先进行洪水分割。对后峰进行分割后计算洪峰胖瘦系数，约为1.45；小于“81·7”洪水的胖瘦系数为1.55，表明“20·8”洪水后峰整体峰型胖于“81·7”洪水峰型；当洪峰流量相同时，“20·8”洪水洪峰水位较高。

由此可得出：当洪水峰型较胖时，洪水过程的洪量也相应增加，宣泄能力减弱，寸滩站水位偏高。

2.3 寸滩站河道断面变化

寸滩站位于长江与嘉陵江汇合口下游约7.5 km处，河段较顺直，左岸较陡，右岸为卵石滩，左岸上游550 m处有砂帽石梁起挑水作用，中泓偏左岸，断面基本稳定。

以1981年为基准，分析2003，2010，2012，2018年寸滩水文站实测大断面形态及变化，见图9。计算了不同水位条件下断面面积的变化，见表3。由图9可知，168 m以下寸滩水文站实测大断面形态基本稳定，不同水位条件下有一定的冲淤变化，但变化不大；168 m以上大断面过水面积有所缩小，主要是2005年断面右岸因修滨江路工程，在水位168 m以上修建了垂直高约11m的堡坎，且布置9条石梁。因此，当寸滩站水位在180 m以上时，2010，2012，2018年实测大断面面积较1981年偏小，偏小幅度稳定在3.7%以内，其中以2018年偏小值较大。

图9 寸滩水文站实测大断面形态变化对比

表3 建库前后寸滩水文站实测大断面面积变化统计

由表3可知，寸滩站水位在177 m以上时，2018年实测大断面过水面积均小于1981年，当断面平均流速、过水断面面积相同时，2018年寸滩断面水位高于1981年。当水位在191～192 m时，2018年断面面积较1981年偏小3%左右。

综上，相同水位下寸滩站的河道过流断面面积减小降低了河道的行洪能力，是造成寸滩站水位偏高的另一个因素。

2.4 三峡水库坝前水位

基于三峡库区水力学模型，以“20·8”洪水中寸滩、武隆站实况来水过程作为上边界，以2020年8月14日08：00为计算起始时间，实况三峡坝前水位153.09 m为起调水位，依据实况出库范围，从8月14日08：00起设置不同的三峡下泄方案，即：出库流量按30 000～50 000 m3/s，每隔2 000 m3/s设计一个方案，以此分析不同调洪水位对寸滩洪峰水位的影响。由于出库流量维持在30 000～36 000 m3/s时三峡调洪水位超过175 m，本次分析仅采用38 000～50 000 m3/s之间的7组方案结果，见图10。

由图10可知，整体而言，当坝前水位较高时，通过加大下泄流量降低三峡坝前水位，可降低寸滩洪峰水位，且随着坝前水位的降低，寸滩洪峰水位的降低幅度逐渐减小。当出库流量由38 000 m3/s（相应调洪水位169.05 m）加大至40 000 m3/s（相应调洪水位166.65 m）时，可降低寸滩现峰时对应三峡库水位约2.4 m，降低寸滩洪峰水位约0.2 m；当出库流量由48 000 m3/s（相应调洪水位159.40 m）加大至50 000 m3/s（相应调洪水位157.40 m）时，可降低寸滩现峰时对应三峡库水位近2.0 m，降低寸滩洪峰水位约0.1 m。