孤山航电枢纽工程坝址水文特性分析

贾建伟 卢满生 刘昕 何康洁

摘要：

孤山航电枢纽是汉江干流梯级开发的第8级，受上游梯级水库群的影响，其水文特性较天然状况已发生改变。根据孤山航电枢纽所在流域的水文、气象资料，在分析上游水工程调蓄影响的基础上，对工程区域的水文特性进行研究。结果表明：孤山航电枢纽坝址来水量以安康水库以上为主；受华西秋雨影响，径流年内分配不均匀、存在7月和9月两个明显的高值，夏、秋季洪水分期明显；安康水库运行以来，该枢纽入库沙量大幅减少。

关键词：

水文特性； 径流量； 输沙量； 孤山航电枢纽工程； 汉江

中图法分类号：P339

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.001

文章编号：1006-0081（2023）06-0006-05

0 引 言

流域水文特性是基于水文测站长期实测资料分析得出，要求系列具有一致性。随着水利工程、河道治理等人类活动的影响，流域下垫面及河道汇流条件发生变化，实测水文资料的一致性受到破坏，水文特性发生相应变化［1-3］。水文分析成果不仅是流域规划、水工程设计建设及运行管理的基础依据，也是水旱灾害防御、水资源调度及管理等的决策依据，其质量不仅关系到工程自身的规模和效益，还关系到人民生命和财产安全。因此采用科学的方法得出合理可靠的水文成果是工程设计中面临的重要课题［3-4］。上游梯级水库群对下游河段水文特性的影响体现在径流、洪水、泥沙等多个方面，需进行系统分析。目前，常采用水量平衡、洪水地区组成、频率组合等方法推求梯级水库群影响下的设计径流、洪水等。例如，徐长江等［5］采用水量平衡法还原了受长江上游水库群调蓄影响的48个水文站的径流，发现下游水文站实测径流较天然来水汛期有所减少、枯季有所增加。温得平等［6］采用同频率地区组成法分析了上游温泉水库对大干沟水电站洪水的消减作用。郭生练等［7］对梯级水库设计洪水计算方法和非一致性洪水频率分析现状进行了综述，并展望了未来的发展趋势。李保国等［8］在黄河中下游设计洪水成果修订中，对影响洪水系列一致性的各种因素进行了逐项识别，认为干支流大型水库调蓄是主要影响因素，并采用水量平衡法进行处理。

汉江流域水利工程众多，孤山航电枢纽为汉江干流15级开发方案的第8级，受上游安康水库等梯级水库的影响，其坝址处的水文特性较天然状态已发生了改变，在工程设计中需要进行一致性处理。本文基于孤山航电枢纽以上汉江流域水利工程运行资料和水文站实测资料，采用水量平衡、马斯京根、区间叠加等方法，开展气象、徑流、洪水、泥沙等水文分析研究，可为工程规模确定和方案设计提供基础数据，研究思路和方法可供类似工程借鉴。

1 流域概况

汉江是长江中下游最大的支流，发源于秦岭南麓，干流流经陕西、湖北两省，于武汉市汇入长江，全长1 577 km，流域面积15.9万km2，以丹江口、钟祥为上中下游的分界。孤山航电枢纽位于丹江口以上的上游河段，坝址集水面积60 440 km2，约占汉江流域的38%，坝址以上支流呈羽状分布，北岸支流主要有褒河、湑水、子午河、月河、旬河、夹河，南岸支流主要有牧马河、任河、岚河、灞河等。

孤山航电枢纽位于丹江口水利枢纽回水末端，上距白河梯级坝址35 km、下距丹江口枢纽坝址179 km，工程正常蓄水位177.23 m，相应库容1.09亿m3，开发任务以航运为主，兼顾发电，于2016年底开工，2022年完工。孤山航电枢纽以上汉江干流已（在）建的有黄金峡、石泉、安康、旬阳、蜀河、白河水库梯级，下游的丹江口水利枢纽加高工程也已竣工；支流上规模较大的水工程有旬河上的钟家坪、夹河上的陡岭子水库。其中，安康水电站位于孤山枢纽上游191 km，集水面积35 700 km2，正常蓄水位330 m，调节库容16.23亿m3，是一座以发电为主，兼有航运、防洪、养殖、旅游等综合效益的大型水电枢纽工程，于1990年12月首台机组发电、1995年竣工。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

（1） 气象数据。包括石泉、安康、旬阳、白河等气象台（站）建站以来至2018年的降水、蒸发、气温、风、湿度等气象要素月（日）尺度资料，来源于各县气象局。

（2） 水文数据。包括安康水文站1956～2018年、白河水文站1951～2018年逐日平均流量、洪水要素摘录、逐日平均含沙量（输沙率），来源于长江水利委员会水文局。

（3） 水库运行数据。包括安康水电站1991～2018年坝前逐日（时）水位、汛期逐时下泄流量、发电流量，来源于国家电网陕西省电力公司安康水力发电厂。

2.2 分析方法

孤山航电枢纽上游25 km处设有白河水文站，该站集水面积59 115 km2，占坝址面积的97.8%，可作为设计依据站。白河-孤山航电枢纽区间面积较小，与白河站以上流域的降水、下垫面等水文条件相似［9］，可采用面积比法由白河站水文成果推算至坝址。

Qd=FdFsn×Qs（1）

式中：Qd，Fd分别为孤山航电枢纽流量、集水面积；Qs，Fs分别为依据站流量、集水面积；n为面积比指数。

白河水文站上游的安康水库调节库容较大，建成运行后改变了下游水文站的天然水沙过程，需要进行一致性处理。根据水库的水位库容曲线和坝上水位资料，采用水量平衡法分析水库调蓄过程，再利用马斯京根法、考虑河道传播时间演算至水文站断面［10-11］。若有水库的入库流量和出库流量数据，可据此直接计算蓄变量或用以校核水库的还原成果。其中，径流还原的时段为月、日，洪水还原时段为小时。

Qn=Qm+V2－V1T（2）

式中：Qn为天然流量；Qm为实测流量；V1，V2分别为时段初、末水库蓄水量；T为时段长度。

3 气候及泥沙特性分析

3.1 气候特性

孤山航电枢纽位于汉江上游，属北亚热带季风气候区，夏季主要受西南季风的影响，温高、湿重，冬季受偏北风及大陆冷高压的影响，气候寒冷、干燥。

汉江上游年降水量在700～1 800 mm之间，由上游往下游、由南往北逐渐减少，米仓山一带，因其山脉多呈西南东北向排列，西南暖湿气流可侵入，年雨量高达1 800 mm，为上游高值区。年内降水有3个集中時段，4月下旬至5月下旬为春汛，6月下旬至7月下旬为夏汛，8月下旬至10月为秋汛；夏汛时段雨量最大，秋汛次之，但遇降雨天气有异时秋汛雨量可超过夏汛。降水年内分配不均匀，5～10月降水量占全年的70%～80%；因该区属华西秋雨区，9，10月降水突出，9月降水量不仅比8月大，甚至个别站少数年份超过了7月，这是该流域最显著的气候特点之一［12-13］。汉江上游水面蒸发量为800～1 100 mm，由西南向东北递增，米仓山一带为800 mm；陆面蒸发量为500～600 mm，呈现山区小、河谷平原区大的分布规律，米仓山一带为600 mm。

由于西北-东南走向的大巴山、武当山阻挡了南来暖湿气流深入，孤山航电枢纽附近降水量偏小。白河气象站1935～2018年多年平均年降水量仅767 mm，最大、最小年降水量分别为1943年的1 185 mm、1997年的441 mm，极值比2.69，年际变化较大。降水量年内分配也不均匀，5～10月降水量占全年的78.2%，7～9月最为集中、占全年的47.5%，12月至次年1月仅占全年的2.47%。白河站年平均降雨日数112 d，大于5，10，25 mm的雨日分别为41.0，24.3，6.7 d；多年平均水面蒸发量1 086.2 mm，最大、最小月蒸发量分别为7月的160.4 mm、1月的33.0 mm，年内差异较大。

3.2 泥沙特性

汉江上游流域植被较好，森林覆盖率高，非汛期水流清澈平稳，泥沙含量小，汛期发生暴雨洪水时则有一定量的泥沙进入河道。汉江水量丰富，含沙量不大，水流挟沙能力一般不饱和，干流含沙量在0.5～2.0 kg/m3之间。实测资料统计显示，土壤侵蚀强度从上游到下游逐渐增大，输沙模数从洋县、石泉站的约300 t/（km2·a）增大到白河站的约900 t/（km2·a）。近年来，随着天然林资源保护、水土保持、蓄水工程等措施的实施，年输沙量有逐年减少的趋势［14］。

孤山航电枢纽坝址泥沙以悬移质为主，主要来源于安康水库上游和安康-孤山航电枢纽区间支流。石泉、安康水电站分别于1974年、1990年蓄水运行后，安康水库以上来沙大量被拦在库内。安康（二）站输沙量由建库前1956～1990年的2 174万t/a减少到建库后1991～2018年的104万t/a，减幅95.2%；白河站年输沙量由1951～1990年的5 121万t/a减少到1991～2018年的817万t/a，减幅84.0%。

孤山航电枢纽坝址悬移质泥沙以安康水库建库为节点分别确定：1951～1990年由白河站输沙量采用面积比法分析，得出输沙量为5 235万t/a；1991～2018年由白河站与白河-孤山航电枢纽坝址区间叠加，基于安康-白河区间值，采用面积比法推求区间泥沙，得出输沙量为835万t/a。20世纪90年代以来，汉江上游处于枯水时段，采用1951～2018年，1991～2018年两个长短系列年径流量的比值对安康水库建库后坝址泥沙进行修正，得出年输沙量为999万t/a，年平均含沙量为0.409 kg/m3。统计表明，上游建库后孤山航电枢纽坝址输沙量年际变化较大，最大、最小年输沙量分别为1998年的3 605万t，2016年的18.4万t，极值比高达196倍；输沙量年内分配不均匀，主要集中于汛期，5～10月输沙量为975万t，占全年输沙量的97.6%，最大、最小值占比分别为7月的30.5%、2月的0.05%，坝址输沙量年内分配如图1所示。

4 径流特性分析

汉江上游年径流地区分布与降水分布大体一致。由于陆地蒸发的地区分布与降水量相反，使得年径流深的地区分布更不均匀，年径流深一般在300～900 mm之间。其中，秦岭山地和米仓山、大巴山一带均在400 mm以上，米仓山、大巴山高值区更是高达1 400 mm和1 000 mm［15-16］。

受安康水库调蓄影响，作为孤山航电枢纽坝址径流分析依据站的白河水文站来水过程发生变化。以建库前1951～1990年、建库后1991～2018年实测资料统计，白河站多年平均径流量分别为137亿m3、94.0亿m3；枯季11月至次年4月径流量占年径流的比例由20.2%增加到24.5%，汛期5～10月占比由79.8%减少为75.5%。可以看出，水库运行前后水文站径流过程发生改变，枯季径流明显增加、汛期径流明显减少，需要对受影响的部分进行一致性处理。

孤山航电枢纽坝址天然径流选择白河水文站为依据，按面积比推求。其中，白河站1990年以后系列利用安康水库的运行资料，采用水量平衡法进行还原。结果表明，坝址1951～2018年多年平均天然径流量为244亿m3，年径流深404 mm。径流年际变化较大，年最大、最小径流量分别为1983年的523亿m3、1999年的93.4亿m3，极值比5.6。径流年内分配不均匀，以汛期为主，5～10月汛期径流量占全年的79.4%，11月至次年4月仅占径流量的20.6%；年内来水有两个明显的高值，分别为7，9月的18.0%，18.6%，由夏、秋汛引起。

孤山航电枢纽位于安康水电站下游，径流由安康水库坝址、安康坝址-孤山航电枢纽坝址区间两部分组成，其多年平均天然径流量分别为166亿m3、78.0亿m3，占比分别为68.0%，32.0%，与其面积比59.1%，40.9%对比，安康水库坝址以上来水量大于其面积百分比，说明孤山枢纽水量以安康水库以上干流来水为主。孤山航电枢纽坝址天然径流年内分配见图2。

5 洪水特性分析

孤山航電枢纽坝址以上汉江流域各地均可出现暴雨。暴雨最多的地方是米仓山、大巴山一带，年平均暴雨日数3～4 d；北岸暴雨日较少，年平均1～2 d，一次暴雨过程2～5 d。就季节而言，暴雨集中发生在7，8，9三个月内，个别年份暴雨推迟于10月，如“83·10”暴雨。4～6月暴雨较少，但历史上1583年6月也曾发生过特大暴雨洪水，为400多年来最大的一次洪水。日降水量大于100 mm的大暴雨多发生于7月，9月次之，其次为8月，具有前、后期暴雨的显著特点。

孤山航电枢纽坝址洪水由暴雨产生，洪水时空分布与暴雨一致。白河水文站以上干流年最大洪峰流量一般出现在3～10月，其中3，4月出现的机会很少、且洪峰量级较小，主要出现在7～9月，9月出现次数略小于7月，但10月出现次数却比6月多。白河站历年年最大洪峰流量分布如图3所示，存在以8月20日为分界的较为明显的夏、秋季洪水分期现象。基于白河水文站历年洪水过程统计，夏季洪水较尖瘦、陡涨陡落，而秋季洪水相对较胖、历时较长。成因分析表明，夏季环流系统变化快，大气较湿热，易产生强对流性降雨，暴雨强度大，持续时间短，洪水则陡涨陡落。而秋季则不然，环流系统变化缓慢，西南季风撤退较迟，当变性北方冷气团南侵并楔入西南暖湿气流之下时，便形成高空切变线和地面准静止锋，产生稳定而持久的降水，即华西秋雨［17-18］，此时洪水过程线则较肥胖。由于汉江上游的暴雨多为自西向东和自西南向东北方向移动，与干流的流向一致，易形成雨洪遭遇。如1983年7月底，在嘉陵江中上游出现的暴雨中心一直位于嘉陵江，但雨区逐渐向东从汉江上游向石泉、安康方向扩展，使汉江干、支流洪水相互遭遇，洪峰沿程叠加，致使白河站出现了31 000 m3/s的最大实测洪峰流量，而形成这场洪水的暴雨量级却为一般暴雨。

按照流域水系分布特点，孤山航电枢纽坝址洪水地区组成可分为3种：① 上游型，洪水主要来自安康站以上流域；② 区间型，洪水主要来自安康-孤山航电枢纽坝址区间；③ 全流域型，水量分配比较均匀，上游、区间的来水接近于流域面积比。安康水文站集水面积38 625 km2占孤山航电枢纽坝址的63.9%，安康-孤山航电枢纽坝址区间占36.1%，以上3种类型划分标准：

K=Wak/Wgs（3）

式中：K为百分比;Wak，Wgs分别为安康站、孤山航电枢纽坝址连续最大72 h洪量；孤山航电枢纽坝址洪量由白河站成果采用面积比法推求。当K大于63.9%，表明洪水主要来自上游，为上游型；K小于50.0%表明洪水主要来自占流域面积36.1%的区间，列为区间型；K值位于50.0%～63.9%之间，表明水量地区分配比较均匀，则为全流域型。

安康站、孤山航电枢纽坝址1935～2018年共84 a天然最大72 h洪量分析表明：上游型洪水发生71次，全流域型11次，区间型洪水2次。以洪水大小顺序统计，坝址前15位大洪水中，排在前5位的均属上游型，属上游型的有11次，属全流域型的3次，属区间型1次。由此可见，孤山航电枢纽坝址洪水以安康站以上为主。

历史洪水调查表明（表1），自1583年考证，白河水文站可以定量的1583，1867年洪水洪峰流量重现期分别为436，87a，实测系列中最大值1983年作特大值、重现期为109 a。将1583，1867，1935～2018年组成不连续天然洪水序列，选用皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线分析，100 a，500 a一遇设计洪峰流量分别为31 200 m3/s，37 500 m3/s。

统计白河水文站历年8月20日之后的秋季天然洪水峰量特征值，1935～2018年系列中，洪峰流量、最大24 h洪量、最大72 h洪量为年最大值的比例分别为46.4%、50.0%、51.2%，即年最大洪水中约一半左右为秋季洪水。鉴于秋季历史洪水难以考证，采用皮尔逊Ⅲ型理论曲线对1935～2018年秋季洪水天然系列进行分析，连续序列中未提出特大值处理，100 a，500 a一遇白河站设计洪峰流量分别为28 200 m3/s，35 200 m3/s，比年最大相应值偏小9.6%，6.1%。采用面积比法即可推求出孤山航电枢纽坝址相应频率的洪峰流量，指数n取2/3，分析成果如表2所示。

6 结 论

（1） 汉江上游属北亚热带季风气候区，降水由上游往下游、由南往北逐渐减少。孤山航电枢纽位于上游末段、降水量偏小，年内分配不均匀，9，10月降水突出。

（2） 受上游水库工程拦蓄，孤山航电枢纽坝址入库沙量大幅减少，主要产沙区为安康-孤山航电枢纽坝址区间，年内分配主要集中在5～10月。

（3） 孤山航电枢纽坝址天然径流年际变化较大，年内分配不均匀，7月和9月来水量为两个高值，分别由夏、秋汛引起。受安康等水库调蓄影响，枯季径流明显增加、汛期径流明显减少。

（4） 受华西秋雨的影响，以8月20日为界，可将孤山航电枢纽坝址洪水分为夏、秋两季，秋季洪水略小。洪水地区组成分析表明，坝址来水尤其是大洪水以安康站以上干流为主。

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（编辑：江 文）

Analysis of hydrological characteristics at dam sit of Gushan Navigation and Hydropower Project

JIA Jianwei，LU Mansheng，LIU Xin，HE Kangjie

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Gushan Navigation and Hydropower Project is the 8th cascade reservoir on the mainstream of Hanjiang River.Compared with natural conditions，its hydrological characteristics have changed due to the influence of upstream cascade reservoirs.Research of hydrologic charactristics of Gushan engineering area was conducted based on the hydrometeorological data of Gushan Navigation and Hydropower Project and the impact on upstream reservoir regulation.The results indicated that the inflow of the Gushan Navigation and Hydropower Project was mainly from the area above Ankang reservoir.And the annual runoff distribution was uneven，affected by the autumn rainfall in West China，with two obvious high values in July and September.Besides，summer and autumn flood stages were obvious.Since the operation of Ankang reservoir，the sediment discharge had reduced greatly.

Key words：

hydrological characteristic； runoff； sediment discharge； Gushan Navigation and Hydropower Project； Hanjiang River