三峽出庫急變洪水波傳播規(guī)律及其對水文測報的影響

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

三峽-葛洲壩水庫聯(lián)合調(diào)度以來，已發(fā)揮出巨大的防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)等綜合效益。從目前葛洲壩的實際調(diào)度運行數(shù)據(jù)來看，葛洲壩出庫流量(據(jù)樞紐主要泄水建筑物泄流曲線計算)與其下游宜昌水文站實測流量存在一定差異，其主要原因除泄流曲線本身隨樞紐運行環(huán)境或邊界條件的改變而導致偏差外，“兩壩”在短時間內(nèi)大幅度調(diào)度引起下泄流量急劇變化形成的典型非恒定流水文條件，也給葛洲壩下游近壩段宜昌水文站相關(guān)水情測報工作造成一定影響。

目前，對于“兩壩”調(diào)度產(chǎn)生的非恒定流特性及影響研究主要集中在兩壩間河段或?qū)νê降挠绊慬1-3]。針對出庫流量急劇變化在近壩段的傳播特性及影響，有學者認為當三峽水庫下泄流量在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化時，上荊江部分河段洪水傳播特性從運動波轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗖╗4]，并對洪水波與沙市站水位流量響應(yīng)關(guān)系進行了探究[6]。此外，實測資料表明，即使在水庫恒定下泄過程中，不同流量級“兩壩”下泄流量與下游水文測站測驗數(shù)據(jù)也存在一定的正負誤差[5]。本文通過歷史資料分析、水動力數(shù)學模型模擬等手段，分析計算大壩在短時間內(nèi)大幅度調(diào)度產(chǎn)生的急變洪水波在壩下段(葛洲壩-枝城)的傳播特性，進而探究其對宜昌水文站報汛工作的影響。

1 壩下段急變洪水波要素計算

選取2015～2018年汛期共6個典型的洪水調(diào)度過程，對大壩出庫流量急劇變化時壩下段洪水波傳播過程的水文要素進行統(tǒng)計，見表1。若壩下段洪水以運動波特性傳播，其波速為斷面平均流速的1～2倍[7]，各工況下變動范圍為 0.8～5.9 m/s，而調(diào)度期間洪水波實際波速在11.1～13.3 m/s，遠大于運動波波速；若壩下段洪水以斷波特性傳播，按斷波公式[8]計算的該河段斷波平均波速在13.2～16.3 m/s范圍內(nèi)，更接近此類急變洪水過程的平均波速。綜合各典型洪水調(diào)度過程可初步驗證，葛洲壩大幅度調(diào)度所產(chǎn)生的急變洪水波在壩下游河段的傳播規(guī)律不再符合一般運動波特征，而是以一種類似斷波的洪水波形式向下游傳播。

2 急變洪水波傳播規(guī)律分析

從各實測典型工況可以看出，不同起始流量、最終流量、流量變率等均可能對急變洪水波的波速產(chǎn)生影響。為了探究急變洪水波傳播規(guī)律，采用基于圣維南方程組、對洪水波普遍適用的水動力學非恒定流數(shù)學模型，對不同流量級條件、不同調(diào)度方式下“兩壩”產(chǎn)生的急變洪水波在壩下段的傳播過程進行了模擬。

表1 典型工況下葛洲壩至枝城段洪水傳播特征對比

2.1 模型建立

模擬河段選取壩下游葛洲壩至枝城全長約63.8 km的河段，考慮到河段內(nèi)洲灘遍布，且宜都、白洋等處都存在轉(zhuǎn)角約90°急彎，計算選取更適應(yīng)復(fù)雜河道邊界條件的二維數(shù)學模型。計算網(wǎng)格采用河勢貼體正交曲線網(wǎng)格形式，網(wǎng)格數(shù)為1 400×60，水流方向網(wǎng)格間距40～60 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距5～20 m。為便于對大壩出庫洪水波傳播規(guī)律進行針對性研究，需對模型邊界調(diào)節(jié)予以簡化，采用葛洲壩出庫流量作為進口邊界，出口邊界條件采用枝城站相應(yīng)水位。以2016年12月實測地形為基礎(chǔ)，采用2016年以來計算河段內(nèi)各站實測水流資料對模型進行參數(shù)率定。恒定流驗證選取了2013年7月至2017年9月多個流量級下水文實測值。驗證結(jié)果表明，壩下游沿程各站水位誤差均在±0.02 m以內(nèi)，計算值與實測值符合較好。非恒定流驗證時段選取了2017年7月8日19：00至9日02：00宜昌站連續(xù)測流期間，從該站驗證結(jié)果可以看出，宜昌站計算水位及流量過程與實測過程吻合較好，流量最大誤差為 3.86%。因此，模型能夠較好反映該河段非恒定流的傳播過程，可用于葛洲壩至枝城段急變洪水波傳播特性的研究計算。

2.2 傳播規(guī)律探究

綜合前述實時洪水過程可知，當上游電站發(fā)生短期大幅度調(diào)節(jié)時，壩下游河段洪水波以類似斷波特征向下游傳播。為定量研究急變洪水波在葛洲壩至枝城段傳播特性，針對表1中可能存在的斷波影響因素，分別擬定單因素變化下的斷波出流工況。

2.2.1 斷波漲落速率的影響

葛洲壩初始出庫流量為15 000 m3/s，分別在1.5，2，3h和4 h內(nèi)均勻增至25 000 m3/s，在25 000 m3/s維持8 h后，以各自原速率均勻減至15 000 m3/s并維持8 h，此后再以原速率增至25 000 m3/s。在此期間，枝城站水位穩(wěn)定在多年(蓄水后至今)平均水位 40.22 m，分別概化為工況A1～A4，見圖1。

圖1 A1～A4工況下葛洲壩出庫流量過程

圖2給出了漲水波和落水波兩種情況下，模擬波傳播速度與河段平均斷波波速、運動波波速在不同漲落速率下的對比?？梢钥闯?，無論漲退水，模擬波波速在11.7～12.9 m/s內(nèi)，遠大于運動波最大波速 3.8 m/s，而與斷波平均波速 12.9～14.1 m/s較接近。在初始流量與最終流量相同的前提下，當流量小時變幅由2 500 m3/s增大至6 700 m3/s時，斷波波速保持不變，而模擬波漲、落水波波速分別增大1.0 m/s及 0.5 m/s，越發(fā)趨近斷波波速，模擬波斷波特征更明顯。

圖2 不同漲落速率下模擬波波速與斷波波速比較

2.2.2 斷波最終流量的影響

葛洲壩初始出庫流量均為15 000 m3/s，以小時變幅5 000 m3/s的相同速率分別增至3 000，35 000，45 000，55 000 m3/s，維持8 h后，分別按原速減至原初始流量。在此期間，枝城站水位穩(wěn)定在多年平均水位 40.22 m，分別概化為工況B1～B5，見圖3。

圖3 B1～B5工況下葛洲壩出庫流量過程

葛洲壩初始出庫流量均為55 000 m3/s，以小時變幅5 000 m3/s的相同速率分別減至15 000，20 000，30 000，45 000 m3/s，維持8 h后，按原速分別增至初始流量。在此期間，枝城站水位穩(wěn)定在多年平均水位 40.22 m，分別概化為工況C1～C4，見圖4。

圖4 C1～C4工況下葛洲壩出庫流量過程

圖5給出了漲水波與落水波在初始流量各自相同時，各類波速在不同最終流量下的對比?？梢钥闯?，無論何種工況，各類波速均隨最終流量的增大而增大，但模擬波傳播速度在12.0～14.8 m/s內(nèi)，與運動波最大波速 6.8 m/s相差甚遠，而更接近斷波波速 14.0～17.7 m/s，模擬波斷波特征更為明顯。對于漲水波，最終流量越大，斷波流量越大，斷波波速增長最快，模擬波波速則在最終流量達45 000 m3/s后明顯放緩；對于落水波，最終流量越小，斷波流量越大，模擬波波速降低最快。

圖5 不同最終流量下模擬波波速與斷波波速比較

2.2.3 斷波持續(xù)時間的影響

葛洲壩初始出庫流量為15 000 m3/s，歷時3 h均勻增至25 000 m3/s，以該流量分別維持2 h、4 h、8 h、16 h、24 h、32 h及48 h后，原速減至15 000 m3/s，此期間枝城站水位穩(wěn)定在多年平均水位 40.22 m，分別概化為工況D1～D7，見圖6。

圖6 D1～D7工況下葛洲壩出庫流量過程

可以看出，當斷波流量為25 000 m3/s時，斷波持續(xù)時間在8 h以上時，斷波波速與模擬波波速基本保持恒定，當斷波持續(xù)時間在8 h以內(nèi)時，隨著持續(xù)時間減短，斷波及模擬波波速均呈下降趨勢，其中模擬波波速下降速度更快，其斷波特征也隨之呈減弱趨勢，但相比于運動波波速，模擬波波速減弱趨勢并不明顯，見圖7。

圖7 不同持續(xù)時間下模擬波波速與斷波波速比較

可以看出，無論何種工況，與運動波相比，模擬波傳播特征更接近斷波。其中斷波漲落速率對模擬波波速影響較大，漲落速率越大，模擬波波速越大，而斷波變化較??；斷波最終流量對各類波速影響均較為明顯，各波速均隨斷波最終流量增大而增加，但當最終流量在45 000 m3/s以上時，其增長趨勢明顯減弱；斷波持續(xù)時間的影響主要集中在8 h以內(nèi)，在此期間，斷波及模擬波波速隨持續(xù)時間增長而增大，其后基本保持恒定。

3 對水文測報的影響分析

3.1 對流量測驗的影響

圖8 給出了典型急變洪水波下葛洲壩至枝城段沿程站點(李家河、宜昌、寶塔河、胭脂壩、艾家鎮(zhèn)、虎牙灘、楊家咀及枝城)的流量變化過程。當葛洲壩出庫流量穩(wěn)定后，因水流存在滯時因素，即使斷波波峰傳至下游站點，一段時間內(nèi)站點流量仍在緩慢變化，而非與葛洲壩出流過程一樣保持恒定，且隨著距壩里程的增加，斷波波形逐漸坦化，波峰位置逐漸難以辨識，洪水波在上游來水穩(wěn)定后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)歷時更長，波峰到達后至最終穩(wěn)定期間，流量變化更為明顯。

基于此，統(tǒng)計了上游來水穩(wěn)定且該“恒定”波傳至宜昌站后，各工況下宜昌水文站的流量變化范圍，見圖9。各工況下，無論漲退水，宜昌站流量變化范圍遵循的規(guī)律基本一致，但退水帶來的流量波動均要高于同工況下漲水過程，退水后宜昌站流量變化范圍均在6%以內(nèi)，漲水后流量變化范圍不超過-3%。主要是因為退水后基流減小，相同的流量變幅產(chǎn)生的影響更明顯。綜合來看，斷波流量變率越大，最終流量越小，斷波持續(xù)時間越長，宜昌站流量變化范圍越大，但當斷波持續(xù)時間在16 h后，宜昌站流量變化范圍不再變化。

圖8 急變洪水波下葛洲壩至枝城段流量變化過程

圖9 不同因素影響下宜昌流量變化范圍

3.2 對水文站水位流量關(guān)系線的影響

分析不同漲落速率下斷波對河段內(nèi)宜昌水文站水位流量關(guān)系曲線的影響可以看出，受斷波漲落影響，宜昌站水文流量關(guān)系曲線呈逆時針繩套型曲線。當斷波流量為10 000 m3/s時，斷波漲落速率越小，繩套曲線越窄瘦，即同流量下水位波動范圍更小，繩套曲線的峰頂和谷點位置則保持不變，見圖10。

圖10 A1～A4工況下宜昌站水位流量關(guān)系

分析不同持續(xù)時間下斷波對河段內(nèi)宜昌水文站水位流量關(guān)系曲線的影響，可以看出，當斷波流量為10 000 m3/s時，斷波持續(xù)時間長短對于宜昌站水位流量關(guān)系漲水曲線基本無影響。對于退水支線，當持續(xù)時間在8 h以內(nèi)時，退水支線隨著持續(xù)時間增長而逐漸向左上偏移，峰頂也隨之向上移動，但谷底位置保持不變，當斷波持續(xù)時間增長到8 h以后時，退水曲線不再發(fā)生變化，水位流量關(guān)系繩套曲線趨于穩(wěn)定，見圖11。

圖11 D1～D7工況下宜昌站水位流量關(guān)系

3.3 對水文測報的影響時長

通過前述分析可知，當三峽出庫形成急變洪水波后，一段時間內(nèi)下游宜昌水文站的水文測驗工作均會受到影響，對不同影響因素下宜昌站自斷波波峰到達后至最終流量穩(wěn)定狀態(tài)所需時長進行比較，結(jié)果見圖12。由圖可以看出，無論漲水波還是落水波，斷波變化速率越大，最終流量越小，宜昌站恢復(fù)穩(wěn)定流量所需時間更長，受三峽出庫急變洪水波影響也越長，此規(guī)律與宜昌站流量變化范圍所遵循的變化規(guī)律基本一致。統(tǒng)計具體時長可以看出，在相同流量變率或最終流量下，宜昌站在漲水波中受影響時間比落水波更長，當流量小時變幅在2 500～6 700 m3/s時，漲水波受影響歷時為100～153 min，退水波為80～138 min；當起始流量為55 000 m3/s，最終流量為20 000 m3/s時，宜昌站受影響時長高達162 min，而在最終流量達45 000 m3/s以后，宜昌站流量變化較小，可迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)；當起始流量為15 000 m3/s，最終流量為25 000 m3/s時，宜昌站受漲水波影響高達144 min，而在最終流量達55 000 m3/s后，由于洪峰流量的增大，相同流量變幅所占百分比減小，受影響時間因此減小至40 min以內(nèi)。

圖12 不同因素影響下宜昌流量穩(wěn)定所需時長

4 結(jié) 論

本文通過對實測資料與水動力數(shù)學模型的計算分析，初步驗證了大壩出庫流量急劇變化時斷波在壩下段傳播的可能，并對不同調(diào)度工況下壩下段急變洪水波的傳播規(guī)律進行了探究，分析了其對宜昌水文站的影響，得出了以下初步結(jié)論。

(1)三峽出庫流量急劇變化時，壩下游葛洲壩至枝城段洪水波傳播特性與斷波較為相似，其中洪水波漲落速率越大、持續(xù)時間越長，該段斷波特征也越明顯。

(2)壩下游洪水波波速主要受洪水波漲落速率及最終流量等因素影響，漲落速率越大，最終流量越大，該段洪水波波速越大。

(3)壩下游斷波波速主要受斷波最終流量的影響，當初始流量一定時，無論漲水波或退水波，最終流量越大，該段斷波波速越大。

(4)斷波持續(xù)時間對波速的影響較為有限，當初始流量為25 000 m3/s、持續(xù)時間在8 h內(nèi)時，斷波及模擬波波速均隨持續(xù)時間減短而減小，當持續(xù)時間在8 h后，波速均不再變化。

(5)當水庫出流由急變狀態(tài)轉(zhuǎn)為恒定時，壩下宜昌站流量在斷波波峰到達后仍存在小范圍變動，試驗工況下變化范圍均在-3%～6%以內(nèi)，退水過程后流量變化范圍更大，其中流量變率越大，最終流量越小，宜昌站流量變化越明顯。

(6)受斷波漲落影響，宜昌站水文流量關(guān)系呈逆時針繩套型曲線，其中斷波漲落速率越小，繩套曲線越窄瘦，而峰頂和谷點不偏移；當斷波持續(xù)時間8 h以內(nèi)時，持續(xù)時間越長，繩套曲線越向左上偏移；當持續(xù)時間8 h以上時，水位流量關(guān)系繩套曲線趨于穩(wěn)定。

(7)在本文模擬工況下，斷波對宜昌水文站水文測報的影響主要集中在162 min內(nèi)，其中漲水波過程影響時間更長。