三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析.pdf

第43卷第23期人民长江V01．43．No．232012年12月RiverDec．．2012Yangtze文章编号：1001—4179《2012)23—0018—04三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析赵蜀汉，香天元，赖厚桂(长江水利委员会水文局，湖北武汉430010)摘要：随着江河各类水利工程的大量新建，涉水工程对水文站网的测验及资料整编的影响日益突出，已经成为当前水文测验及资料整编工作中亟待解决的问题。通过对三峡水库蓄水前后上下游站水位一流量关系舜口单断沙关系进行对比分析，提出了蓄水后库区、坝区、坝下游各测站的流量、泥沙测验及资料整编优化方法。采用优化后的整编方法．可使区域各站的水文测量精度及成果准确性明显提高。关键词：水文站网；流量；水文测验；资料整编；三峡水库蓄水中图法分类号：P332文献标志码：A0．18％o，俗称川江；其间奉节至宜昌段长约200km，流1研究背景经瞿塘峡、巫峡、西陵峡峡谷，又称峡江。宜昌以下，干近年来，随着水利工程建设的快速发展，不少水文流进入中下游冲积平原，两岸地势平坦，湖泊众多，沿站由于受水利工程和人类活动的影响，原天然条件下岸建有完整的防洪堤，水面坡降平缓，宜昌至湖口平均的水文测验环境和条件发生了改变。特别是对于某些比降0．03％o。其中湖北枝城至湖南城陵矾(洞庭湖出大中型的水利工程，仅靠变更或迁移测验断面等传统口)一段，因流经古荆州地区，俗称荆江，荆江河段内手段，不能从根本上解决问题¨。3，因此，研究涉水工有三口分流入洞庭湖。程对水文监测与资料整编的影响，是水文测验工作中2．2水沙特性的重点与难点。万县站位于三峡库区，测验河段位于沱口与明镜三峡工程是长江中上游段建设的大型水利工程。滩之间，主河槽偏右，两岸多乱石，系单式断面，基本稳大坝位于三峡西陵峡内的宜昌市夷陵区三斗坪，并和定。宜昌水文站位于长江上游与中游的交界处，是长其下游不远的葛洲坝水电站形成梯级调度电站。自江上游干流出口控制站。前述3个江段的水沙主要来2003年建成并投入使用后，三峡工程在一定程度上改自其上游干、支流。宜昌、枝城、沙市和监利水文站多变了上下游下垫面的状况以及水文站所在局部河段的年水沙统计资料表明，各江段径流量年际问差异较大，水沙特性和测验条件，测站的控制代表性和水文资料年内分配极为不均，绝大部分集中在汛期5～10月，平的一致性遭到破坏。因此，三峡水库蓄水后，对水文测均约占全年总量的76％。来沙年内分配规律基本与验的资料整编进行优化，是当前迫切需要解决的问题来水相似，汛期大于枯季，5～10月来沙平均约占年总和工作。量的88％。2研究区概况宜昌以下有清江汇入，清江多年平均来水来沙分别占宜昌的3．O％和1．7％。沙市以上有松滋口和太2．1河道特性平口分流分沙入洞庭湖，两口分流分沙比多年平均分三峡水库库区干流河段流经地势高峻、山峦起伏别占宜昌的10．1％、9．8％和4．2％、4．1％。监利上游的高山峡谷区。重庆至宜昌长约660km，平均比降藕池口是荆江诸口分流分沙人洞庭湖的主要通道。荆收稿日期：2012—08—16作者简介：赵蜀汉，男，高级工程师，长期从事水资源监测与管理、水文资料的整编工作。E—mail：zhaosh@ejh．tom．cn 19第23期赵蜀汉，等：三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析江裁弯取直后，藕池口分流分沙比占干流(枝城)的比受洪水涨落因素影响，高水期受洞庭湖水顶托影响，水例，由20世纪50年代的15％下降到80，90年代的位一流量关系以绳套为主。2003—2007年三峡水库5％。运行初期，水位一流量关系线型基本与历年一致，但绳实测资料表明，近年来，由于河口的淤高和断面的套明显增加。淤积，长江三口五河过水过沙能力有减小的趋势。3．2单断沙关系2．3站网布设基本情况(1)三峡大坝以上水文站，由于测站断面比较稳长江干流上主要涉及万县、庙河、黄陵庙、宜昌、枝定，水库调蓄对含沙量的横向分布影响不大，单样测验城、沙市、监利等国家基本水文站，长江主要支流清江的代表性比较稳定，各站单断沙关系曲线相对稳定，与出口控制站高坝洲站，荆江“三口”主要涉及新江口、历年关系线基本一致。沙道观(二)、弥陀寺(二)、藕池(管)、藕池(康三)等(2)三峡大坝以下水文站地处荆江河段，2003年站。区域内水文站监测项目较为全面，本文涉及的测三峡水库蓄水运行，清水下泄对河势和断面冲淤变化验内容主要包括各站受水利工程影响较为突出的水产生了一定的影响，含沙量横向分布变化较为明显，测位、流量、悬移质输沙率、颗分等项目。站单样含沙量测验的代表性受到了不同程度的影响。3蓄水前后水沙特性变化4测验与资料整编方法优化4．1流量测验与整编3．1水位一流量关系受三峡工程影响，库区、坝区、坝下游站水位流量4．1．1测验手段的提升关系曲线呈不同的特点。三峡工程建成并投入运行后，上下游站的测验条(1，)库区水文站受蓄水影响，测验河段水深加大、件发生了较大变化，传统的水文监测遇到了较大的挑流速减小，其水位一流量关系主要受三峡水利工程变战，突出表现在以下几个方面。①测验时机的掌握较动回水、上游洪水涨落等因素的影响，与历年水位流量为困难。由于三峡工程频繁调度的影响，13流量变化关系相比发生了较大改变，不同时期水位与流量关系较为频繁且规律难以掌握，造成准确把握各水文站代不同，水位一流量的相关性受到了一定程度影响，如万表性流量的测验时机变得越来越困难，尤以库区水文县站在低水位、中水位及高水位时的水位流量关系。站枯季水文测验最为突出(三峡大坝在枯季蓄水发(2)黄陵庙水文站位于三峡大坝、葛洲坝两坝间，电，水位变幅较小而流量变化却较大)。②库区站水其水位一流量关系非常紊乱，原有关联性基本丧失。深加大，传统的测验方式方法，如流速仪流量测验等难(3)坝下游干流水文站的水位一流量关系主要受以满足生产要求。以万县站为例，最大水深达180多洪水涨落、回水顶托、断面冲淤等因素影响，与历年水米，传统的流速仪几乎无法完成正常的流量测验。③位流量关系基本相似，受清水下泄影响，在不同水位级受水利工程影响，测站水位一流量关系变得非常紊乱，略有变化，绳套线有所增加，低水较为显著。基本无章可循，如三峡大坝和葛洲坝之间的黄陵庙水(4)荆江三口各水文站中，新江口、沙道观(二)文站，清江水布垭水电站下游的高坝洲水文站。站为松滋口分流、东西支流控制站，水位一流量关系主为解决以上突出问题，长江水利委员会水文局在要受洪水涨落影响，高水期洞庭湖涨水时也受其顶托测验手段和方法方面进行了大量的探索与试验。对于影响。三峡水库蓄水运行后，水位涨落频繁，水位一流三峡大坝上游的大水深流量测验，引进了150K的低量关系线型与历年一致。在蓄水初期的2003～2007频走航式多普勒流速仪，现已应用于万县和庙河水文年，绳套明显增加；蓄水后期，因低水期下泄水量相对站，效果较为理想。对于测验时机的难以掌握但水位一流量关系相对较好的水文站，如宜昌、枝城、沙市、监稳定，水位一流量关系以单一线为主。弥陀寺(二)站利等站，主要采用普通型的多普勒流速仪，达到了提高为荆江太平口分流水量控制站，水位一流量关系主要测验效率和降低测验成本的目的。对于水位一流量关受洪水涨落因素影响和下游洪水顶托影响，加之距太系异常紊乱的测站，如黄陵庙、高坝洲水文站，探索使平口口门较近，其水位一流量关系较为复杂，以绳套曲用水平式ADCP进行流量实时在线监测，效果较好。线为主，但带幅较其他两口偏大。2003年三峡水库蓄水运行后，洪水涨落频繁，水位一流量关系线型与历年4．1．2整编方法的优化基本一致。藕池(管)、藕池(康三)站为荆江藕池口分库区水文站受蓄水影响，测验河段水深加大、流速流藕池河、安乡河水量控制站。水位一流量关系主要减小，水位一流量关系与历年相比，发生了较大改变。 20人民长江因此，流量资料整编方法由原来的绳套曲线定线调整逐步冲刷的情况。2004年以来，宜昌水文站低、枯水为采用连时序法定线，少部分点子作综合定线，如万期测验成果与葛洲坝下游河床冲刷分析结果一致。县、清溪场等站。(2)枝城站位于宜昌下游，上游有清江支流汇入，坝区庙河站位于三峡大坝上游12km处。三峡水河床较稳定，水位一流量关系主要受洪水涨落影响，蓄库正常蓄水运用后，在汛、枯季两个时段，坝前水位分水前，低水采用单一线或临时曲线整编，高水采用绳套别保持在145m和175ITI左右运行，该站各流量级均曲线整编。2003年三峡水库蓄水运行以后，枝城站来受三峡水库频繁调度影响，无法建立水位流量关系，目水受水库调节影响，洪水涨落频繁，水位陡涨陡落，水前还不能通过传统的水位一流量关系法推算流量。因位一流量关系线型与蓄水前基本一致，但复式绳套有此根据水量平衡原理，采用葛洲坝下游约6km的宜昌所增加，整编方法未变。站整编水位、流量过程，由宜昌至葛洲坝、葛洲坝至三(3)沙市(二郎矶)站位于荆江河段的沙市市，水峡大坝、三峡大坝至庙河站间槽蓄量变化推求庙河站位一流量关系主要受洪水涨落、冲淤变化影响，高水期流量过程，再依据庙河站全年实测流量成果，对推算的少数年份个别时段有顶托影响。三峡水库蓄水运行流量过程进行修正，最后采用连实_2贝4流量过程线法进后，因受水库调节影响，洪水涨落频繁，但因河蓄调节行流量资料整编。水位变化平缓，水位一流量关系线型呈与蓄水前基本三峡大坝蓄水前，坝区两坝问黄陵庙水文站的资相似，但2003～2006年内初期，绳套曲线明显增多。料整编，采用上、下游与本站水位的综合落差指数法进运行后期，由于低水期上游来水相对稳定，该站水位一行。蓄水后，该站水位、流量过程均直接受水库闸门调流量关系基本为单一线，主要采用连时序法绳套曲线节影响，原有落差已不能反映该站流量的变化过程，近定线。坝河段水位一流量关系变得非常紊乱，原有的整编方(4)监利(二)站位于荆江河段下游，离洞庭湖与法不再适用。运用水量平衡方程，以计算时段(3h)为长江汇入口较近，水位一流量关系主要受洪水涨落、断基准，以相应时段的宜昌站整编水位、流量数据和黄陵面冲淤变化及顶托等因素影响。2003年三峡水库蓄庙水文站、南津关水位站的水位数据，计算相邻时段的水运行对水位流量关系影响不大，该站水位一流量关水位变化引起的河段槽蓄量变化，从而推算出黄陵庙系仍为复杂的绳套曲线，采用连时序法绳套曲线定线。断面每日8段制的流量过程。同时，根据黄陵庙站各(5)荆江三口各水文站以及新江口、沙道观(二)次实测流量的平均时间，插补各次实测流量对应的推站为松滋口分流、东西支流控制站，水位一流量关系主算流量，建立黄陵庙断面全年实测流量与对应推算流要受洪水涨落影响，高水期洞庭湖涨水时也受其顶托量的线性相关关系，利用相关系数对黄陵庙断面推算影响，低水采用单一线或临时曲线整编，中高水采用绳出的流量数据进行修正，得到用于断面流量整编的套曲线整编。三峡水库蓄水后，水位涨落频繁，水位一过程数据，最后用连流量过程线法进行整编。2010流量关系线型与历年一致。在蓄水的前期(2003～年，采用H—ADCP监测成果，通过与黄陵庙站实测流2007年)绳套明显增加，运行后期因低水期下泄水量量成果的相关数据进行率定分析，推求H—ADCP监相对稳定，水位一流量关系以单一线为主，整编方法未测流量过程，采用流量过程线法进行黄陵庙站流量整变。编。(6)弥陀寺(二)站为荆江太平口分流水量控制坝下游的干流水文站水位一流量关系与历年比较站，水位一流量关系主要受洪水涨落影响和下游洪水相似，受清水下泄影响，在不同水位级略有变化，绳套顶托影响，加之距太平口口门较近，该站水位一流量关线有所增加，一般采用连时序法绳套曲线定线，低水采系较为复杂，以绳套曲线为主，但带幅较其他两口偏用单一线或临时曲线推求下游各站的具体整编方法如大。2003年三峡水库蓄水后，洪水涨落频繁，水位一下。流量关系线型与历年基本一致，主要采用连时序法绳(1)宜昌站在进行了水流特性分析后，当水位小套衄线整编。于43．50m时，一般按单一线定线；受葛洲坝水利枢纽(7)藕池(管)、藕池(康三)站为荆江藕池口分流突然开、关闸及冲沙等影响时，按临时曲线法进行整的藕池河、安乡河水量控制站。水位一流量关系主要编。当水位超过43．50m时，受洪水涨落、断面冲淤影受洪水涨落因素影响，高水期受洞庭湖水顶托影响，水响时，按连时序法布置测次，用绳套曲线整编。为加强位流量关系以绳套为主。2003年三峡水库蓄水后，运低、枯水期流量测验，低水期流量定线采用两条单一行初期(2003～2007年)水位一流量关系线型基本与线，汛前、汛后分别处理，以充分反映葛洲坝下游河床历年一致，但绳套明显增加，采用连时序法绳套曲线整 第23期赵蜀汉，等：三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析2l编。5成果的合理性检查与评估2009～2010年，枝城、沙市(二郎矶)、监利(二)3个站先后实施ADCP测流，同时，枝城、沙市(二郎通过对照上下游各站历年的水量可以看出，改进矶)、新江口、沙道观(二)、藕池(管)、藕池(康三)水测验手段与优化和完善整编方法，使上下游相关水文位一流量关系，采用单值化进行流量资料整编。测站水量总体上保持了较好的平衡。4．2泥沙测验与整编位于三峡水库上游的万县站在三峡截流的前后两年，上下游水量平衡影响不大，但从三峡水库逐渐开始4．2．1测验方案的优化提高试验性蓄水位后(库区水深加大)，其与上游站水根据断面含沙量横向分布的变化，对输沙率、单样量平衡关系变差。2007年万县站年径流量反而小于取样位置的代表性和垂线的取样方法进行分析，对测上游的清溪场站。经分析，初步断定是因三峡水库日验方法进行优化。调度频繁，该站实测流量代表性不足造成的。而位于4．2．2整编方法的完善三峡水库下游各水文测站，在三峡水库提高试验性蓄大部分站断面含沙量采用单断沙关系曲线法推水位后，水量平衡的精度较先前有了较明显的提升。求，部分站结合断沙过程线法推求。6结论(1)宜昌以上水文站，由于测站断面比较稳定，水库调蓄对单样含沙量测验的代表性影响不大，各站单(1)采用ADCP进行流量测验，不仅改进了流量断沙关系曲线相对稳定，与历年关系线基本一致，整编测验的手段，而且较大缩短了流量测验的时间，提高了仍采用单断沙关系曲线法。水位与流量变化的相应性，进一步改善了资料的合理(2)枝城以下水文站地处荆江河段，2003年三峡性。水平式ADCP通过指标流速法实施流量的在线监水库蓄水，清水下泄对河势和断面冲淤变化带来了影测，较好地解决了受两坝水利工程影响测站流量的测响，含沙量横向分布变化较为明显，测站单样含沙量测验问题，但指标流速法是经验方法，要加强对指标流速验的代表性受到了不同程度的影响。模型参数的率定，以保证推求流量的准确。然而，采用(3)枝城站在三峡水库蓄水前，历年采用单断沙水平式ADCP等先进的手段，其较高的运行成本会给关系曲线整编，多数年份单断沙关系系数稳定在0．99普通测站带来较大的经济压力，相对基础测站来说，从—1．00。三峡水库蓄水后，单断沙关系混乱，改用断沙分析与摸索水文规律的角度出发，以现有的方式解决过程线法整编。2005年重新分析了单断沙关系，仅汛水利工程影响带来的测验难题，应成为其解决测验难期采用单断沙关系，枯季采用断沙过程线法。2007至题的首选。今，单断沙关系基本稳定，采用单断沙关系曲线整编。(2)对受各种水力因素影响，特别是受水利工程(4)沙市站在三峡水库蓄水前，汛期采用单断沙调节频繁影响的测站资料整编，选取合适的整编方法关系曲线法，关系系数为0．987～1．005，枯季为断沙对成果的合理性至关重要。根据测站特性的变化，采过程线法。蓄水后，单断沙关系发生改变，通过按不同用多样化的整编方法分别处理受不同水力因素影响的水位级、垂线和流量权重，计算单样含沙量重新确定单流量资料整编，要根据水位一流量的关联程度选用合断沙关系，汛期采用分析后的单断沙关系曲线，枯季采适的方法，以取得最佳的整编成果。用断沙过程线法。(3)单断沙关系曲线法是推求断沙的主要方法，(5)监利(二)站在蓄水前，汛期采用单断沙关系成果精度易于控制和检验。单断沙关系曲线法的核心法，枯季采用断沙过程线法。2004年单断沙关系开始是单样的代表性，当含沙量横向分布发生变化影响单散乱，定为折线。2005年至今，采用断沙过程线法。样代表性时，应加强分析，引入影响变化的水力因素对(6)荆江三口各水文站在三峡水库蓄水前后，各单断沙关系进行率定，提高单断沙关系的稳定性。单断沙关系相对稳定，与历年关系线相比基本一致，新参考文献：江口站仍采用单断沙关系曲线法。沙道观站2006年[1]井涌．从人类活动影响水文测验谈贯彻《水文条例》[J]．中国水利，2009，(3)：12—15．前采用单断沙关系曲线法，2007年断面迁移后采用断[2]黄先玲，张红霞，张保刚，等．水利工程和人类活动影响的水文测沙过程线法。弥陀寺站2007年前采用单断沙关系法，验对策[J]．河南水利与南水北调，2008，(1)：26—27．2008年因断面下迁，改为断沙过程线法。藕池(管)、(编辑：李慧)藕池(康)站2005年前采用单断沙关系法，2005年改为缆道测验后，采用断沙过程线法。(下转第32页) 32人民长江2012生少水土流失，还应对入河泥沙进行管理，使泥沙资源可3结论与建议调、可控，在规定的河段范围内采砂，其他砂料也物尽(1)今后，随着长江中上游水库群的建成，水行政其用。泥沙运动伴随着泥沙增值量(泥沙运动造成的管理部门应统筹协调流域发电、航运、生态补偿等需所有经济价值变化之和)的变化，应从经济泥沙学的求，完善梯级水库(群)联合调水调沙的调度方式。观点对流域泥沙输移系统进行全面管理、评估，为流域(2)加强梯级水库(群)泥沙联合调度模型的研泥沙系统综合管理和利用提供技术支撑。制。模拟长河段和水库长时期泥沙冲淤变化的一维水参考文献：沙数学模型得到了广泛运用，模拟局部河段泥沙冲淤[1]王兆印，林秉南．中国泥沙研究的几个问题[J]．泥沙研究，2003，(4)：73—81．变化的二维水沙模型亦得到充分认可，这些模型为预[2]陈常梅，陆经纬，李丽华．浅谈水利工程建设对河流生态系统的影测河床冲淤变化、颗粒级配分布成果、水库河道长期采响[J]．山东水利，2005，(6)．砂管理、河道岸线的维护等应用提供了理论基础。但[3]董哲仁．筑坝河流的生态补偿[J]．中国工程科学，2006，8(1)：5目前还仅限于对单个水库或长河段的模拟，而为加强—10．洪水期梯级水库群的泥沙调度和管理，需对汛期含沙[4]董哲仁，孙东亚，赵进勇．水库多目标生态调度[J]．水利水电技术，2007，38(1)：28—32．量大的一场或几场洪水过程进行实时模拟调度，按以[5]宋国光．大型水利工程对生态环境影响的刍议[J]．国土经济，往的水库逐级水沙调度耗时费力，很难为实时调度提1994，(1)．供科学指导，因此需加快梯级水库(群)泥沙联合调度[6]张晓敏，黄道明，谢文星，等．汉江中下游“四大家鱼”自然繁殖的模型的研制和验证工作。生态水文特征[J]．水生态学杂志，2009，(2)：126—129．(3)应加强流域泥沙系统的综合管理。对包括从[7]周刚炎．莱茵河流域管理[J]．中国三峡建设，2005，(2)：85—88．(编辑：郑毅)河源至人海口的河段，不仅要从水土保持方面考虑减PreliminarydiscussiononsedimentresourcesutilizationbyjointoperationofcascadereservoirsZHANGXianping，QIANJun，LILiang(DepartmentofPlanningandDesign，ChangjiangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，Wuhan430010，China)Abstract：Restrictedbyreservoircapacityandoperationmode，asinglereservoircannotsolvetheimbalanceoferosionandinducedreservoirconstruction．However，utilizingthecharacteristicsofflexibleregulationmodeandhugereservoirdepositionbycapacityofreservoirgroups，wecanadjustthesedimentdistributionfromamacroscopicperspective．Indetail，weproposetheu—tilizationwaysofsedimentresourcesbasedonjointoperationofreservoirgroups：improvingtheflowpatternofreservoirareaanddownstreamreaches；strengtheningandseparationofsedimentstateofriverchannel，gradationparticles；optimizingdepositionwhileconductingsedimentsupplementwithcombinationofecologicaloperationofreservoirs．InviewofthejointoperationofThreeReservoiranditscascadereservoirs，wediscusstheroleofcascadereservoirsincomprehensiveutilizationGorgesupstreamofsedimentresourcesandoffluvialsedimentresources．managementKeywords：sedimentresources；jointoperationofreservoirgroup；optimaloperation；cascadereservoirs(上接第2l页)AnalysisofcompilationoptimizationofhydrologicaldatainupstreamanddownstreamstationsofThreeGorgesProjectbeforeandafterimpoundmentZHAOShuhan，XIANGTianyuan，LAIHougui(Bureauo，Hydrology，ChangfiangWaterResourcesCommission，Wuhan430010，China)Abstract：Withtheconstructionofmassivewaterconservancyprojects，whoseinfluenceonsurveyanddataprocessingofstationsbegintoemerge．Bycomparingthestage—dischargerelationandtherelationofsingle—sectionsediment(thehydrologicrelationshipbetweensinglesampleandcrosssectionsedimentconcentrations)intheupstreamanddownstreamstationsbeforeandaftertheofThreemethodfordischargeandsedimentsurveyinreservoirregion，damoperationGorgesProject，theoptimizationsiteanddownstreamareaanddataisforward．Theresultsshowthattheprecisionofthehydrologicalsurveyandtheprocessingputcorrectnessofthedataareimprovedafteradoptionoftheoptimalmethod．Keywords：hydrologicalnetwork；discharge；hydrologicalsurvey；dataprocessing；impoundmentofThreeGorgesReservoir