宜昌站枯水位變化趨勢分析

鐘共恩(長江水利委員會 三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

宜昌站枯水位變化趨勢分析

鐘共恩(長江水利委員會 三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

以三峽工程初步設(shè)計確定的葛洲壩下游廟咀站最低通航水位為基準(zhǔn)，較系統(tǒng)地分析了宜昌站1890年以來年最低水位、1973年至今枯水期同流量條件下水位變化情況等資料。結(jié)合宜昌至枝城下游河道沖淤變化成因等對宜昌站枯水位的影響程度和關(guān)系，以及下荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩工程修建和三峽工程運用等不同時期的年最低水位變化趨勢等成果，對未來宜昌站枯水期同流量下枯水位變化趨勢進行了類比分析和預(yù)測，提出了預(yù)測結(jié)論和應(yīng)對策略。指出應(yīng)加強下游河道治理，控制枯水位進一步下降，而目前工作的重點則是控制枝城至馬家店河段水位下降對宜昌站水位的帶動作用。

水位變化；枯水變化；分析研究；三峽水利樞紐

宜昌站枯水位是保證船隊安全通過葛洲壩樞紐船閘下閘檻和下引航道的關(guān)鍵，三峽工程初步設(shè)計確定葛洲壩下游廟咀站最低通航水位(資用吳淞，下同)為38.0(三峽水庫135 m運行期)，38.5 m(三峽水庫156 m運行期)和39.0 m(三峽水庫175 m運行期)。經(jīng)過初步分析計算認(rèn)為，三峽水庫下游宜昌站枯季水位最終下降1.8 m左右，當(dāng)葛洲壩樞紐下泄流量5 500 m3/s時可以滿足樞紐下游引航道最低通航水位39.0 m的要求。廟咀水位站位于葛洲壩水利樞紐下游的三江航道出口處，距下游宜昌水文站2.2 km，2013年觀測資料顯示兩站間落差約為0.17 m。宜昌站水位為凍結(jié)吳淞高程(下同)(凍結(jié)吳淞高程=資用吳淞高程+0.364 m)，要保證廟咀水位達到39.0 m，宜昌站水位必須達到39.18 m，即39.0+0.364-0.17≈39.19 m。

實際觀測表明，三峽工程運用后，2006年汛后宜昌站4 000 m3/s流量時水位為38.37 m，較2002年下降約0.08 m 。三峽工程初期蓄水后，宜昌站枯水位尚未出現(xiàn)明顯變化，2008年汛后宜昌站4 000 m3/s流量時水位仍為38.37 m。2004～2008年三峽總公司在胭脂壩河段實施了河床護底加糙試驗工程，對遏制宜昌站水位下降有一定作用[1]。2007年和2008年下泄的最小流量分別為4 020 m3/s和4 360 m3/s，宜昌站最低水位分別為38.39，38.50 m，基本達到了設(shè)計要求，通航未受影響。

三峽水庫試驗性蓄水后，2009～2013年宜昌站日平均最低水位分別為39.17，39.17，39.21，39.28 m和39.24 m，均在39.19 m附近。由水位流量關(guān)系推算，2012年和2013年枯水流量5 500 m3/s時，宜昌站枯水位為39.20 m和39.18 m，已達39.19 m的臨界點。如果宜昌站枯水位繼續(xù)下降，或遇枯水年最小下泄流量不能保證，則葛洲壩樞紐下游通航水位會突破39 m的下限。因此，分析三峽工程運用后宜昌站枯水位的下降規(guī)律，預(yù)測未來變化趨勢，提出應(yīng)對策略，具有重要的實際意義[2]。

1 枯水位變化情況

1.1 年最低水位變化

已有的針對宜昌站枯水位變化的分析基本都只基于1950年代以來的觀測資料，其實，宜昌站水位觀測歷史較長，1890年以來，除1942～1945年缺測外，其他年份都有完整觀測資料。至2013年，119 a的年最低枯水位累積值變化過程如圖1所示。為了更凸顯變化趨勢，宜昌站年最低枯水位是在減去39 m后累積的?？梢?，1890～1921年左右，累積曲線基本呈直線，年最低枯水位呈不太明顯的下降趨勢。1921年左右出現(xiàn)了小的轉(zhuǎn)折，1921～1978年最低枯水位減小趨勢較為明顯。1978年左右，出現(xiàn)了第1個向下大轉(zhuǎn)折，可能是1967～1972年下荊江系統(tǒng)裁彎后荊江河道沖刷帶動宜昌站枯水位下降的結(jié)果，也包括了葛洲壩施工影響的結(jié)果。1983年左右出現(xiàn)了第2個向下大轉(zhuǎn)折，這應(yīng)是葛洲壩修建后壩下游河道沖刷引起枯水位下降的結(jié)果。2008年后出現(xiàn)了向上大轉(zhuǎn)折，這應(yīng)是三峽工程試驗性蓄水后枯期最小流量增加導(dǎo)致枯水位抬高的結(jié)果?？梢?，長期以來，宜昌站枯水位總體都呈下降趨勢，只有在三峽工程試驗性蓄水運用后因枯期下泄流量增大才有所抬高。

1.2 枯期同流量下水位變化

三峽工程運用前，宜昌站同流量下枯水位就一直呈降低趨勢，如圖2所示。當(dāng)流量為6 000 m3/s時，1973～1978年水位累積下降了0.17 m，至1983年累積下降了0.35 m，至1997年累積下降了1.24 m，1998年大水后由于河道淤積，累積下降值減至0.49 m，至2002年累積下降了1.31 m。

三峽工程運用后，枯水位繼續(xù)下降，至2008年累積下降1.46 m，至2011年累積下降1.80 m。2012年以及2013年汛后，宜昌站枯水位變化趨緩。三峽水庫運行后2002～2013年水位共下降了0.59 m，接近1973～2002年下降值的一半。

2 同流量下枯水位變化與河道沖淤間關(guān)系及趨勢分析

宜昌站枯期同流量下水位變化主要是由宜昌站下游河道沖淤變化引起的，與宜昌至枝城河段沖淤變化關(guān)系密切，枝城以下河段枯水位變化對宜昌站枯水位也有一定的帶動作用。通過分析宜昌至枝城河段沖淤變化趨勢，可以預(yù)測宜昌站枯期同流量下水位變化趨勢。

2.1 宜昌至枝城河段沖淤變化趨勢

宜昌至枝城河段長約61 km，是從山區(qū)河流進入平原河流的過渡段，受低山丘陵和階地控制，河岸抗沖能力較強，河床由卵石夾砂組成，局部有基巖出露。三峽工程運用前，河床總體呈沖刷狀態(tài)，1975～2002年共沖刷1.44億m3。其中：1975～1996年宜枝河段平灘河槽沖刷1.35億m3；受1998年大水的影響，葛洲壩庫區(qū)沖出的泥沙在壩下游淤積，1997～1998年宜枝河段淤積0.34億m3；1998年淤積的泥沙很快被沖走，1999～2002年沖刷0.43億m3。

三峽水庫蓄水運用后，宜昌至枝城河段河床沖刷劇烈，2002年10月至2013年10月平灘河槽共沖刷1.44億m3，與1975～2002年沖刷量相當(dāng)。河床沖刷主要發(fā)生在三峽水庫蓄水運用后的前幾年，如三峽工程圍堰蓄水期，河段沖刷量8 140萬m3，約占河段總沖刷量的56%。河床沖刷以下切為主，代水平等[3]對三峽水庫蓄水初期宜昌河道演變特點進行了較全面分析。

宜昌至枝城河段平灘河槽年累積沖刷量變化過程如圖3所示。三峽工程運用前，1975～2002年沖刷速度逐漸減慢規(guī)律明顯。1975～1990年左右沖刷較快，1990之后至2002年累積沖刷量增加幅度已較小，下荊江裁彎和葛洲壩工程引起的宜枝河段主要沖刷期持續(xù)了15 a左右。

圖3表明，三峽工程運用后引起了宜枝河段新一輪沖刷，其沖刷速度逐漸減慢規(guī)律同樣明顯。2012年之后累積沖刷量增加已較小，三峽工程引起的主要沖刷期持續(xù)了10 a左右。當(dāng)然，今后局部沖刷和深泓變化等仍會存在，可能會繼續(xù)出現(xiàn)少量沖刷。

2.2 宜昌站同流量下枯水位變化與河段沖淤間關(guān)系

1975年以來宜枝河段平灘河槽累積沖淤量與宜昌站同流量下枯水位(流量6 000 m3/s)關(guān)系如圖4所示。由圖4可見，兩者之間關(guān)系較為密切，總體呈線性相關(guān)，說明宜昌站枯期同流量下水位變化主要是由宜昌站下游河道沖淤變化引起的。圖中點子也有一定的分散，反映了枝城以下河段枯水位變化對宜昌站枯水位有一定的帶動作用。孫昭華等[4]通過比較宜昌站、枝城站與沙市站的枯水位變化過程，也得到了宜昌站枯水位變化略滯后于河段沖刷的結(jié)論。李義天等[5]和代水平等[6]認(rèn)為這一現(xiàn)象是因為受卡口性河段沖刷的影響。

2.3 枝城以下河段枯水位變化的帶動作用

圖5為2013年枯水期觀測的宜昌至沙市河段水面線，枝城以下河段枯水位變化對宜昌站枯水位的帶動作用可按下面的公式進行估算：

ΔZ=ΔZ0·e-10/3·J·L/h

(1)

式中，ΔZ0為枝城以下河段某處水位下降值，h為該河段平均水深，J·L為該河段落差。

采用宜昌站以下河段的平均水深和河段落差觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(1)可估算出：沙市水位每下降1 m，將帶動宜昌站水位下降0.04 m；馬家店水位每下降1 m，將帶動宜昌站水位下降0.14 m；枝城站水位每下降1m，將帶動宜昌站水位下降0.49 m?？梢?，枝城至馬家店河段水位下降對宜昌站水位的帶動作用較大，而馬家店以下河段水位下降對宜昌站水位的帶動作用已很小。

2.4 同流量下枯水位變化趨勢類比分析

三峽工程引起宜昌站枯水位下降過程與荊江裁彎和葛洲壩工程引起宜昌站枯水位的下降過程具有相似性，可以進行類比分析(如表1所示)。荊江裁彎和葛洲壩工程運用后，宜枝河段快速沖刷持續(xù)到了1990年左右，約15 a(見圖3)，沖刷量約1.34億m3。水位快速下降期為1975～1996年前后，比沖刷延長了6 a左右。其中1975～1990年下降了1.01 m，1990～1996年水位后續(xù)下降了0.36 m。

三峽工程運用后，宜枝河段快速沖刷持續(xù)到了2013年，約11 a，沖刷量約1.43億m3。2002～2013年宜昌站枯水位下降了0.71 m。2012年后，宜枝河段沖刷已減緩，但水位仍在下降過程中。

三峽工程與荊江裁彎和葛洲壩工程影響的對比說明，兩者在宜枝河段的沖刷量上相當(dāng)，但前者沖刷持續(xù)時間和水位下降幅度都約為后者的70%。荊江裁彎和葛洲壩工程引起的主要沖刷期結(jié)束后宜昌站枯水位還快速下降了約6 a左右，下降幅度均為0.36 m。根據(jù)有關(guān)研究，三峽工程運用后荊江河段沖刷期對宜昌站枯水位的帶動作用也將持續(xù)幾年。根據(jù)兩者相似性類比可預(yù)測，宜昌站枯水位下降過程可能將持續(xù)至2018年前后，2014～2018年流量6 000 m3/s時水位下降估計為0.25 m。因此，至2018年，流量6 000 m3/s時宜昌站水位將下降至39.22 m左右，接近39.18 m的臨界點，流量5 500 m3/s時宜昌站水位將下降至38.94 m左右，低于臨界值0.25 m。

注：表中斜體項為類比推算值。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) 1890年以來宜昌站年最低水位變化趨勢經(jīng)歷了3次轉(zhuǎn)折。觀測資料表明，1890～1921年左右，宜昌站年最低水位值基本穩(wěn)定，1921～1978年總體呈減小趨勢。1978年前后和1983年前后出現(xiàn)了兩次向下大轉(zhuǎn)折，年最低水位快速下降，下荊江系統(tǒng)裁彎和葛洲壩工程修建是主要影響因素。

三峽工程運用后，雖然壩下游河道沖刷，同流量下枯水位下降，但年最低枯水位并未下降，而于2008年后出現(xiàn)了向上大轉(zhuǎn)折，應(yīng)是三峽工程試驗性蓄水后枯期最小流量顯著增加的結(jié)果。

(2) 宜昌站同流量下枯水位總體與宜枝河段沖淤變化關(guān)系密切。1975～2013年觀測資料表明，宜昌站同流量下枯水位與宜枝河段累積沖淤量之間關(guān)系密切，總體呈線性相關(guān)?？菟豢焖傧陆颠^程比河段快速沖刷時間更長，應(yīng)主要是受枝城以下至馬家店河段枯水位下降帶動的結(jié)果。

(3) 宜枝河段沖刷速度逐漸減慢規(guī)律明顯。荊江裁彎和葛洲壩工程運用后，1975～2002年宜枝河段沖刷速度逐漸減慢規(guī)律明顯。三峽工程運用后，宜枝河段沖刷速度逐漸減慢規(guī)律同樣明顯，2012年之后總沖刷量增加已較小。

(4) 宜昌同流量下枯水位還將有所下降，葛洲壩樞紐下游通航水位可能會突破下限要求。三峽工程運用后至2013年，宜昌站枯水位仍在下降過程中。類比預(yù)測表明，宜昌站枯水位下降過程將持續(xù)至2018年前后，流量6 000 m3/s時水位將下降至39.22 m左右，接近39.19 m的臨界點；流量5 500 m3/s時宜昌站水位將下降至38.94 m左右，低于臨界值0.24 m。三峽水庫需要保持枯期最小下泄流量6 000 m3/s，否則葛洲壩樞紐下游通航水位會突破39 m的下限。

3.2 建 議

初步預(yù)測表明，未來幾年宜昌站枯水位快速下降期過后，流量5 500 m3/s時，水位將低于臨界值0.24 m，應(yīng)引起充分重視。由于未來可能向下突破39.0 m的幅度不大，三峽水庫可以通過提高最小下泄流量至6 000 m3/s維持壩下最低水位要求，隨著三峽水庫上游干支流水庫的不斷修建，三峽水庫有提高枯期最小下泄流量的潛力。

宜昌站枯水位長期呈下降趨勢，未來宜昌站枯水位還是一個長時期的緩慢下降過程，三峽工程仍然存在不能保證廟咀站水位高于39.0 m的可能。建議加強下游河道治理，并盡早制定和實施宜昌至楊家腦河段的綜合治理方案。由于宜昌至枝城河段主要沖刷期已基本完成，現(xiàn)重點應(yīng)是控制枝城至馬家店河段枯水位下降對宜昌站水位的帶動作用。同時，要制止非法采砂，控制宜昌站的枯水位進一步下降。

[1] 牛蘭花，張小峰，李云中.葛洲壩樞紐下游河床護底結(jié)構(gòu)型式比選試驗[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2008,41(1)：50-54.

[2] 饒冠生,孫樂雨,李發(fā)政.葛洲壩下游水位下降問題初探[J].人民長江，1999,30(9)：28-30.

[3] 代水平，牛蘭花，李云中.三峽水庫蓄水初期宜昌河道演變特點及趨勢分析[J].水利水電快報，2012,33(7)：45-49.

[4] 孫昭華，李義天，李明，等.長江中游宜昌-沙市段河床沖淤與枯水位變化[J].水利水運工程學(xué)報，2007,(4):14-20.

[5] 李義天，葛華，孫昭華.葛洲壩下游局部卡口對宜昌枯水水位影響的初步分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2007,15(4)：435-444.

[6] 代水平,閆金波,鄒濤,等.葛洲壩下游沿程節(jié)點演變對宜昌枯水位影響研究[J].水利水電快報，2012,33(7)：40-44.

2014-11-17

鐘共恩，男，長江水利委員會三峽水文水資源勘測局，技師.

1006-0081(2015)01-0022-04

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