三峽河段汛期流量突變特征分析

謝云云 趙尊榮 楊孝作 陳耀 長江三峽通航管理局

當前三峽-葛洲壩通過能力與過壩需求之間矛盾日益突出，除設計通過能力限制外，外界環(huán)境干擾也使得船閘通過能力發(fā)揮大打折扣，其中受流量波動影響最為顯著。以2020年汛期為例，7～8月長江流域先后發(fā)生5次編號洪水，最大入庫流量達到75000m/s，為三峽成庫以來最大洪峰；受通航流量影響，該年汛期船舶待閘時間、待閘數(shù)量達歷史之最，嚴重制約三峽河段的通過能力的同時，給防汛通航安全及待閘穩(wěn)定工作帶來極大挑。本文以三峽河段近四年的汛期數(shù)據(jù)為基礎，對汛期發(fā)生的時間、變化趨勢，流量突變范圍以及頻次進行分析，進行通航流量及其突變規(guī)律相關規(guī)律分析。

1.流量突變的定義

流量突變是指流量在短時間內發(fā)生的陡漲、陡降導致通航流量跨通航級別情況，或由于流量變化導致通航水位突破臨界值等情形，根據(jù)船舶過壩安全及水利樞紐通航運行組織技術條件，流量突變具體情形包括：

情形一：突破通航臨界水位。

（1）壩間通航水位變幅。當葛洲壩庫水位日變幅應大于3.00m，小時變幅應大于1.00m，三峽升船機下游引航道水位小時變幅超過0.5m時即為流量突變。

（2）特殊水位臨界值。葛洲壩上游最低通航水位63.00m，最高通航水位66.5m；葛洲壩下游最低通航水位39.00m（通航出現(xiàn)枯水期），最高通航水位一號船閘50.60m、二號和三號船閘54.50m；三峽壩上最低通航水位為145m，三峽壩下最低通航水位63.00m，最高通航水位73.80m。當流量變化突破通航臨界水位時定義為流量突變。

情形二：特殊臨界流量檔。

根據(jù)交通運輸部2020年4月1日發(fā)布的《三峽—葛洲壩水利樞紐兩壩間航道汛期流量標準》（JTS/T 180-5-2020），對兩壩間船舶通航流量控制標準進行了明確，兩壩間航道汛期通航流量分為九級，詳見表1。

表1 兩壩間航道汛期通航流量級劃分

根據(jù)汛期流量級劃分及《通航指揮汛期工作方案》，規(guī)定當流量變化超過5000m/s，或突破通航建筑物特定運行方式的工況流量值，或設計工況最大通航流量值時，均屬于流量突變情形。

2.汛期流量突變規(guī)律分析

汛期流量突變嚴重影響船舶的待閘時間、船閘的通航效率，對流量突變下的通航特征進行分析對保障船舶安全、減少船舶待閘時間、提高船閘通航效率具有重要作用，本文主要從三峽出入庫流量值進行規(guī)律分析。

2.1 近四年汛期壩間流量數(shù)值分析

通過對2017、2018、2019、2020四年來汛期（每年6月1日-9月30日）三峽出、入庫流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，來分析汛期流量的突變規(guī)律。由于一天內流量存在持續(xù)的變動，而每日8時實際流量涵蓋單峰高峰，雙峰早高峰時段，能夠較準確反映當日流量，尤其是三峽出庫流量最高峰值情況，因此在進行線性趨勢分析時，本文選取具有代表性的每日8時流量數(shù)據(jù)進行分析，詳見圖1。

由圖1分析可知，2017年三峽入庫流量整體而言入庫流量相對平緩，其中，汛期三峽入庫最高流量為9月10日08時的38000m/s；入庫流量超過30000m/s的時間僅有4天，發(fā)生突變的時間集中在6月下旬至9月上旬。2018年三峽入庫流量呈現(xiàn)“正態(tài)分布”的形式，25000m/s大流量發(fā)生的時間主要集中在七月中上旬。2019年汛期三峽入庫流量呈現(xiàn)出階段性變化的特征，與2018年相比流量變化趨勢較為平穩(wěn)，入庫流量超過40000m/s的天數(shù)僅有3天，且集中在7月中旬及8月下旬。2020年三峽入庫流量整體出現(xiàn)波動較大的情況，年度內連續(xù)5次洪峰過境三峽，入庫在8月20日達到了最大流量為75000m/s創(chuàng)三峽成庫新高，流量跨檔變化后持續(xù)時間也較長。

圖1 2017-2020年汛期三峽入庫流量情況圖

由圖2分析可知，2017年汛期三峽出庫流量整體平穩(wěn)，全年三峽出庫流量未超30000 m/s。2018年三峽出庫流量也呈現(xiàn)“正態(tài)分布”的形式，與2017年相比，流量高峰更為突出，持續(xù)時間較長。2019年汛期三峽出庫流量與2018年相比流量變化趨勢較為平穩(wěn)，受入庫流量影響，2019年三峽出庫流量除6月末7月初有6天配合入庫高峰出現(xiàn)的出庫小高峰，其余高峰時段均集中在7月中下旬及8月中上旬，全年汛期三峽出庫未出現(xiàn)超35000m/s時段。2020年三峽出庫流量為四年來波動最大年份，呈現(xiàn)出流量大，持續(xù)時間長的特點。

圖2 2017-2020年汛期三峽出庫流量情況圖

將2017-2020四年汛期不同下泄流量級持續(xù)時間以表格形式呈現(xiàn)出來更好地對歷年汛期情況作對比分析可知，近四年來，汛期不同流量檔的累計天數(shù)差異較大，流量超45000m/s的天數(shù)總體較少，詳見表2。

表2 汛期三峽水利樞紐下泄流量檔持續(xù)時間統(tǒng)計

2.2 2020年汛期流量情況分析

通過上文的對比分析可見2020年汛期與以往年份相比具有流量大、汛期持續(xù)時間長，影響大的特點，因此本節(jié)針對2020年汛期7、8月份的每天8時、14時、20時、2時的流量及流量變化趨勢等進行詳細分析，詳見圖3。

圖3 2020年7月汛期三峽出庫流量變化趨勢圖

由圖3可以看出，7月份流量雖一直存在波動，但整體波動較小。6小時變幅超過5000m/s的只有3天，其中7月05日08時的流量為28000m/s，與當天02時相比下降5500m/s；7月05日20時的流量為35000m/s，與14時相比增加5100m/s；7月15日14時的流量為28900m/s，與當天8時流量相比增加5300m/s。七月份流量突變的頻次較少，突變的時間也較分散。

由圖4可以看出，8月份三峽出庫流量較為穩(wěn)定，較長時間維持在一定流量級別8月13日之前一直較為穩(wěn)定的維持在30000m/s至40000m/s，中間未出現(xiàn)較大變化，相鄰6小時變幅均在5000m/s以下，且絕大多數(shù)變化在1000m/s；8月14日至8月26日一直維持在40000m/s至49000 m/s，且6小時變幅均較??；8月份流量雖一直保持較高，但整個月份未出現(xiàn)6小時變幅超過5000m/s的情況。

圖4 2020年8月汛期三峽出庫流量變化趨勢圖

2.3 2021年汛期8月份流量突變分析

為了更好的對流量突變發(fā)生的時段進行詳細的分析，把握流量突變發(fā)生的時間規(guī)律特點，選取2021年汛期8月份當天流量變化超過10000m/s、5000m/s當天24小時變化趨勢進行分析，詳見圖5。

圖5 2021年汛期8月份流量突變當日24小時流量值

三峽出庫流量變化超過10000 m/s24小時變化趨勢，24小時時間段變化趨勢里00時-02時流量一般會發(fā)生小幅度的下降一般不超過5000m/s；02時-06時凌晨至早上這段時間流量基本保持不變；06時-11時流量會開始持續(xù)的增加，至11時基本穩(wěn)定一直到下午的18時左右；18時至21時會在原有基礎上有小幅度的增加；22時至0時流量會發(fā)生大幅度下降，降幅一般接近10000 m/s。

三峽出庫流量變化超過5000 m/s2但小于10000 m/s 的24小時時間段變化規(guī)律，00時-07時流量基本維持在一個相對固定值不變；07時-09時流量持續(xù)增加，變化幅度一般都能達到5000 m/s；9時至11時時基本穩(wěn)定；11時至13時會有小幅度下降，然后從14時維持到下午的17時左右；17時至19時會有小幅度的增加；后穩(wěn)定到23時；當日23時至0時流量會發(fā)生大幅度下降，降幅一般都超過5000m/s，部分天數(shù)降幅逼近10000 m/s。

3.結論

結合流量突變情形界定，采用2017-2020四年的汛期數(shù)據(jù)進行對比分析，通過2020年主汛期每6小時變幅數(shù)據(jù)對流量突變的范圍、突變的頻次進行研究；并對2021年8月份流量突變超過5000m/s、10000m/s情形當日24小時內每小時數(shù)據(jù)分類分析，總結得出三峽河段汛期通航流量主要規(guī)律為：各年汛期各流量檔累計天數(shù)差異較大，流量值主要集中在25000 m/s至35000 m/s；與三峽入庫流量相比三峽出庫流量變化較為平緩；流量突變多發(fā)每年的7-8月份；就流量突變發(fā)生當天發(fā)生兩次突變，流量突變升高時段集中于當天07時-10時，流量突變降低集中于當日23時至次日02時，研究結果可供三峽河段汛期通航安全預警、計劃組織、過壩調度等實施等提供決策依據(jù)。