三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响

第23卷第6期2012年11月水科学进展ADVANCESINWATEＲSCIENCEVol．23，No．6Nov．，2012DOI：CNKI：32.1309.P.20121101.1756.006

三峡水库调节作用对长江近河口段

水文水动力特性影响

曹绮欣，孙昭华，冯秋芬

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072）

摘要：为了评估三峡水库蓄水对长江感潮河段水文水动力特性的影响，建立了具有预测功能的水动力模型。考虑径流与潮流之间的相互作用，模型在只有上边界流量过程的条件下可以给出下边界的潮位过程。在此基础上应用一维河网非恒定流数学模型，对三峡水库蓄水前后长江近河口段大通—徐六泾的水流运动进行了10年的数值模拟。统计分析结果表明，水库调蓄作用对感潮河段各站的潮位累积频率及水文水动力因素的年内过程变化影响甚大。

关键词：感潮河段；长江；数学模型；水文水动力特性；三峡水库

中图分类号：TV131文献标志码：A6791（2012）06-0844-07文章编号：1001-

长江上游三峡水库等大型水利工程的径流调节作用将显著改变长江入海径流的年内分配，势必使长江自大通以下感潮河段的水文水动力特性发生调整，预测其变化趋势对于该地区沿岸取水、防洪、航运、生态等方面规划治理至关重要。

关于水库作用下感潮河段内水流特性变化的定量评估，国内外学者采用水文、水力学方法在诸多河流上进行了有意义的尝试，由于这些研究普遍采用了长达数十年的水文系列以保证统计分析过程的代表性，如何解决长时段非恒定流模拟的计算效率，成为该类研究中的主要难点［1-2］。从已有研究来看，尽管多位学者对感潮河段平面二维水动力学模型的计算模式和参数选取做了较多尝试，但其计算量仍较大，仅能用于个别典

［3-4］；一维水流模型虽然计算效率较高，但在河道展宽率大、地形变化急剧的河口区域，型工况的分析模拟

［5］径、潮流交互作用下的模型下边界选取存在较多困难。为克服水动力学方法的不足，近期一些研究在水

文学方法、智能算法及双向波水位演算等基础上考虑径流对潮波传播的影响，提出了径流作用下的潮位分析和预报方法，这些方法能够根据上游来流和下游潮汐信息快速计算出特定位置的潮位过程，具有较高精［6-7］，但由于其计算对象是沿程的特定测站，因而无法实现对河道的全程覆盖。正是由于以上原因，当前度

学界对长江感潮河段水动力模拟的成果甚多

定量分析研究成果甚少。［8］，但对长江上游流量过程调节后感潮河段水文水动力特性的

本文吸收水动力方法和水文学方法的优点，使二者互为补充，以感潮河段一维河网水动力数学模型为基础，综合考虑径、潮流的影响，提出在仅有来流过程条件下模型下边界的处理模式，从而能够基于三峡水库调节作用下的长系列流量过程，对近河口段潮位、潮差、潮流界等水动力特征的时空变化开展全方位探析。

12-28；网络出版时间：2012-11-01收稿日期：2011-

网络出版地址：http：//http://wendang.chazidian.com/kcms/detail/32.1309.P.20121101.1756.006.html

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2010CB429002）

作者简介：曹绮欣（1987－），女，广东罗定人，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面研究。

E-mail：Qixin_Cao@http://wendang.chazidian.com

mail：Lnszh@http://wendang.chazidian.com通信作者：孙昭华，E-

第6期曹绮欣，等：三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响8451计算原理

长江河口在徐六泾节点以下形成喇叭形放宽，徐六泾以上虽汊道众多，但河道水动力特性仍主要体现为纵向沿程变化，可采用当前较为成熟的一维河网非恒定流数学模型进行模拟分析。大通作为长江入海水沙通量的控制站，具有长期观测资料，可作为模型上边界。

1.1基本方程求解原理

在断面平均情况下，河道水流运动可用如下圣维南方程组描述：

水流连续方程

水流运动方程QZ+B=0xt2n2Q|Q|QZQ++gA+g=0αtxxAAＲ4/3（1）（2）()

式中x、t分别为流程和时间；Q为流量；Z为水位；A、B分别为过水断面面积和水面宽；Ｒ为水力半径；n为糙率；g和α分别为重力加速度和动量修正系数。

河网一维非恒定流模型在圣维南方程组的基础上补充汊点的水流连续方程与动量守恒方程而建立，多采用三级解法求解。本文采用Preissmann格式离散圣维南方程组，采用三级解法基础上的汊点分组解法求解河网汊点方程组

1.2［9］。边界处理

以2002年河道地形为基础，考虑大通—徐六泾河段实际的汊道分布特点，将整个计算范围划分为66条河段、45个汊点形成的河网（图略），其中包括了685个计算断面。模型的下边界徐六泾处于长江喇叭形河口顶点，实测资料表明，该位置的潮位过程既有潮汐的周期变化又兼具流域来流的汛枯变化特点，是上游来流量与下游潮汐涨落综合作用的结果。在已知大通来流过程和徐六泾潮位过程的条件下，模型虽可直接对河段内各区间的潮位进行复演，但若缺乏相应于大通流量过程的实测潮位资料，模型的下边界难以确定，预测功能受到限制。为扩展模型的预测功能，需考虑来流和潮汐两方面的因素给出模型下边界的处理模式。

2001～2004年徐六泾日均潮位与相应大通日均来流量之间的关系见图1，点据围绕下凹曲线呈带状分布，其形式与一般径流河段的水位～流量关系较为类似。由于江槽中的底水位除受海平面影响外，还与上游来流量紧密相关，潮汐的影响只是在此基础上迭加了周期性的水位波动。因而，在河道槽蓄特性一定的情况下，将潮位进行滤波之后的时段平均值也应与上游来流量之间具有确定的单一关系，图2中2001～2004年的月平均数据证实了这一关系的存在。基于以上事实，本文采取以下模式确定模型下边界的水位信息：首先，以前期的时段平均流量确定徐六泾的潮位基值；然后，通过潮汐调和分析法确定月、日的短周期波动特征［10］；徐六泾的潮位过程最终由两者迭加产生，具体可表达为

m

h（t）=F（Qpj）+

式中fjHjcos（σt+V0∑j=1+u－g）j（3）

h（t）为t时刻徐六泾潮位；F为徐六泾时段平均潮位和平均流量的关系；Qpj为以月为周期的徐六泾滑动平均流量；gj、Hj为调和常数；fj、uj、σj、V0j为其他相关的调和分析参数；j=1，…，m，表示选取的以M2、S2、K1、M4、N2、O1、MS4、K2等分潮为主导的共110个分潮。由于对徐六泾流量取月平均之后，传播时间的影响和水流周期性双向流动的影响已基本被消除，而在不考虑沿岸抽排水作用下徐六泾与大通的平均径流量相差不大，式（3）中的函数关系F可以图2拟合的经验曲线代替。调和常数根据2009年徐六泾实测潮位资料进行调和分析确定。式（3）与目前已有的感潮河段单站潮位预报方法在原理上比较类似［11］，具有一定的理论基础，且相比于径流河段采用水位～流量关系作为下边界的提法，式（3）中仅多了时间相关项，并不增加数学模型的建模难度。

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卷

图1徐六泾日平均水位与大通日平均流量散点图图2徐六泾月平均水位与大通月平均流量相关关系

Fig.1ＲelationbetweendailymeantidelevelatXuliujing

anddailymeandischargeat

DatongFig.2ＲelationbetweenmonthlymeantidelevelatXuliujingandmonthlymeandischargeatDatong

1.3模型验证

根据2004年多个测次的徐六泾、江阴、南京等站的实测资料对模型进行参数率定和验证，模型的下边界采用同时期徐六泾实测的潮位过程。计算结果表明，大通到徐六泾河段间的综合糙率系数为0.022～0.029，沿程各站流量与潮位验证结果如图3、图4所示。可见，本文采用的河网一维非恒定流数学模型可较好地反映长江近河口感潮河段在汛、枯流量及大、小潮时段的水动力特征。在采用式（3）提出的下边界计算模式后，模型的功能从已知上、下边界条件的沿程水动力过程复演，扩展到了仅有上边界流量过程条件下的沿程水动力过程预测

。

图3流量过程验证

Fig.3Comparisonbetweengaugedandcalculateddischarge

process

图4潮位过程验证

Fig.4Comparisonbetweengaugedandcalculatedtidelevel

第6期曹绮欣，等：三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响8472代表性流量系列的选择与处理

大通站距三峡水库坝下控制站宜昌约1200km，沿程有洞庭湖水系、汉江、鄱阳湖水系等支流入汇，统计资料（1950～2002年）表明宜昌站多年平均径流占据大通站的48.3%，汛、枯期分别为53.7%、28.4%，有些年份的比例达65.9%（1985年汛期）和41.2%（1977年枯期）。三峡水库蓄水后的大通站流量系列选择一方面要能够体现流域的来水特性，另一方面要能够反映三峡水库调蓄的影响。为兼顾这两方面因素，本文采取以下处理方法：①根据1990年以来长江上游汛后9、10月份来流量明显减少的现象，选择1991～2000年的10年系列（简称90系列）作为原始流量系列，该系列洪、枯比例适中且包括1998年大洪水年；②以原始的90系列为对象，考虑宜昌至大通的流量传播时间后，将大通流量过程分解为宜昌来流、宜昌—大通区间来流；③将宜昌流量过程按照三峡水库的调度

［12］规则进行水库调节演算，得到水库调节作用下的宜昌流量过程；④将调节后的宜昌流量过程与宜昌—大通区间

流量过程进行合成，得到水库调节作用下大通的流量过程。

比较计算得到的三峡水库调蓄前后90系列大通月均流量可得：①枯季以及汛前5、6月份，调蓄后的大通月均流量有所增大，其中2月份增幅最大，达到了12.7%；②汛期7～9月份，月平均流量变化不明显；③汛后的10、11月份大通月均流量比水库调蓄前显著减少，其中10月份减幅达18.8%，月均流量由调蓄前的31600m3/s变

33为调蓄后的25700m/s，减少了5900m/s。

3水库调蓄前后的沿程水文、水动力特性变化

以三峡水库调蓄前后90系列的大通站流量过程分别作为数学模型的输入条件，计算沿程的流量、潮位过程，其结果显示感潮河段水文、水动力特性随上游来流的量级、历时而调整，体现为各级潮位出现的频率、时段平均潮位、潮差以及潮流界移动范围等变化。

3.1特征潮位变化

以三峡水库调蓄前后条件下的高、低潮位为对象，可点绘出沿程各站的高、低潮位累积频率曲线（图5、图

6）。从水库蓄水前后相同测站的潮位累积频率曲线来看，其变化特点比较类似，主要反映累积频率为20%～70%的高、低潮位变化较为明显，显然是水库汛前泄水和汛尾蓄水的影响。由沿程各站的变幅来看，径流变化对累积潮位频率曲线的影响呈现出愈靠近上游调蓄前后区别越大的特点，江阴以下至徐六泾河段受潮汐影响较大，因此由径流变化引起的潮位变幅较小。考察累积频率为30%、55%、95%的低潮位，调蓄后与调蓄前的变幅在江阴和南京站分别为0.08m、－0.06m、0.05m和0.23m、－0.28m、0.13m。

考察工

图5沿程高潮位累积频率曲线

Fig.5Cumulativefrequencycurveofhightide

level图6沿程低潮位累积频率曲线Fig.6Cumulativefrequencycurveoflowtidelevel

848水科学进展第23卷程领域较为关注的设计高潮位（累积频率10%）和设计低潮位（累积频率90%），江阴和南京两站在水库调蓄后的增幅分别为0.02m、0.03m和0.01m、0.11m。由此可见，水库的调蓄作用对潮位累积频率影响在江阴以下较小，而在其上游则不可忽视。

3.2年内变化

（1）月平均潮位从月平均潮位的年内变化来看（图7）：①枯季以及汛前5、6月份，沿程各站平均潮位各有升高，其中大通流量增幅最大的5、6月份感潮河段各站潮位涨幅也最大，以南京为例，5月份其调蓄后月平均潮位比调蓄前增高0.33m，6月份则增高0.37m；②除了大洪水年外，汛期感潮河段沿程各站月平均水位基本无变化；③由于蓄水期调蓄后大通站流量比蓄水前显著减小，感潮段沿程各站水位相应降低，其中又以10月份平均潮位的降幅最大，南京10月份调蓄后平均潮位比调蓄前降低了0.69m。从沿程各站的月平均潮位变幅来看，越靠近上游，由径流引起的增减水效应越显著，相应潮位变幅也越大。

（2）月平均潮差①枯季感潮段潮差减少，其中2月份的变化幅度较大，以芜湖为例，2月份平均潮差调蓄后比调蓄前减少了0.06m；②5、6月份也存在潮差减少现象，但幅度较小，同样以芜湖为例，5月份平均潮差仅减少0.03m；③7～9月份平均潮差基本不变；④蓄水期10、11月份感潮段流量比天然情况下显著减少，此时期感潮段潮差增幅明显，其中10月份潮差增幅为全年之最，芜湖10月份平均潮差净增0.08m。从图8还可看出，感潮段潮差变幅最大的河段往往处于感潮段中部，且该位置在流量较丰时向下游移动，而枯季则向上游移动

。图7三峡水库调蓄前后感潮河段各测站月平均潮位变幅

Fig.7Changesofmonthlymeantidelevelalongthetidalreach

preandposttheThreeGeorgesＲeservoir

regulation图8三峡水库调蓄前后感潮河段各测站月平均潮差变幅Fig.8ChangesofmonthlymeantiderangealongthetidalreachpreandposttheThreeGeorgesＲeservoir

regulation

潮流界是上溯的潮流流速正好与河水

下泄的流速相等的界面，其在径流洪、枯与潮汐大、小

潮的不同组合下沿河槽上下移动。一般而言，径流强度

增大时，潮流界为径流下迫，反之则沿河槽上溯。宋兰

根据天然情况下的实测资料指出，长江潮流界在枯

水期可上溯至南京至苏皖交界，平水期在镇江至南京一兰

线，洪水期则在江阴附近。根据本文的计算结果统计三

峡水库调蓄前后各月潮流界位置（图9）可见：①枯季12

月至来年3月，受三峡水库下泄流量增大的影响，潮流

界平均下移8.75km；②汛前5、6月份，水库下泄流量

进一步增大以腾空防洪库容，潮流界再次下移，但此时

由于流量本身较大，潮流界的下移幅度不如枯季时大，

平均为5.35km；③蓄水期是潮流界受三峡水库调蓄作用

影响最大的时期，调蓄后的潮流界比调蓄前有明显的上［13］（3）潮流界图9三峡水库调蓄前后各月份长江潮流界距徐六泾距离Fig.9DistanceoftidalcurrentlimittoXuliujingpreandposttheThreeGeorgesＲeservoirregulation