胡 鹏，杨胜发，胡 江

(1.长江航道规划设计研究院，湖北 武汉430011;2.重庆交通大学河海学院，重庆400074)

三峡水库2003年6月起成功实施135～139 m、144～156 m蓄水，2008年汛后又实施了175～145～155 m试验性蓄水，目前，三峡水库已经开始175 m正常蓄水运行阶段。

库区沿程水位对于航道、水运等各项工程的规划和建设是个重要的数据。受三峡蓄水影响，库区水流条件发生了较大改变。因此原有的设计水位已不再适用。针对三峡蓄水后的情况，长江科学院先后于1995年和2004年对其水位及淤积进行了计算分析。目前大多采用2004年计算成果。

近几年来通过原型观测，已经取得了三峡水库第1手观测资料，对于各蓄水阶段的情况有了初步的认识［1］。而对于常用的长江科学院的计算成果也有必要进行重新分析校核，为日后能够更好的开展三峡库区各项工作的分析研究打下基础。

1 成库初期沿程水位计算

1.1 数学模型

由于所研究的问题为长河段、长时段内发生的，在实际计算中对一维水流运动方程和连续方程进行简化［2］。将整个计算时段划分为小的计算时段，将长河段划分为若干个短河段，可按恒定非均匀流考虑，水流运动变为［3－4］:

式中:Z2、Z1为计算段上、下游断面水位;V2、V1为计算段上、下游断面平均流速;α2、α1为计算段上、下游断面的动能修正系数，一般取1.05;hf为沿程水头损失;hj为局部水头损失。

在流量、尾段水位和水头损失确定后，即可由式(2)算出河道断面的各水力要素［5］。其中断面综合糙率采用Einstein的阻力叠加法确定。

1.2 糙率系数分析

1.2.1 地形资料

全河段均采用长委水文局2008年10月的大断面地形数据，其中在江津到铜锣峡段大断面间距较大的河段用长江航道局2005年的测图补充断面，测图比例1∶5000。

1.2.2 水文数据选择

三峡大坝—江津河段较长，中间主要有嘉陵江、乌江2大支流汇入，在本计算当中按照分段恒定流来考虑。朱沱站控制江津—朝天门河段，寸滩站控制朝天门—涪陵河段，万州站控制涪陵—三峡大坝河段。资料收集了2007、2008年三峡库区沿程每日平均水位(共25个水位站)以及朱沱、寸滩、清溪场、万州水文站的每日平均流量数据。2008年根据坝前水位调度情况，日均水位过程见图1。可以看出，此时试运行阶段已经接近175～145～155 m正常蓄水条件下的调度情况。

图1 2008年日均水位变化Fig.1 Daily mean water levels of 2008

1.2.3 计算断面划分

计算范围从三峡大坝到水库回水末端(即红花碛，距宜昌里程720 km)之上的江津，航道里程为46.5～734 km。计算断面综合考虑了河道形态、水流条件以及计算工作量等因素。共划分424个计算断面，丰都以下平均断面间距1.93 km;丰都以上平均断面间距1.28 km。

1.2.4 模型验证

为尽量准确地模拟出175～145～155 m运行期间可能出现的库区沿程水位情况，现选取与175～145～155 m运行方式最接近的2007—2008年按144～156 m运行和2008年开始的175～145～155 m试运行2个阶段2年的库区水位流量过程数据，作为模型验证的基础数据。根据这2年的坝前水位调度过程、库区沿程各水文站及水位站的水位流量过程分阶段选取多个需要验证的流量级。选取要验证的流量级时考虑的因素主要有:

1)坝前调度阶段实测水位与计算起始水位对应;

2)所选验证流量－水位与要计算的流量－水位尽量接近;

3)考虑到本次计算目的，故需分析计算河段沿程主要控制水文站的水位、流量过程，根据水文特征找出次历时洪水过程;

4)考虑到数据的有效性和真实性，需选择多组洪水过程验证对比。经过反复筛选，从2008年实测水位、流量中选定8组次洪水过程进行验证，见表1。

表1 验证时间选取Tab.1 The verification time selected

针对表1所选取的8个接近于175～145～155 m正常运行期验证时间段洪水过程一一进行了库区沿程共25个水位站水位的验证，图2为三峡库区沿程水面线验证结果图，表2为库区沿程部分站点的计算值与实测值验证差值和验证所确定的河段糙率。

图2 计算与实测水位验证Fig.2 The water level verification between calculated values and measured

表2 沿程水位验证差值及糙率Tab.2 The longitudinal water level verify and the roughness /m

对所有具有实测水位的25个站进行了实测水位和计算水位的对比和分析，两者差值较小，偏差在正负10 cm，所以数学模型计算水位与实际情况吻合较好。

1.2.5 验证糙率系数分析

分析各次验证洪水的糙率，发现糙率与沿程河段位置具有较好的相关关系，趋势一致，固定河段的糙率值相差不大。汛期洪水条件下，由验证水位确定的糙率值与沿程河段关系见图3。可以看出，验证糙率分布紧致，说明在洪水期沿程河段糙率较为相近。所以认为验证糙率的平均值在计算时具有一定的代表性。考虑采用各时期验证洪水水面线的糙率的平均值作为本次计算的糙率系数值用于水面线的计算。

图3 验证洪水糙率－河段关系Fig.3 The longitudinal verify roughness in reach

2 成果分析

在确定了各计算的水位，流量及选定的糙率值后。选取了洪水期坝前调度水位145 m条件下于万州流量40 000 m3/s进行计算，所得值与2008年的接近于选取流量的实测资料进行分析。对比发现，计算值与实际吻合良好。认为采用的糙率合理，可用于计算。

根据长江科学院成果［6－7］，对于洪水期，坝前调度条件下特征洪水5%洪水考虑“淤积0年”所得的计算值，对比分析发现在涪陵以下部分，水面线吻合程度较好，涪陵到重庆段差值较涪陵以下段增大。根据长科院资料中站点对比，站中最大差值在长寿位置，差值为－0.283 m，最小差值在寸滩位置，差值为0.181 m。

枯水期，坝前调度水位175 m时，5%计算结果与长科院同条件考虑“淤积0年”计算结果对比分析［8］，对比站中差值最大地点为涪陵，差值为 －0.256 m，最小差值在万州，差值为－0.097 m。但是发现本次计算值总体要略小于长科院计算成果。

由分析发现，二者计算总体一致。由于本次是采用接近175 m成库后地形计算。所以认为长科院成果合理。能反映成库后正常调度情况下的沿程水位特点［9］。

对于本次计算，我们是以验证糙率的平均值作为计算值。这种分析方法还不具有一定的代表性。可能会给计算带来一定的误差，还需要在以后的工作中继续总结分析。

3 结语

1)鉴于目前恒定流计算比较成熟，笔者采用长河段一维水流数学模型对三峡库区整个河段进行分段恒定流模拟。以2007年和2008年实测地形、水位和流量(1985—2008年)资料，根据坝前水位典型调度方案中的水文过程，验证出沿程河段的综合糙率系数。

2)通过分析沿程糙率关系后，采用沿程河段平均糙率的方法，以特征洪水流量和典型坝前调度水位，计算出175～145～155 m蓄水运行阶段下各频率洪水的沿程水面线。

3)采用长科院计算成果和局部河段的实测水位资料分别对本次计算成果进行分析，根据水位对比，二者结果基本一致。认为长科院成果合理，具有一定的代表性。

［1］杨胜发，胡江，胡鹏，等.一维数学模型计算报告［R］.重庆交通大学，2010.

［2］赵克玉.天然河道一维非恒定流数学模型［J］.水资源与水工程学报，2004，15(1):38 －41.ZHAO Ke-vu.Num erical m odel of unsteady flow in natural river［J］.Journal of Water Resources and Natural River，2004，15(1):38－41.

［3］吴持恭.水力学:上册［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］金钟青.N-S方程的数值解和紊流模型［M］.南京:河海大学出版社，1989.

［5］张艾文，杨胜发，程昌华，等.长江上游德感坝采砂坑对河床演变影响分析［J］.重庆:重庆交通学院学报，2006，25(5)):152－156.ZHANG Ai-wen，YANG Sheng-fa，CHENG Chang-hua，et al.The analysis of the influence of the degan gravel pits on riverbed development［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(5)):152－156.

［6］黄煜龄，黄悦.三峡水库变动回水区最低通航水位计算分析［R］.重庆:长江水利委员会长江科学院，1995.

［7］黄悦.三峡水库运用后变动回水区最低通航水位计算分析［R］.重庆:长江水利委员会长江科学院，2004.

［8］朱旭，杨斌，房春艳.重庆寸滩三期工程平面二维水流数值模拟［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2009，28(4)):768－770，779.ZHU Xu，YANG Bin，FANG Chun-yan .Num erical simulation of planar 2D flow of chongqing cuntan phaseⅢproject［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28(4)):768 －770，779.

［9］JTJ/T232—98内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程［S］.北京:中华人民共和国交通部，1998.