一、泥沙运动基本理论

寸滩站洪峰沙峰相位关系及其对三峡库区沙峰输移影响初步研究

黄仁勇，王敏，张细兵

(长江科学院河流研究所，湖北　武汉　430010)

【摘　要】　本文选取三峡水库蓄水运用前后实测沙峰资料，开展了三峡水库入库寸滩站洪峰沙峰相位关系及其对三峡库区沙峰输移影响。研究结果表明：1991—2013年寸滩站实测洪峰沙峰资料中，沙峰超前于洪峰、沙峰与洪峰同步、沙峰滞后于洪峰三种相位关系占比分别约为40%、40%和20%；从有利于提高沙峰出库率和减小库区沙峰传播时间的角度看，沙峰与洪峰同步时最有利于输沙排沙，其次是沙峰超前于洪峰，最差的是沙峰滞后于洪峰。

【关键词】　三峡水库；洪峰；沙峰；相位关系；排沙

基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0402304、2016YFC0402305、2016YFC0402309)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2042016kf1083)；中央级公益性科研院所基金项目(CKSF2015004、CKSF2015049、CKSF2017010)；水利部公益性行业专项(201401021)；国家自然科学基金项目(51339001)；三峡水库科学调度关键技术第二阶段研究项目(SXSN/4107、SXSN/4277)；三峡后续工作科研项目(0001792015CB50003)；江西省水利科技项目(KT201403)。

作者简介：黄仁勇(1979—　)，男，湖北襄阳人，高级工程师，博士，主要从事河流数值模拟研究。

E-mail:renyonghuang@163.com

2009年以来，三峡水库持续开展了汛期中小洪水调度，既充分利用了洪水资源又减轻了下游的防洪压力，但汛期库水位的抬高会增大库区泥沙淤积，因此，如何兼顾三峡水库的汛期排沙减淤是中小洪水调度中的一个难点问题。根据实测资料统计，三峡水库蓄水运用后，入库洪峰传到坝前的时间已经由蓄水前的约54h缩短到了6～12h，而入库沙峰传到坝前的时间则由蓄水前的2～3d延长到了3～8d。水沙相位异化使经过水库中的沙峰滞后于洪峰，洪峰沙峰相位差进一步拉大。在2012年和2013年的三峡水库汛期洪水调度过程中[1]，为兼顾水库排沙，根据三峡水库洪峰沙峰传播特性，在实时调度中已开展了沙峰排沙调度的初步尝试，取得了较好排沙减淤的效果，沙峰调度具体方式为“洪峰到来时拦洪削峰，沙峰临近时加大泄量排沙”[2]。

三峡水库已有的沙峰调度研究成果和调度实践，在兼顾排沙的三峡水库沙峰调度方面做出了有益的探索，但关于沙峰输移特性的深入研究仍显不足，沙峰调度实践实际上已走在了沙峰输移理论研究的前面。目前，已有研究中关于三峡入库沙峰洪峰相位关系对库区沙峰输移影响的研究尚不多见，本文利用三峡水库蓄水运用前后实测沙峰资料，对三峡水库入库寸滩站洪峰沙峰相位关系及其对三峡库区沙峰输移影响进行了研究，研究成果可为三峡水库汛期泥沙调度提供技术支撑。

1　寸滩站沙峰洪峰相位关系研究

三峡水库入库寸滩站沙峰与洪峰的相位关系可分为三种：沙峰超前于洪峰、沙峰与洪峰同步、沙峰滞后于洪峰。根据寸滩水文站1991—2002年实测水文资料，统计了47场寸滩站洪水过程，其中沙峰超前于洪峰的有15场，占比为31.9%；沙峰与洪峰同步的有24场，占比为51.1%；沙峰滞后于洪峰的有8场，占比为17.0%。根据寸滩水文站2003—2013年实测水文资料，统计了42场寸滩站洪水过程，其中沙峰超前于洪峰的有20场，占比为47.6%；沙峰与洪峰同步的有13场，占比为31.0%；沙峰滞后于洪峰的有9场，占比为21.4%。

综上，寸滩水文站1991—2013年89场实测洪水过程中，沙峰超前于洪峰的有35场，占比为39.3%；沙峰与洪峰同步的有37场，占比为41.6%；沙峰滞后于洪峰的有17场，占比为19.1%。可见，1991年以来，三峡水库入库洪水过程中，沙峰滞后于洪峰的相对较少，占比20%，沙峰超前于洪峰和沙峰与洪峰同步的各占比约40%。其中三峡水库试验性蓄水以来的入库洪水中，沙峰超前于洪峰、沙峰与洪峰同步、沙峰滞后于洪峰的分别占比约30%、50%和20%。

寸滩站洪峰沙峰呈现出三种相位关系的原因主要是：①三峡水库上游降雨在时空上分布不均、地形地貌的差异、溪沟汇流以及重力侵蚀的随机性，造成寸滩站洪峰和沙峰呈现出多种相位组合[2]；②三峡入库水沙异源，也是造成寸滩站沙峰与洪峰不同步的一个原因；③河道中洪峰沙峰传播速度的差异是二者不同步的另一个原因，对于宽浅河道，洪峰波速远小于断面平均流速，沙峰比洪峰传播快，对于窄深河道，洪峰波速远大于断面平均流速，沙峰比洪峰传播慢。

2　寸滩站沙峰洪峰相位关系对三峡库区沙峰输移影响研究

2.1　三峡水库蓄水后库区沙峰输移实测资料选取

为了研究沙峰从入库寸滩站到出库黄陵庙站的传播时间和沿程衰减情况，首先在寸滩水文站实测日均水沙过程中挑选较为明显的沙峰过程，其中可被选中研究的沙峰必须在清溪场、万县、黄陵庙站中依次出现，同一沙峰在下游站的出现时间应不早于上游站，要能够呈现出一个较为完整的库区输移过程，各水文站资料均统一采用日均水沙过程，洪水含沙量过程资料可作为参考。最终从三峡水库蓄水运用以来的库区实测水沙资料中，选取了28组沙峰输移资料。所选沙峰资料的时间范围为2003年6月至2013年12月，寸滩至黄陵庙实测沙峰传播时间变化范围为2～8d，入库寸滩站沙峰变化范围为0.842～5.45kg/m3，出库黄陵庙站沙峰变化范围为0.007～1.4kg/m3，沙峰入库时寸滩流量变化范围为13100～63200m3/s，沙峰入库时黄陵庙流量变化范围为12900～43800m3/s，沙峰入库时坝前水位变化范围为135.1～162m，沙峰输移过程中坝前水位变化幅度范围为-1.18～11.37m。这套沙峰输移资料的沙峰含沙量、沙峰传播时间、入库流量、坝前水位变化范围较广，能够体现不同的沙峰状况，代表性较强，研究成果具有较大的适用范围[3]。图1为三峡水库库区干支流河道及水文站位置图。

2.2　汛期寸滩站洪峰沙峰相位关系对三峡库区沙峰输移影响分析

定义黄陵庙站与寸滩站沙峰值的比值为三峡水库“沙峰出库率”。表1为研究三峡水库蓄水后库区沙峰输移特性所选的28个沙峰样本的入库沙峰洪峰相位关系统计表，由表可见，以干流寸滩站为三峡沙峰洪峰入库统计站，在三峡水库蓄水后的28个沙峰样本中，入库沙峰超前于入库洪峰的有13个，占比为46.4%；入库沙峰与入库洪峰同步的也有13个，占比为46.4%；入库沙峰滞后于入库洪峰的有2个，占比为7.2%。

表1的28组沙峰输移资料样本中，前7组沙峰资料对应的三峡水库汛期限制水位为135.00m，沙峰入库时及沙峰输移过程中库水位均在135.00m附近，而后21组沙峰资料对应的三峡水库汛期水位最低为144.00m，一般在145.00m及以上，考虑到今后沙峰调度的运用背景均是汛限水位145.00m，这里选择后面的8～28组共21组实测资料样本进行沙峰输移特性与入库沙峰洪峰相位关系的研究。21组实测沙峰样本中，入库沙峰超前于洪峰的有10个，实测沙峰传播时间平均值为5.0d，实测沙峰出库率平均值为0.123；入库沙峰与洪峰同步的有10个，实测沙峰传播时间平均值为4.2d，实测沙峰出库率平均值为0.174；沙峰滞后于洪峰的有1个，实测沙峰传播时间平均值为8.0d，实测沙峰出库率平均值为0.016。

可见，从定性上看，入库沙峰与洪峰同步时，沙峰传播时间最短，沙峰出库率最高；入库沙峰滞后于洪峰时，沙峰传播时间最长，沙峰出库率最低；入库沙峰超前于洪峰时，沙峰传播时间居中，沙峰出库率也居中。因此，从有利于提高沙峰出库率和减小库区沙峰传播时间的角度看，入库沙峰与入库洪峰的三种相位关系中，沙峰与洪峰同步时最有利于输沙排沙，其次是沙峰超前于洪峰，最差的是沙峰滞后于洪峰。需要说明的是，该定性认识是基于统计平均意义基础上的，对于同一场洪水过程是适用的，对于不同场次洪水则不一定适用，主要是因为，沙峰传播时间和沙峰出库率受到多个影响因素的复杂影响，其大小并不是仅由入库站沙峰和洪峰之间相位关系就能够完全决定的。

3　结论

利用三峡水库蓄水运用前后实测沙峰资料，对三峡水库入库寸滩站洪峰沙峰相位关系及其对三峡库区沙峰输移影响进行了研究，主要研究结论如下:

(1)三峡水库入库寸滩站沙峰与洪峰的相位关系可分为三种：沙峰超前于洪峰、沙峰与洪峰同步、沙峰滞后于洪峰，1991—2013年实测寸滩洪峰沙峰资料中，三种相位关系资料占比分别约为40%、40%和20%。

(2)三峡水库蓄水后实测沙峰输移资料统计分析结果表明，从有利于提高沙峰出库率和减小库区沙峰传播时间的角度看，入库沙峰与入库洪峰的三种相位关系中，沙峰与洪峰同步时最有利于输沙排沙，其次是沙峰超前于洪峰，最差的是沙峰滞后于洪峰。

(3)通过研究，得到了三峡水库入库寸滩站沙峰与洪峰的三种相位关系及其比例关系，并提出了寸滩站沙峰与洪峰相位关系对库区沙峰输移的影响，但由于实测资料有限且影响库区沙峰输移的影响因素较多较复杂，因此，该研究结果仍属定性认识，且是基于统计平均意义基础上的，今后还需要对该问题做进一步的深入研究。

参考文献：

[1]　三峡枢纽建设运行管理局.三峡水库调度运行及科研工作情况[R].宜昌：三峡枢纽建设运行管理局，2013.

[2]　董炳江，乔伟，许全喜.三峡水库汛期沙峰排沙调度研究与初步实践[J].人民长江,2014,45(3):7-11.

[3]　黄仁勇.长江上游梯级水库泥沙输移与泥沙调度研究[M].北京:科学出版社，2017.

A Primary Study on Sediment Peak Regulation Mode of Three Gorges Reservoir Giving Consideration to Sediment Ejection

HUANG Renyong,WANG Min,ZHANG Xibing

(Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan Hubei Province　430010)

Abstract:Based on the measured data of sediment peak before and after impoundment of Three Gorges Reservoir,the phase relationship between the inbound flood peak and sand peak of the Cuntan station and its effect on the sand peak transportation in the reservoir were studied.The results show that the sand peak is ahead of the flood peak,the sand peak is synchronous with the flood peak,and the sand peak is lagging behind the flood peak.The proportion of the three phases is about 40%,40% and 20% respectively.From the point of view of increasing the rate of sand peak discharge and decreasing the time of sand peak propagation in the reservoir area,the sand peak is synchronous with the flood peak are the most favorable for sediment transportation,followed by sand peak ahead of flood peak,and the worst is sand peak Lags behind the flood peak.

Key words:Three Gorges Reservoir;Flood Peak;Sediment Peak;Phase Relationship;Sediment Ejection