水利枢纽对下游河道水文情势影响研究

朱万妮

(广东河海工程咨询有限公司，广州 510000)

1 概 述

水利枢纽是为保障人类的生产生活、以水利工程的兴利除害为主要目的，在河流合适位置修建的坝、水电站等水工建筑物的集合。水利枢纽的兴建不仅关系到人们的日常生活，保障人民群众生命财产安全，还会在一定程度上对河道下游的水文情况产生影响；同时，下游水文的变化也会反过来作用于水利枢纽，对水利工程设施造成影响。因此，调节得当能使水利设施造福民众，否则会给下游及周边地区造成损失[1-4]。

为使水利枢纽修建的同时将对各区间水文的影响降低在可控范围内，许多学者对水利枢纽及其周边水文地质进行了研究。于洪翔[5]通过研究旁多水利枢纽的土石坝发现，坝基周围的水文地质特征以冲积物和冰水堆积物为主，且该种水文地质可能是造成坝基渗漏和渗透变形的主要原因之一。严桂强[6]基于长洲枢纽到界首河段的河床下切现象，对长洲水利枢纽的水文变化情况进行了分析，并针对水文变化对航运的不利影响给出相应的对策。孙冬[7]以结雅水利枢纽为对象，对黑龙江中游的水文情势进行了研究，发现该水利枢纽起到了调洪及减轻水灾的能力。龚建华[8]采用近15年的水文实测数据，对崔家营航电枢纽修建后下游的水文情况进行了分析，发现该随着该水库的修建，河流流量的季节性削弱，全年流量较为均匀、输沙量也变得均匀。李帆[9]通过葛洲坝水库蓄水前后的资料，分析了该水利枢纽对宜昌水位、流量等水文的影响，了解到该地水流挟沙能力下降，水库泥沙淤积严重，但下游输沙量减少，下游冲淤平衡被打破。

本文以某地水利枢纽工程为例，借助该地水文实测资料，对该枢纽下游的潮位、潮历时、潮差等水文要素进行分析研究，揭示水利枢纽对当地水文的演变规律，为该水利枢纽的充分利用及当地水文运动提供参考依据。

2 水利枢纽概况

该水利枢纽由5座泵站及13座节制闸水电站、引排河道构成，具有排洪、蓄水、水运、发电等功能。修建至今，共抽水1 400×108m3，排涝390×108m3，引江1 200×108m3，排洪9 550×108m3。在其北部区域出现洪涝灾害时，上中游区域15.8×104km2的水经过调蓄之后，75%的水经过该水利枢纽后流入泄洪河道进行排放。A潮位站距离该水利枢纽约2 km，其感潮段在每天不定期涨潮落潮2次。

A潮位站修建于上世纪20年代，50年代开始记录潮位及潮历时资料。本文以50年代至今的潮位、潮历时等与水利枢纽相关的资料数据为主，对其趋势特征进行分析，通过下游水文情况的变化进而推断水利枢纽对水文的影响情况。其中，资料来源于《中华人民共和国水文年鉴》。对该资料的数据分析方法主要为非参数统计法，在置信度为95%时临界值为|1.95|，在|Z|>1.95时变化显著，否则不显著。对潮位等方法的分析主要采用累计距平法。

3 年内年际的潮位潮历时分析

3.1 显著性分析

图1为多年潮差、潮位特征及潮历时平均变化特征。其中，图1(a)为多年平均潮位高度随不同时间段下的变化趋势图。由图1(a)可以看出，高高潮、平均高潮与低低潮、平均低潮变化趋势近乎大致相同。具体表现为：在1月份潮位为最低潮位点，随着时间的变化逐渐升高，在7月达到最高潮位点,之后逐渐下降至12月份为止。其中，高高潮的平均潮位点年均高出低低潮约2.5 m。

图1 多年潮差、潮位特征及潮历时平均变化特征

为了进一步直观分析统计高高潮与低低潮的线性增长率与非参数检验值，绘制表1。从表1反映的数据可以看出，6、7、8这3个月为增长趋势，但6、8月份的增长趋势不如7月份的趋势明显，且增长率不如7月份高。但8月份的线性增长率较6月份高而低于7月份。由此可以看出，该地区6-8月份为丰水期，该区域的高潮位特征不利于泄洪。由线性增长率可以看出，从枯水期的9-11月份结束后，12、1、2月份的潮位增长较为明显，且1月份增长率最大，该时期的潮位增长有利于自流引水。

表1 高高潮与低低潮的潮位增长率与非参数检验值

图1(b)、图1(c)分别为不同月份的最大潮差和潮历时变化图，对潮差和潮历时的分析有利于进一步掌握该地水文变化特征。从图1(b)可以看出，涨潮最大潮差与落潮最大潮差变化趋势一致。具体表现为：从1-7月份呈现下降趋势，且7月份为最低点，在7月份过后逐渐上涨至12月份，且涨潮潮差与落潮潮差相差最大的月份为每年的1和12月份，7月份相差最小，平均为1.79和1.67 m，年均平均相差0.04 m。图1(c)为涨潮与落潮的年均最大潮历时变化图。从图1(c)中可以看出，其涨潮与落潮的年均潮历时变化也大致相同，但涨潮的历时小于落潮历时约3.9 h，于每年3月份涨潮与落潮的历时达到最大值，9、10月份较3月略小，其余时间均较小。

同样，借助潮差与潮历时的线性增长率与检验值进一步分析，绘制表2。从表2中可以看出，6、7、8这3个月的涨潮落潮的潮差增长率呈现出减小的趋势，而历时呈现出逐渐增长的趋势，但其效果均不明显。从10月份开始，10、11、12、1、2月涨潮落潮潮差增大，但历时变短。因此，在丰水期历时短潮差大，这种情况是对自流引水非常不利的，容易造成洪涝灾害。

表2 潮历时、潮差增长率与非参数检验值

3.2 累计距平分析

图2为高高潮、年平均高潮、低低潮、年平均低潮的累计距平变化图。从图2中可以看出，高高潮、低低潮与其各自年平均值变化趋势大致相同。结合表1的数据可知，高高潮的增长率最大，而低低潮的增长率最小，相差约0.45 cm/a。图2(b)为高高潮的距平。从图2(b)中可以看出，整体上从1957-1966年的距平均在平均距平以下；在1966-1984年间，距平在平均值附近波动；而在1984-1993年间，距平在平均值以上；从1993-2020年，整体的距平均在平均值上，且较1984-1993年间略大。

图2 潮位累计距平与高高潮距平变化图

图3为涨落潮最大潮差的累计距平和最大历时的累计距平变化图。其中，图3(a)为不同年份最大潮差的累计距平，从图3(a)中可以看出，涨潮落潮的变化趋势近乎一致。具体表现为：1957-1966年，涨落潮的最大潮差均表现为增长阶段；1966-1975年，急剧下降；1975-2002年，虽然波动较多，但整体下降趋势不明显；2002-2011年，降幅较大；2011-2020又增长至2002年的水平。图2(b)为最大历时的累计距平，从图2(b)可以看出，不同年份的涨潮落潮的历时距平变化也是趋于一致的。但不同之处在于涨潮历时距平在1984年附近时回落较大，与当年落潮最大历时相比，时长短于落潮历时约4 h，而1993和2011年涨潮历时高出落潮历时分别约5 h和3.8 h。其余阶段表现为：1957-1966年，历时减少；1966-1970年，逐渐增大；1970-1984年，整体历时逐渐回落；1984-2020年间，虽然多处存在较大波动，但整体水平呈现出微小增长的趋势。

图3 涨落潮最大潮差的累计距平和最大历时的累计距平变化图

该潮位站的分析结果表明，在不同年间，虽然涨潮落潮的潮差与其各自的潮历时可能会出现不同范围的波动，但结合其整体情况来看，总体趋势仍然呈现出微小增长的迹象。因此，该水利枢纽的修建导致整体上潮位的上涨与潮历时的减短。近年来，随着其潮位的增大与潮历时的变短，给该水利枢纽的排洪泄涝能力也带来较大的挑战。

4 结 论

本文以某地水利枢纽的A潮位站为对象，借助非参数检验值与累计距平法等研究方法，通过对A潮位站多年记录的潮位、潮历时的数据进行分析比对，研究其水文情势与该水利枢纽之间的关系。结论如下：

1) 水利枢纽所处位置6、7、8这3个月为丰水期，潮位增长明显，且潮历时变短，不利于该水利枢纽的自流引水。9、10、11月份为枯水期，在枯水期结束后到次年的潮位会出现一定的增长，且潮历时较丰水期长，因此该阶段利于引水。

2) 在该水利枢纽修建完成后的多年间涨潮、落潮的潮差波动较大，但整体有较小增长，潮历时则略有变短。近年来，随着其潮位的增大与潮历时的变短，给该水利枢纽的排洪泄涝能力会带来一定的挑战。