1. 引言
溪洛渡水电站是金沙江下游河段四个梯级电站的第三级。该电站2013年5月开始初期蓄水，2019年成功蓄至600 m正常蓄水位 [1] 。目前，溪洛渡大坝下游30 km河道为限制通航区，已建、在建码头较多，限制通航区已成实际通航事实，且在溪洛渡电站调峰运行时，该区域码头停泊船只通航管理难度极大。根据《金沙江溪洛渡水电站水库运行与电站运行调度规程》(试行)规定 [2] ，结合溪洛渡和向家坝联合调度规程，有必要对该区域进行流速、流态、水位等原型观测并分析，进一步研究改善通航条件的可行性，同时，分析限制通航区域码头对溪洛渡电站调峰运行的适应性，探索电站调峰运行产生的非恒定流对通航条件的影响。为对该区域进行限制性通航进行科学管理、维护通航秩序安全稳定等提供技术支持和制度依据，开展探索研究溪洛渡下游限制性通航条件是非常有必要的。
随着金沙江梯级水电站投入使用，改变了天然河道的水流条件和水沙过程，使原本达到平衡的河床冲淤发生变化 [3] [4] 。产生的非恒定流可能会使下游河道水位发生陡涨陡落、流态紊乱等问题，并可能对航运、港口、码头及船舶等产生不利影响。目前研究主要依赖于物理模型与船模试验 [5] ，且主要针对非恒定流特性和对通航条件的影响 [6] [7] [8] [9] 。如张绪进等和母德伟等建立向家坝水电站及下游76 km河道1:100的物理模型，并进行船模试验，分析了水面线、流速、日变幅等要素和对下游通航设计水位等因素的影响 [6] [7] 。杜泽东等采用河道物理模型，对溪洛渡电站坝下游15 km河道的非恒定流特性进行研究 [8] 。胡亚安等对向家坝升船机下游引航道口门区进行了波浪的监测 [9] 。
掌握非恒定流的演进规律及对下游河道的影响，最直接的技术手段是采用原型监测。原型监测可以获得第一手资料，以分析原型非恒定流演进特征，同时可为数学模型计算和实体模型试验提供验证资料。但原型监测需要在较长河段内，布置多个断面，进行长时间、不间断、同时刻的沿程水位、典型断面流量、流场流态监测。不仅需要投入大量人力和测验设备，还会受到现场环境、交通条件、气象条件、测船安全等条件限制，监测工作非常困难。受上述因素影响，目前原型监测相对较少，且监测范围较小、监测项目单一。本文针对溪洛渡下游30 km限制通航区，介绍了该河段沿程水位、波浪、流速流态监测的技术方案及采用的新技术新方法，并对水位沿程变幅、波浪、流速监测成果等进行了分析。
2. 监测技术方案
2.1. 监测位置及断面布置
监测区域位于溪洛渡坝下游约30 km河段长的限制通航区域内，监测范围为大河湾码头上游200 m至糖房坝码头下游约300 m，如图1所示。
Figure 1. Sketch map of monitoring scope and cross section arrangement
图1. 监测范围及断面布置示意图
2.2. 监测内容及技术方案
2.2.1. 监测内容
1) 沿程开展溪洛渡出库流量1600 m3/s、3500 m3/s、5500 m3/s、7500 m3/s、8600 m3/s、10,000 m3/s及11,000 m3/s等7个流量级的水位和流态(流速、流向)等原型观测，流态观测不少于3条顺流向的测线(间距一般不小于50 m)。
2) 7500 m3/s、8600 m3/s、10,000 m3/s及11,000 m3/s等流量级工况下，对波浪进行观测。
3) 出库流量在6个小时内(一般为5:00~10:00)分别增加2000 m3/s、3000 m3/s、4000 m3/s和5000 m3/s等4种调峰工况条件下，监测沿程水位和8个码头江段(单段不小于500 m，需覆盖码头上下游范围)流速流向。
4) 出库流量在6个小时内(一般为20:00~次日2:00)分别减小2000 m3/s、3000 m3/s、4000 m3/s和5000 m3/s等4种调峰工况条件下，监测沿程水位和8个码头江段流速流向。
2.2.2. 监测方案
1) 水位观测
在测区每个观测点(包括码头观测断面及固定流量级新增观测断面共计15处)，安装LH25-RBRsolo D微型潮位仪。此设备已经在向家坝电站下游使用，在观测中设备运行良好，数据收集齐全，精度较高。
2) 波浪观测
波浪观测方法按仪器布设的空间位置也可分成水下、水面、水上和太空(如卫星遥感)四种观测技术；波浪观测仪器按其工作原理可分为视距测式、测波杆式、压力式、声学式、重力式和遥感测波仪等类型 [10] 。最简单的水下测量仪器使用高分辨率传感器测量表面波引起的压力波动 [11] ，也就是压力式测波仪。通过调研，考虑经济适用性和操作简便，本次在测区8个固定码头断面及DM1、DM6断面位置共10处，安装RBRsolo3 D|wave16波潮仪，获取长周期波浪脉冲采样。该波潮仪为高精度自容式小型水下波潮仪(长210 mm，直径5.4 mm)，能方便地安装于各种物体上，常用于海洋、湖泊和港口及地下水测量。
3) 流速、流态观测
采用电子浮标系统(Smart Gaging GPS智能测流系统)进行流速、流态观测，系统采用高强度材料制作的浮球随水漂流，实时采集显示浮球漂流的轨迹，时间、位置、流速、流向等数据。
3. 监测成果初步分析
根据溪洛渡水电站提供的出库下泄流量过程(示意如图2所示)，下泄流量波动变化，流量变幅为2000~5000 m3/s：一般为每日6:00下泄流量增加，11:00左右达到当日最大值并持续至20:00；20:00至22:00开始下泄流量减小直至次日凌晨2:00。
Figure 2. Discharge process of Xiluodu hydropower station in June 2022
图2. 2022年6月溪洛渡电站出库流量过程
3.1. 水位变幅分析
目前在监测范围内开展了6次不连续水位沿程监测，监测工况见表1。工况6最大流量为12,900 m3/s，工况2最大流量变幅3260 m3/s。
Table 1. Monitoring conditions and flow amplitude
表1. 监测工况及流量变幅统计
统计各断面水位变幅，见表2。可以看出，各断面的水位变幅沿程递减。工况4下(由1660 m3/s增加至3880 m3/s)大河湾码头至佛滩码头之间水位变幅最大，初步分析与该段河道横断面形态和水位流量关系有关，需要进一步研究。其余河段工况2水位变幅最大。
Table 2. Water level amplitude along the section under each condition (Unit: m)
表2. 各工况沿程断面水位变幅统计(单位：m)
3.2. 波浪分析
依据中华人民共和国海事局《内河船舶法定检验技术规则》的相关要求 [12] ，本江段为C级航区J1级航段，有效波高Hs应满足Hs ≤ 0.5 m。经统计，各监测工况下，波高最大的为大河湾码头，有效波高为0.273 m，最大波高0.667 m。越靠近下游，波高越小，如塘房坝码头，有效波高为0.048 m，最大波高0.08 m。影响波动特性的因素需通过后续观测进一步研究。
Table 3. The wave monitoring results
表3. 波浪监测结果
3.3. 沿程流速
目前对影响船舶航运安全的表面流速具体数值以及对应的船舶航速要求没有明确界定，通过以往研究以及结合《内河通航标准》分析，当航道表面流速大于3 m/s时，一般船舶无法克服水流阻力，对航运安全产生影响 [1] 。根据监测成果，流量8500 m3/s时坝下至顺河码头流速超过3 m/s；流量10,000 m3/s时坝下至回龙场码头流速超过3 m/s；流量11,000 m3/s时监测范围大部分流速超过3 m/s。综上，当流量超过8500 m3/s时较长河段流速超过3 m/s，对下游河道航运安全产生威胁，无法满足航运安全的条件。
4. 结语与展望
本文介绍了溪洛渡坝下游30 km限制通航区河道沿程水位变幅、波浪监测、流速监测技术方案及针对监测难点采用的新技术新方法，并对水位变幅、波浪、流速等要素的沿程变化进行了分析。今后可在此基础上继续开展监测，并同时开展数学模型、物理模型计算和船模试验，进一步分析电站下游航运条件的影响因素。
基金项目
溪洛渡水电站坝下限制性通航区水流条件观测及分析项目；长江水利委员会水文局科技创新基金项目(SWJ-CJX23Z10)；长江水科学研究联合基金(U2240201)。