尚毅梓,郭延祥,李曉飛,冶運濤,趙 勇

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038;2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司,北京 100007; 3.中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司,北京 100013)

小南海水電站日調(diào)節(jié)非恒定流對通航的影響

尚毅梓1,郭延祥2,李曉飛3,冶運濤1,趙 勇1

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038;2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司,北京 100007; 3.中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司,北京 100013)

為分析小南海水電站日調(diào)節(jié)對下游航運的影響,使用Saint-Venant偏微分方程組和Preissmann隱格式差分方法,建立了一維非恒定流水動力學模型,并以實測水文數(shù)據(jù)對模型進行了校核和驗證。采用該模型模擬了小南海水電站日調(diào)節(jié)工況時下游水流條件,并與擬定的通航條件進行了對比分析,結(jié)果表明,按照電網(wǎng)載荷擬定的日調(diào)節(jié)工況運行會造成壩下游水流條件惡化,從而降低枯水期庫區(qū)通航能力;有必要對電站日調(diào)節(jié)運行方式進行調(diào)整,或者對下游河段進行整治。

日調(diào)節(jié)水電站；非恒定流；通航能力；水動力學；小南海水電站

天然河流的流量隨季節(jié)變化大,在日尺度上變化較小。建立日調(diào)節(jié)電站后,電站會在一晝夜內(nèi)對河道徑流過程進行重新分配。該調(diào)節(jié)過程會引起流量和水位以天為周期的循環(huán)變化,波動通過水流質(zhì)點的位移傳播,造成下游河道復雜的非恒定流過程[1]。下游河道陡漲陡落,水面比降增大,都會對船舶的航行安全產(chǎn)生不利的影響[2-3]。為兼顧電站發(fā)電和下游航運,需要進行電站日調(diào)節(jié)運行與通航關系研究。庾維德等[4]建立了葛洲壩水電站模型,通過實驗分析了日調(diào)節(jié)對葛洲壩電站下游水流的影響;萬英等[5]分析了彭水水電站日調(diào)節(jié)影響,認為彭水水電站能夠承擔重慶電網(wǎng)的調(diào)峰功能;馬方凱等[6]建立了三峽上游某銜接梯級日調(diào)節(jié)的一維水動力學模型,劃定了通航影響范圍。這些研究或針對重要電站進行全方位的物理模型實驗分析,或?qū)τ绊懞竭\的某方面特點進行詳盡的數(shù)值計算和模擬?；跀?shù)學模型來制定水電站日調(diào)節(jié)規(guī)則或評估水流條件改變后對下游通航的影響,是較為經(jīng)濟和方便的研究方法,但在沒有模型實驗輔助的情況下,如何充分利用已有觀測數(shù)據(jù)得出較為可靠的評估結(jié)論,相關研究仍不夠充分。

小南海水電站處于長江干線、三峽水庫變動回水區(qū)的末端,為國務院批準的《長江流域綜合利用規(guī)劃》規(guī)劃的梯級水電站,是重慶市主城區(qū)上游的重要水利樞紐[7]。重慶市主城區(qū)位于電站下游50 km河段,沿程碼頭密布,是重慶市重要的航運通道。研究小南海水庫調(diào)度發(fā)電與航道通航標準關系,對于向重慶提供清潔、可靠的電能,提高重慶境內(nèi)長江干流航道標準,進而帶動重慶地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的意義。本文利用實測歷史數(shù)據(jù),建立和校核了小南海水電站水動力學模型,并通過控制斷面分析,獲取了影響通航的特征參數(shù),提出了制定航道評價指標和電站日調(diào)節(jié)規(guī)則的建議。

1 水動力學模型

1.1 數(shù)值建模

本文基于描述明渠非恒定流的Saint-Venant偏微分方程組,建立一維非恒定流水動力模型。Saint-Venant方程組包含連續(xù)方程和動量方程[8],其形式如下:

(1)

動量方程

(2)

式中:Z、Q、A分別為t時刻的水位、流量和斷面過水面積;q為旁側(cè)入流或出流流量;B為水面寬度;K為流量模數(shù);g為重力加速度。

采用Preissmann四點隱式差分格式對Saint-Venant方程組進行離散,以保證在較高計算精度的基礎上提高計算過程的可靠性。數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的追趕法[9]。用j、n分別表示計算節(jié)點編碼和時間步長數(shù),給出對Saint-Venant方程組的因變量和導數(shù)離散形式表達式:

(3)

(4)

(5)

式中θ為時間加權系數(shù)(0≤θ≤1)。線性分析結(jié)果表明,θ≥0.5時離散格式無條件穩(wěn)定[9]。選取時間步長為120 s,θ=0.6。采用Fortran語言編寫模型計算程序[8],將恒定流計算結(jié)果作為水動力學模型的初始條件輸入,上游邊界條件設定為流量,下游邊界根據(jù)需要可設定為水位或水位-流量關系。同時,為了精確模擬的需要,根據(jù)水位不同將斷面糙率分為3個等級,分別設置不同的糙率以對應枯水、中水、洪水的水位-流量關系。

1.2 模型驗證

為驗證建模過程的正確性和獲取模型參數(shù)以便準確模擬電站實際運行工況,采用電站下游50 km河道實測水文數(shù)據(jù)對建立的一維非恒流水動力學模型進行驗證。所選取的河道為長江干流從小南海壩址到寸灘水文站段,嘉陵江在中段匯入。地形數(shù)據(jù)取自2007年航道實測1∶5 000地形圖。模型驗證數(shù)據(jù)為2007年實測枯水、中水、洪水水面線數(shù)據(jù),2010年大中和豐收壩專用水尺實測的水位過程數(shù)據(jù)以及2010年羊角灘航行水尺實測的水文過程數(shù)據(jù)。

小南海壩址到寸灘水文站段每隔500 m設置一個斷面,沿程共取98個斷面,斷面編號為1～98。嘉陵江在斷面85(里程42 948 m)處匯入。大中、豐收壩分別對應斷面1和斷面8。羊角灘處于斷面83和斷面84之間,通過斷面線性插值以獲取其水位、流量值。

a. 模型計算水面線校驗。計算時,模型上邊界條件采用流量關系,下邊界采用寸灘站的水位-流量關系。分別針對枯水、中水和洪水,對模型水面線計算結(jié)果進行校驗。長江干流在枯水、中水和洪水狀態(tài)下流量分別為2 947 m3/s、10 960 m3/s和27 300 m3/s,嘉陵江在枯水、中水和洪水狀態(tài)下流量分別為633 m3/s、1 440 m3/s和3 600 m3/s。各流量下驗證結(jié)果如圖1所示,計算水面線與實測數(shù)據(jù)吻合良好。

圖1 模型水面線計算校驗結(jié)果

b. 模型計算水位變化過程校驗。用模型計算了2010年水位變化過程,與大中、豐收壩和羊角灘的實測數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果如圖2～4所示,模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好。

圖2 大中水位變化過程校驗結(jié)果

圖3 豐收壩水位變化過程校驗結(jié)果

圖4 羊角灘水位變化過程校驗結(jié)果

模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好,表明本文建立的一維非恒定流水動力學模型能夠較為精確地描述所選取河段的非恒定流過程,可用于分析小南海水電站的日調(diào)節(jié)與通航關系。

2 電站日調(diào)節(jié)影響計算分析

2.1 設定工況

a. 適航水流條件。對于給定航道,影響船舶運行安全的因素主要取決于水流流速和水面比降,尤其是船舶吃水深度范圍內(nèi)的流速。采用表面最大流速和水面比降指標能夠較為科學地評價電站日調(diào)節(jié)下的航道水流適航程度[3-4]。參照三峽庫區(qū)的通航要求[10],并根據(jù)小南海水電站所在河段航道等級[11],制定出河道比降為0.05%、0.10%、0.20%和0.30%時的河段船隊通航水流條件要求為表面最大流速分別為4.25 m/s、4.00 m/s、3.50 m/s和3.00 m/s。

b. 電站日調(diào)節(jié)運行。小南海水電站在豐水期(6月下旬至8月上旬)承擔電網(wǎng)的基荷,機組全部投入運行,對徑流過程無調(diào)節(jié);在枯水期(年內(nèi)其他時間)電站承擔電網(wǎng)的調(diào)峰任務,根據(jù)電網(wǎng)負荷變化調(diào)度投入運行的機組。由于機組發(fā)電與不發(fā)電時的下泄流量變化很大,在枯水期河道下游將產(chǎn)生復雜非恒定流過程。水電站日調(diào)節(jié)計劃制定需要綜合考慮電網(wǎng)負荷、河道徑流等關鍵要素。選取1月和6月中旬為日調(diào)節(jié)典型月,綜合考慮枯水年月流量的多年平均值和區(qū)域電網(wǎng)的實際調(diào)峰需求,制定出兩種發(fā)電計劃,給出對應工況下的電站日調(diào)節(jié)下泄流量過程曲線如圖5所示。

圖5 小南海水電站典型月日調(diào)節(jié)下泄流量過程

2.2 水流條件

2.2.1 恒定流條件下的流速與流量關系

首先分析恒定流情況。該河道具有3種典型的斷面形態(tài)。選取斷面45、72、80作為分析的典型斷面,繪制出斷面表面最大流速和流量關系曲線如圖6所示。可以看出,隨著流量增加和水位抬升,這些斷面的最大流速呈現(xiàn)不同的變化趨勢。如要通過校核關鍵斷面的水力學要素以達到河道通航能力評估的目的,還須獲取全河段最大表面流速及該流速所處的斷面位置信息。

圖6 典型斷面表面最大流速與流量關系

圖7 全河段最大表面流速與流量關系

由圖7可見,隨著河道水流流量的增加,河道表面最大流速呈現(xiàn)不同的變化趨勢,整個河段最大表面流速出現(xiàn)多個極值。在流量2 300 m3/s、4 010 m3/s和9 680 m3/s時流速取得極大值,但隨著流量的進一步增大河段表面最大流速和流量逐步呈現(xiàn)正相關關系。這不難理解,因為在流量較小時中泓流速更容易受到斷面影響。雖然出現(xiàn)的流速極值所對應的流量均較小,但正因為枯水期流量小,河道水位低,水面比降大,所以枯水期航運條件最差。

表1 小南海水電站1月日調(diào)節(jié)特征值

2.2.2 非恒定流產(chǎn)生的附加流速與附加比降

電站下泄流量變化會導致壩下產(chǎn)生復雜的非恒定流。下泄流量增加,河道出現(xiàn)漲水,近電站的河段先漲,使水面坡度變陡,水力比降增大,產(chǎn)生附加流速,此時附加比降為正,流速和流量都比恒定流態(tài)時大;下泄流量減少時則相反,附加比降為負,流量比恒定流時要小[12]。附加流速和附加比降的存在,導致非恒定流計算、分析較恒定流更為復雜。

以電站日調(diào)節(jié)工況1月9—10時流量下泄過程(漲水)為例,計算出日調(diào)節(jié)表面最大流速和水面比降,并與對應流量下的恒定流工況相比較,以獲取其附加流速與附加比降,結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 非恒定流產(chǎn)生的斷面附加流速

圖9 非恒定流產(chǎn)生的斷面附加比降

由圖8和圖9可以看出,在大壩下泄流量增加到4 010 m3/s的過程中,出現(xiàn)最大附加流速0.61 m/s, 最大附加比降0.065%,均出現(xiàn)在斷面80和81處,即豬兒磧險灘。受下泄流量增加的影響,各斷面的流量和比降都較恒定流大,而且流速和比降大的斷面,附加流速和附加比降也較大。恒定流下流態(tài)較差的斷面,其非恒定流態(tài)也較差,這些斷面更容易受電站日調(diào)節(jié)的影響,更容易發(fā)生礙航現(xiàn)象。

2.3 日調(diào)節(jié)對航運的影響

6月的航道較1月而言,流量較大,且流速均勻,斷面比降均較小。計算結(jié)果顯示,電站在執(zhí)行以6月為典型月的日發(fā)電計劃時,全河段最大流速為3.66 m/s,最大比降為0.103%,在適航范圍內(nèi)。以下重點分析電站執(zhí)行1月日調(diào)節(jié)過程時對通航可能產(chǎn)生的影響。針對恒定流流態(tài)差的斷面,給出其日調(diào)節(jié)水力特征值,如表1所示。

模型計算結(jié)果顯示,最大流速、最大比降出現(xiàn)的斷面位置與恒定流一致,豬兒磧、九龍灘等恒定流水流條件差的幾個斷面非恒定流時仍然最差。全河段表面最大流速為3.85 m/s,出現(xiàn)在13:00時銅元局(斷面72),斷面瞬時流量為 3 946 m3/s,比降為0.082%;全河段最大比降為0.224%,出現(xiàn)在12:40時九龍灘(斷面60),斷面瞬時流量為4 306 m3/s,表面最大流速為3.76 m/s,都超過了通航水流標準。不過銅元局和九龍?zhí)哆@兩個水流條件超標的斷面小時水位變幅均未超標,而在小時水位變幅超過控制條件的45號胡家灘斷面,水流條件未超標。這說明按照通航標準制定水位變幅條件限制,并不能完全適應實際水流條件,需要進一步補充其他限制指標。在模型計算過程中,還發(fā)現(xiàn)全河段小時水位變幅超過1 m/h的斷面有20個,但超限并不大,全河段最大小時水位變幅為1.38 m/h,出現(xiàn)在胡家灘河段,對應表面最大流速2.19 m/s,比降0.098%。因此,在通航條件校核時應選取銅元局、九龍灘、豬兒磧、胡家灘為主要控制斷面。

由上述分析結(jié)果得出結(jié)論:按照電網(wǎng)載荷擬定的日調(diào)節(jié)工況,在枯水期會使壩下游水流條件惡化,對航運造成一定的影響。因此有必要采用措施,對日調(diào)節(jié)制定細則進行修正,或者對九龍灘和豬兒磧河段進行整治。

3 結(jié) 論

a. 利用實測水文數(shù)據(jù)建立了一維水動力學模型,通過河道典型斷面選取,系統(tǒng)分析了斷面恒定流和非恒定流工況的通航條件,表明非恒定流工況下通航條件差的河道斷面恒定流工況下通常也會差,因此可以通過恒定流計算結(jié)果選取控制斷面,然后再利用非恒定計算模型進行工況校核。

b. 水位變幅較大的斷面,可能流速和比降并不大,從而對通航影響較小;而水流條件較差的斷面,不適合通航,但水位變幅并不一定就大,因此在使用水位變幅作為計算模型下游邊界的控制變量時,需要慎重選擇控制斷面。也可以根據(jù)小南海水電站特點,從下泄流量過程和河道斷面形態(tài)入手,補充其他通航限制條件。

c. 恒定流時水流條件較差的斷面非恒定流時仍然較差,且影響也較大,這加劇了險灘段的通航難度,因此需要重視險灘治理工作。

d. 小南海水電站1月日調(diào)節(jié)流量過程超出了適航水流條件。日調(diào)節(jié)的非恒定流影響主要集中在枯水期,且集中在漲水階段的4 000～5 000 m3/s流量之間,建議放緩從3 350 m3/s增加到4 610 m3/s的流量增加速率。

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Influence of daily regulation unsteady flow on navigation for Xiaonanhai Hydropower Station//

SHANG Yizi1，GUO Yanxiang2，LI Xiaofei3，YE Yuntao1，ZHAO Yong1
(1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China; 2.WaterTransportPlanningandDesignCo.,Ltd.,Beijing100007,China; 3.CABRTechnologyCo.,Ltd.,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China)

In order to analyze the shipping influence caused by Xiaonanhai Hydropower Station,in the article, the Saint-Venant partial differential equations are used together with Preissmann implicit difference for building a one-dimensional unsteady flow hydrodynamics model and the model was verified with the observed hydrological data. By simulating hydrodynamics for the daily regulation, the capacity of navigation in the lower reach are estimated. The simulating results show that the situation might deteriorate the flow condition in downstream in the case of daily regulation whose operating rules were formulating from the side of load, thereby impair the navigation during the low-flow phase. It is necessary to adjust the operating rules of power station or implement river regulation works for the lower reach after dam.

hydropower station of daily regulation; unsteady flow; navigation capability; hydrodynamics; Xiaonanhai Hydropower Station

水利部黃河泥沙重點實驗室開放基金(2012003);國家自然科學基金(51109112)

尚毅梓(1983—),男,河南清豐人,高級工程師,博士,主要從事水力學及水信息學研究。E-mail:shangyz@iwhr.com

郭延祥(1974—),男,河北武安人,高級工程師,博士,主要從事水力學與河流動力學研究。E-mail:gyx2001@sina.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.015

TV131.2;TV737

A

1006-7647(2015)04-0065-05

2014-05-29 編輯：熊水斌)