富春江水電站黑啟動(dòng)運(yùn)行下游水動(dòng)力條件分析

程開宇，楊 娟，吳世東，黃 靖

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

富春江水電站黑啟動(dòng)運(yùn)行下游水動(dòng)力條件分析

程開宇，楊 娟，吳世東，黃 靖

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

富春江水電站是華東電網(wǎng)非常重要的黑啟動(dòng)電源。利用二維數(shù)學(xué)模型分析電站黑啟動(dòng)任務(wù)時(shí)其下游水位、流速的變化特征，計(jì)算結(jié)果表明，電站黑啟動(dòng)后下游河道水位和流速急劇變化，壩下左側(cè)河道內(nèi)水位高于右側(cè)航道內(nèi)水位，且河道最大水位變幅達(dá)0.28 m/min。左側(cè)主河道最大流速為2.68 m/s，右側(cè)航道最大流速為0.74 m/s。因此，需采取工程措施和航運(yùn)管理措施保證電站事故備用和黑啟動(dòng)的能力及通航安全。

富春江水電站；黑啟動(dòng)；航道；數(shù)學(xué)模型

1 富春江電站概況

錢塘江是浙江省第一大河，北源新安江發(fā)源于安徽省休寧縣西南皖、贛兩省交界的懷玉山脈主峰六股尖東坡，南源蘭江發(fā)源于安徽省休寧縣南部的青芝埭尖北坡，南北兩源蘭江和新安江在建德市梅城匯合后稱為富春江，下界在與浦陽江匯合的三江口處，三江口以下稱為錢塘江，錢塘江于寧波市鎮(zhèn)海區(qū)外游山和上海市南匯蘆潮港連線斷面匯入東海，干流全長668 km，流域面積55 558 km2[1]。

富春江水電站位于浙江省桐廬富春江上，見圖1，壩址控制流域面積31 485 km2。富春江水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主、兼有航運(yùn)、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市供水、旅游等綜合效益，是華東電網(wǎng)的骨干水電站之一。工程擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等重要任務(wù)，對(duì)華東電網(wǎng)的安全穩(wěn)定起著重要作用。富春江水電站目前裝機(jī)容量357.2 MW，共6臺(tái)機(jī)組，滿發(fā)流量約3 000 m3/s。電站從開機(jī)到滿發(fā)需要3～5 min，電站具備黑啟動(dòng)功能，是華東電網(wǎng)非常重要的黑啟動(dòng)電源[1]。富春江船閘位于富春江水電站及其下游，航道位于下游河道右側(cè)。富春江船閘擴(kuò)建改造后，按船Ⅳ級(jí)船閘標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，船閘尺度能夠兼顧1 000 t級(jí)船舶的過閘要求[2-4]。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故需要電站頂出力運(yùn)行時(shí)，電廠將在極短時(shí)間內(nèi)帶滿負(fù)荷。電廠短時(shí)間內(nèi)增荷或者卸荷運(yùn)行，出力和下泄的發(fā)電流量都集中在短時(shí)段內(nèi)激烈變化，將使下游河道的水位、流速等水動(dòng)力條件在短時(shí)間內(nèi)有較大的波動(dòng)，對(duì)下游航運(yùn)有一定影響。筆者主要研究電站黑啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)下游河道水動(dòng)力條件變化情況。

2 黑啟動(dòng)運(yùn)行工況下游水動(dòng)力條件分析

圖1 富春江水電站位置示意圖Fig.1 The location of Fuchun river hydropower station

采用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型具體分析電站黑啟動(dòng)運(yùn)行工況下游河道水位、流速、流態(tài)變化。計(jì)算區(qū)域采用正交曲線網(wǎng)格，控制方程離散時(shí)，變量在網(wǎng)格上采用交錯(cuò)布置，水位定義在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，單寬流量定義在各自方向的相鄰網(wǎng)格的中部，采用交替方向隱格式（ADI）求解方程，方程矩陣采用Double Sweep算法求解，該格式具有二階精度[5-6]。

2.1 計(jì)算條件

2.1.1 模型范圍及網(wǎng)格

二維模擬的范圍為壩址下游～航道疏浚末端桐廬分水江匯入口的河道，計(jì)算范圍河道總長度約10.71 km，計(jì)算范圍內(nèi)包括4座橋梁（杭新景高速公路富春江大橋、渡濟(jì)大橋、富春江大橋以及富春江二橋），橋梁斷面網(wǎng)格采用局部加密方法，直接模擬橋墩。計(jì)算采用的地形資料由1∶1000地形圖及1∶500地形圖拼接而成。

計(jì)算域采用正交曲線網(wǎng)格劃分，x方向網(wǎng)格步長最小為2 m，最大網(wǎng)格步長約為15 m，y方向網(wǎng)格步長最小5 m，最大約為30 m。計(jì)算網(wǎng)格平面圖見圖2（由于網(wǎng)格太密，圖中一個(gè)網(wǎng)格代表模擬中的4個(gè)網(wǎng)格）。

2.1.2 開邊界條件

根據(jù)富春江水電站在華東電網(wǎng)中承擔(dān)的事故備用和黑啟動(dòng)任務(wù)，充分考慮黑啟動(dòng)運(yùn)行對(duì)下游河道的影響，則上邊界條件為富春江電站黑啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電流量過程線，3 min之內(nèi)電站發(fā)電流量由0增加至3 000 m3/s。下邊界水位采用電站不發(fā)電時(shí)候的實(shí)測(cè)水位。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，2008年7月9日不發(fā)電時(shí)下邊界分水江匯入口水位為3.75 m[7]。

2.1.3 計(jì)算參數(shù)

糙率系數(shù)根據(jù)富春江電廠發(fā)電流量下游河道實(shí)測(cè)流速資料進(jìn)行率定，比較順直河段取0.020～0.030，個(gè)別阻水嚴(yán)重或有挑流建筑物的河段取0.030～0.035。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.2 The calculation grid

為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用“干濕判別”來確定計(jì)算區(qū)域由于水位漲落產(chǎn)生的動(dòng)邊界。當(dāng)計(jì)算區(qū)域水深小于0.2 m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“干”，不參加計(jì)算；當(dāng)水深大于0.3 m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“濕”，重新參加計(jì)算。根據(jù)Smagorinsky公式確定渦粘系數(shù)，Cs取為0.25。

2.1.4 模型率定

驗(yàn)證計(jì)算采用2008年7月11日電站發(fā)電流量為500 m3/s時(shí)下游河道流速進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算模型驗(yàn)證結(jié)果見文獻(xiàn)[8]，本模型滿足精度要求，可用于黑啟動(dòng)運(yùn)行工況二維水動(dòng)力計(jì)算。

2.2 下游河道水動(dòng)力計(jì)算成果

根據(jù)二維計(jì)算成果，當(dāng)富春江電站事故備用（黑啟動(dòng)）運(yùn)行時(shí)，即電站在3 min內(nèi)從0流量至滿發(fā)流量工況，受流量沿程傳播影響，壩下游河道和航道水位在較短時(shí)間內(nèi)呈上升變化，隨著向下游距離的增加，其影響逐漸減小。右側(cè)航道內(nèi)水位變化遲于且小于左側(cè)主河道。根據(jù)富春江壩下航道和通航樞紐布置特點(diǎn)，分析影響范圍內(nèi)8個(gè)斷面（見圖3）、左側(cè)河道和右側(cè)航道內(nèi)水位和流速變化。

圖3 典型斷面位置分布示意圖Fig.3 Distribution of typical cross sections

2.2.1 水位變化

富春江電站壩下3 017 m范圍受船閘下游導(dǎo)航墻和沙洲的影響，分左側(cè)主河道和右側(cè)航道兩個(gè)部分，電站黑啟動(dòng)后壩下各斷面水位隨時(shí)間變化過程見表1、圖4和圖5。電站黑啟動(dòng)后水位呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，影響范圍至壩下9.0 km。黑啟動(dòng)后壩下各斷面水位分別在1 h47 min、1 h48 min、1 h49 min、1h47min、1h44min、1h45min、1h49min和1h57min后基本穩(wěn)定，其穩(wěn)定時(shí)水位相對(duì)于電站啟動(dòng)開始時(shí)，左側(cè)主河道1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)和4號(hào)斷面水位漲幅分別為：5.47 m、5.26 m、4.05 m和3.86 m；右側(cè)航道水位漲幅分別為4.02m、4.02m、4.05m、3.86m、2.95m、2.55 m、1.91 m和1.44 m。右側(cè)航道內(nèi)水位主要受下游分流的影響，故水位穩(wěn)定后左側(cè)河道水位高于右側(cè)航道，且右側(cè)航道在斷面2向斷面1形成倒比降。

圖4 壩下左側(cè)主河道各斷面水位變化圖Fig.4 Graph of water level on sections in the left river channel downstream the dam

圖5 壩下右側(cè)航道各斷面水位變化圖Fig.5 Graph of water level on sections in the right river channel downstream the dam

表1 電站事故備用（黑啟動(dòng)）工況下游不同時(shí)段內(nèi)水位變幅及水位穩(wěn)定時(shí)間（單位：m）Table 1 Change and stability time of water level downstream the dam after the black startup

在電站啟動(dòng)后的3 min內(nèi)，水位僅影響到壩下485 m（1號(hào)斷面），左側(cè)主河道水位急劇變化，3 min內(nèi)水位上升0.84 m，右側(cè)航道受船閘下游導(dǎo)航墻影響，電站下泄非恒定流還未影響到下閘首，1號(hào)斷面航道內(nèi)水位沒有變化。電站啟動(dòng)后的3～15 min內(nèi)，水位影響到壩下1 332 m（2號(hào)斷面），左側(cè)主河道受影響的1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)斷面水位變幅分別為：2.87m、3.16 m和2.25 m，右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約13 min后，電站下泄非恒定流部分通過分水閘，繞過下游導(dǎo)航墻繞流影響至1號(hào)斷面，水位才開始逐漸上升，且水位升高的速率平均為0.02 m/min，3～15 min內(nèi)水位變幅為0.07 m。電站啟動(dòng)后的15～45 min內(nèi)，水位影響到壩下9 029 m（8號(hào)斷面），左側(cè)主河道受影響各斷面水位變幅分別為：1.11 m、1.37m、1.97m、3.61m、0.48m、0.29m、0.11 m和0.04m。右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約18 min后，電站下泄非恒定流在4號(hào)斷面分流至右側(cè)航道，右側(cè)航道內(nèi)水位升高的速率增加，1～4號(hào)斷面水位變幅為1.09 m、1.10m、1.13 m和0.83 m。

2.2.2 流速變化

圖6 左側(cè)主河道各斷面流速變化過程圖Fig.6 Graph of flow speed on sections in the left river channel

電站黑啟動(dòng)工況時(shí)，壩下各斷面流速隨時(shí)間變化過程見表2、圖6和圖7。壩下左側(cè)主河道1～4號(hào)斷面和壩下右側(cè)航道1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)斷面內(nèi)流速呈現(xiàn)“增加-減小-穩(wěn)定”的過程；壩下右側(cè)航道4號(hào)和5號(hào)斷面流速呈現(xiàn)“增加-減小-增加-穩(wěn)定”的過程；壩下6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)斷面航道流速呈現(xiàn)“緩慢增加-快速增加-穩(wěn)定”的過程。其穩(wěn)定流速相對(duì)于電站啟動(dòng)開始時(shí)左側(cè)主河道流速漲幅分別為：1.73 m/s、1.58 m/s、1.58 m/s和0.58 m/s；右側(cè)航道流速漲幅分別為：0.0 m/s、0.0 m/s、0.53 m/s、0.70 m/s、0.99 m/s、1.52 m/s、1.52 m/s和1.36 m/s。期間左側(cè)河道各斷面最大流速分別為2.18 m/s、2.68 m/s、2.40 m/s和1.20 m/s；對(duì)應(yīng)的右側(cè)航道各斷面最大流速分別為0.03 m/s、0.11 m/s、0.74 m/s和0.70 m/s，其余河道斷面最大流速分別為0.99 m/s、1.52 m/s、1.52 m/s和1.36 m/s。右側(cè)航道內(nèi)流速變化要遲于且小于左側(cè)主河道。

表2 電站事故備用（黑啟動(dòng)）工況下游不同時(shí)段內(nèi)流速變幅（單位：m/s）Table 2 Change of flow speed downstream the dam after the black startup

圖7 航道各斷面流速變化過程圖Fig.7 Graph of flow speed on sections in the navigation channel

電站啟動(dòng)后的3 min內(nèi)，水流影響到壩下950 m（1號(hào)++斷面），左側(cè)主河道流速急劇變化，3 min內(nèi)流速增加1.27 m/s，右側(cè)航道受擴(kuò)建船閘下游導(dǎo)航墻影響，電站下泄非恒定流還未影響到右側(cè)航道，航道內(nèi)流速?zèng)]有變化；電站啟動(dòng)后的3～15 min內(nèi)，水流影響到壩下1 332 m（2號(hào)斷面），左側(cè)主河道受影響的1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)斷面流速增加分別為：0.43 m/s、1.94 m/s和2.39 m/s，右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約13 min后，電站下泄非恒定流部分通過分水閘，繞過下游導(dǎo)航墻繞流影響至1號(hào)斷面，右側(cè)航道內(nèi)流速增加，1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)斷面右側(cè)航道內(nèi)流速增加分別為0.03 m/s、0.10 m/s和0.18 m/s，相對(duì)左側(cè)主河道流速增加較?。浑娬締?dòng)后的15～45 min內(nèi)，水流影響到壩下9 029 m（8號(hào)斷面），1號(hào)、1號(hào)++、2號(hào)斷面左側(cè)主河道流速降低，降低幅度分別為0.16 m/s、0.39 m/s和0.59 m/s；1號(hào)、1號(hào)++斷面右側(cè)航道內(nèi)流速降低，降低幅度分別為0.01 m/s和0.05 m/s；其他斷面流速仍在增加。

3 結(jié)語

（1）利用平面二維數(shù)學(xué)模型分析電站黑啟動(dòng)工況下游河道水位、流速變化情況，計(jì)算結(jié)果表明，富春江電站在承擔(dān)電網(wǎng)事故備用和黑啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，其下游水位、流速在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

（2）黑啟動(dòng)1 h45 min后，河道內(nèi)各斷面水位基本穩(wěn)定，且左側(cè)主河道內(nèi)水位變幅及變化速率都高于右側(cè)航道。水位平衡后，左側(cè)主河道水位高出右側(cè)航道內(nèi)水位最大為1.45 m。左側(cè)主河道水位最大變化速率為0.28 m/min，右側(cè)航道水位最大變化速率0.06 m/min。

（3）電站黑啟動(dòng)后，壩下左側(cè)主河道和右側(cè)航道內(nèi)流態(tài)變化呈“增加-減小-穩(wěn)定”、“增加-減小-增加-穩(wěn)定”及“緩慢增加-快速增加-穩(wěn)定”三種不同的過程。右側(cè)航道內(nèi)流速變化要遲于且小于左側(cè)主河道。左側(cè)主河道最大流速為2.68 m/s，右側(cè)航道最大流速為0.74 m/s。

（4）富春江水電站在承擔(dān)電網(wǎng)事故備用和黑啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，其下游水位、流速在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的波動(dòng)，需要采取工程措施和航運(yùn)管理措施保證不影響電站事故備用和黑啟動(dòng)的能力及通航安全[9]。

[1]中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程對(duì)富春江、新安江水電站的影響分析報(bào)告[R].杭州：中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

[2]金國強(qiáng),董志軍.富春江航電樞紐通航瓶頸改造方案探討[J].水運(yùn)工程,2008（11）：160-162.

[3]曹一中，張公略.富春江船閘擴(kuò)建改造工程總體布置方案[J].水運(yùn)工程,2009（9）：136-141.

[4]董志俊，李君濤，郝媛媛.富春江船閘擴(kuò)建改造工程平面布置優(yōu)化研究[J].水道港口,2009（10）：357-360.

[5]程開宇，陳雪良，劉光保.二維水動(dòng)力模型在富春江電站下游航道水文分析中的應(yīng)用[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)水文泥沙專業(yè)委員會(huì)第七屆學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2007.

[6]M21HD USER Manuals(DHI).

[7]中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程水文分析報(bào)告[R].杭州：中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

[8]楊娟，黃靖，程開宇.富春江船閘擴(kuò)建改造工程影響分析[J].浙江水利科技,2012（7）：8-12.

[9]張公略,李君濤,吳世東.富春江船閘擴(kuò)建改造后電站黑啟動(dòng)對(duì)下游航運(yùn)安全影響分析[J].水道港口,2011（10）：341-345.

Analysis on hydrodynamic condition downstream Fuchun river hydropower station after the black startup

by CHENG Kai-yu,YANG Juan,WU Shi-dong and HUANG Jing

PowerChina Huadong Engineering Corporation

Fuchun river hydropower station is a very important power supply of black startup.The feature of water level and current downstream the dam after black startup was studied by2-D hydrodynamic mathematical model.The result showed that the water level and current downstream the dam changed rapidly after black startup of the hydropower station.The water level in the left river channel was higher than the right and the level change speed was 0.28 m/min.The fastest flow speed was 2.68 m/s in the left river channel while the fastest flow speed was 0.74 m/s in the right.So it is necessary to ensure the capability of black startup and the safety of navigation channel.

Fuchun river hydropower station;black startup;navigation channel;mathematical model

book=1,ebook=7

TV131.2

B

1671-1092（2016）06-0001-05

2016-09-18

程開宇（1978-），男，吉林長春人，碩士，研究方向?yàn)樗Y源與水環(huán)境。

作者郵箱：cheng_ky@ecidi.com