富春江水電站黑啟動(dòng)運(yùn)行下游水動(dòng)力條件分析

摘 要：富春江水電站是華東電網(wǎng)非常重要的黑啟動(dòng)電源。本文利用二維數(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)0.28m/min。左側(cè)主河道最大流速為2.68m/s，右側(cè)航道最大流速為0.74m/s。因此，需要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。

關(guān)鍵詞：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

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31485km2[1]，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357.2MW，共6臺(tái)機(jī)組，滿發(fā)流量約3000m3/s，電站從開機(jī)到滿發(fā)需要3～5分鐘，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1000噸級(jí)船舶的過閘要求[2-4]。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故需要電站預(yù)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。本文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，供電網(wǎng)與交通航運(yùn)管理部門決策時(shí)參考。

2 黑啟動(dòng)運(yùn)行工況下游水動(dòng)力條件分析

本文采用二維水動(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(zhǎng)度約10.71km，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）。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，網(wǎng)格步長(zhǎng)x方向網(wǎng)格步長(zhǎng)最小為2m，最大網(wǎng)格步長(zhǎng)約為15m，y方網(wǎng)格步長(zhǎng)最小5，最大約為30m。

2.1.2 開邊界條件

根據(jù)富春江水電站在華東電網(wǎng)中所承擔(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，電站在3min之內(nèi)發(fā)電流量由0負(fù)增加至3000m3/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3.75m[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。

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0.2m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“干”，不參加計(jì)算；當(dāng)水深大于0.3m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500m3/s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，可以用于黑啟動(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分鐘內(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2），左側(cè)河道和右側(cè)航道內(nèi)水位和流速變化。

2.2.1 水位變化

富春江電站壩下3017m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和圖3、4。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9.0km。黑啟動(dòng)后1h47min、1h48min、1h49min、1h47min、1h44min、1h45min、1h49min、1h57min后壩下各斷面水位基本穩(wěn)定，其穩(wěn)定時(shí)水位相對(duì)于電站啟動(dòng)開始時(shí)間左側(cè)主河道1#、1#++、2#和4#斷面水位漲幅分別為：5.47m、5.26m、4.05m、3.86m；右側(cè)航道水位漲幅分別為4.02m、4.02m、4.05m、3.86m、2.95m、2.55m、1.91m、1.44m。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。

在電站啟動(dòng)后的3分鐘時(shí)間內(nèi)，水位僅影響到壩下485m（1#斷面），左側(cè)主河道水位急劇變化，3min內(nèi)水位上升0.84m，右側(cè)航道由于受船閘下游導(dǎo)航墻影響，電站下泄非恒定流還未影響到下閘首，1#斷面航道內(nèi)水位沒有變化；在電站啟動(dòng)后的3～15min時(shí)間內(nèi)，水位影響到壩下1332m（2#斷面），左側(cè)主河道受影響的1#、1#++、2#斷面水位變幅分別為：2.87m、3.16m、2.25m，右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約13min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#斷面，水位才開始逐漸上升，且水位升高的速率平均為0.02m/min，3～15min內(nèi)水位變幅為0.07m；在電站啟動(dòng)后的15～45min時(shí)間內(nèi)，水位影響到壩下9029m（8#斷面），左側(cè)主河道受影響各斷面水位變幅分別為：1.11m、1.37m、1.97m、3.61m、0.48m、0.29m、0.11m、0.04m。右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約18min后，電站下泄非恒定流在4#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#至4#斷面水位變幅為1.09m、1.10m、1.13m、0.83m。

2.2.2 流速變化

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和圖5、6。壩下左側(cè)主河道1#至4#斷面和壩下右側(cè)航道1#、1#++、2#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#和5#斷面流速呈現(xiàn)“增加—減小—增加—穩(wěn)定”的過程；壩下6#、7#、8#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：1.73m/s、1.58m/s、1.58m/s、0.58m/s；右側(cè)航道流速漲幅分別為：0.0m/s、0.0m/s、0.53m/s、0.70m/s、0.99m/s、1.52m/s、1.52m/s、1.36m/s。期間左側(cè)河道各斷面最大流速分別為2.18m/s、2.68m/s、2.40m/s、1.20m/s；對(duì)應(yīng)的右側(cè)航道各斷面最大流速分別為0.03m/s、0.11m/s、0.74m/s、0.70m/s，其余河道斷面最大流速分別為0.99m/s、1.52m/s、1.52m/s、1.36m/s。右側(cè)航道內(nèi)流速變化要遲于且小于左側(cè)主河道。

在電站啟動(dòng)后的3min時(shí)間內(nèi)，水流影響到壩下950m（1#++斷面），左側(cè)主河道流速急劇變化，3min內(nèi)流速增加1.27m/s，右側(cè)航道由于受擴(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；在電站啟動(dòng)后的3～15min時(shí)間內(nèi)，水流影響到壩下1332m（2#斷面），左側(cè)主河道受影響的1#、1#++、2#斷面流速增加分別為：0.43m/s、1.94m/s、2.39m/s，右側(cè)航道在電站啟動(dòng)約13min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#斷面，右側(cè)航道內(nèi)流速增加，1#、1#++、2#斷面右側(cè)航道內(nèi)流速增加分別為0.03m/s、0.10m/s、0.18m/s，相對(duì)左側(cè)主河道流速增加較??；在電站啟動(dòng)后的15～45min時(shí)間內(nèi)，水流影響到壩下9029m（8#斷面），1#、1#++、2#斷面左側(cè)主河道流速降低，降低幅度分別為0.16m/s、0.39m/s、0.59m/s；1#、1#++斷面右側(cè)航道內(nèi)流速降低，降低幅度分別為0.01m/s、0.05m/s；其他斷面流速仍在增加。

3 結(jié)論

（1）文中利用平面二維數(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)1h45min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1.45m。左側(cè)主河道水位最大變化速率為0.28m/min，右側(cè)航道水位最大變化速率0.06m/min。

（3）電站黑啟后動(dòng)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”3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2.68m/s，右側(cè)航道最大流速為0.74m/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]。

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（作者單位：中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）