航電樞紐中小洪水的利用方法研究

陳宇婷，鐘平安，徐　斌，劉　宇

航電樞紐中小洪水的利用方法研究

陳宇婷1，鐘平安1，徐斌1，劉宇2

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098；
2.中國(guó)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）

利用防洪庫容攔蓄洪水尾是水庫洪水資源化的重要措施。以低調(diào)節(jié)性能的航電樞紐為研究對(duì)象，提出中小洪水資源化方法。依據(jù)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)過程，采用一維水力學(xué)模型，計(jì)算實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水面線，以庫區(qū)淹沒控制水面線為約束，確定淹沒控制斷面及壩址斷面水位上限值，根據(jù)洪水退水規(guī)律確定關(guān)閘時(shí)機(jī)。以贛江某航電樞紐為背景開展實(shí)例研究，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

航電樞紐；洪水資源化；水面線；關(guān)閘時(shí)機(jī)；經(jīng)濟(jì)效益

0　引言

利用水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)，攔蓄洪尾、適度超蓄、減少水庫的無效棄水，可以充分利用洪水資源，顯著增加經(jīng)濟(jì)效益［1-5］。近年來，利用水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)洪水資源化的研究已廣泛開展［6］，丁偉等［7］研究預(yù)蓄預(yù)泄的汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法，根據(jù)洪水預(yù)報(bào)信息，對(duì)尼爾基水庫進(jìn)行水位實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了水庫汛限水位的提高；劉招等［8］將預(yù)泄能力約束法運(yùn)用到安康水庫的洪水資源化調(diào)度中，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益；周惠成等［9］以碧流河水庫為研究背景，運(yùn)用綜合信息模糊推理的方法，研究汛限水位動(dòng)態(tài)控制的效益及風(fēng)險(xiǎn)；張艷平［10］針對(duì)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)的矛盾性，采用決策調(diào)度法對(duì)大伙房水庫進(jìn)行水庫調(diào)度。目前，洪水資源化研究主要集中于調(diào)節(jié)性能較高的大中型水庫［11-14］。

航電樞紐一般屬于調(diào)節(jié)能力較低的河道型樞紐工程，庫區(qū)狹長(zhǎng)，水面線隨入庫流量、壩前水位以及出庫流量等變化，庫區(qū)淹沒問題成為制約水庫蓄水的關(guān)鍵因素。由于航電樞紐的特殊性，針對(duì)其洪水資源化的研究較少。本文以贛江上某航電樞紐為研究背景，利用洪水漲落段水面線的差異，在不增加庫區(qū)淹沒的前提下，通過攔蓄洪水尾實(shí)現(xiàn)航電樞紐超蓄運(yùn)行，以提高航電樞紐發(fā)電效益。

1　基本原理

1.1研究思路

由于河道型動(dòng)庫容水面線的影響，確定航電樞紐正常高水位時(shí)，一般需滿足庫區(qū)淹沒控制的要求。水庫庫區(qū)回水水面線隨著入庫流量的變化而變化，當(dāng)洪水處于漲洪段時(shí)，水面附加比降隨入庫流量的增加而加大，即水力坡度隨入庫流量的增加而加大，因此航電樞紐設(shè)計(jì)時(shí)，通常起控制作用的是漲洪段；當(dāng)洪水進(jìn)入退水段時(shí)，水面附加比降減小，維持淹沒控制斷面的淹沒控制水位不變，水庫壩前水位允許適當(dāng)抬升?；谒婢€的這一變化規(guī)律，可以考慮在洪水退水段攔蓄洪水尾部的部分水量，實(shí)現(xiàn)洪水資源化利用。圖1為航電樞紐洪水資源化示意圖，其中斷面AA'為庫區(qū)淹沒控制斷面，陰影部分表示超蓄水量。

圖1　超蓄示意

綜上所述，利用洪水漲落段動(dòng)力特性差異，可以在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，提高水資源利用率。從技術(shù)層面看，實(shí)現(xiàn)航電樞紐洪水資源化需要解決以下三個(gè)問題：①洪水過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水面線的模擬；②超蓄時(shí)機(jī)的確定；③超蓄水位的確定。

1.2洪水過程動(dòng)態(tài)水面線計(jì)算

采用一維水力學(xué)模型計(jì)算洪水過程的動(dòng)態(tài)水面線，描述一維明渠非恒定流的基本方程由連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，表征水力要素與距離s和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系［15］

式中，A、Q、qL分別為過水面積、河道斷面流量、旁側(cè)入流當(dāng)無旁側(cè)入流時(shí)，qL為0；v、g、h、i、J分別為水流速度、重力加速度、水面至渠底的高度、明渠底坡以及水力坡度。

本文將預(yù)報(bào)入庫流量過程作為上邊界條件，根據(jù)不同的計(jì)算需要，分別選擇水庫壩前水位或出庫流量作為下邊界條件，采用四點(diǎn)線性隱式差分格式對(duì)微分方程進(jìn)行離散化求數(shù)值解，輸出各個(gè)斷面的水位、流量，從而求得各時(shí)刻的河道瞬時(shí)水面線。

1.3蓄水時(shí)機(jī)和超蓄水位的確定

1.3.1考慮預(yù)報(bào)誤差的淹沒控制斷面水位

在實(shí)際調(diào)度過程中，依據(jù)的流量過程為淹沒控制斷面的預(yù)報(bào)流量過程。由于預(yù)報(bào)模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等多重不確定性因素的存在，預(yù)報(bào)誤差不容避免。為了防止預(yù)報(bào)誤差導(dǎo)致實(shí)際淹沒線超過設(shè)計(jì)淹沒線，在實(shí)時(shí)調(diào)度中，庫區(qū)淹沒控制水位應(yīng)在設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上留有余地。通過對(duì)歷史預(yù)報(bào)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到預(yù)報(bào)流量誤差ΔQ（ΔQ=Q預(yù)報(bào)-Q實(shí)測(cè)）的概率分布密度函數(shù)為f（ΔQ），對(duì)于防洪安全而言，只關(guān)注預(yù)報(bào)流量偏小的一側(cè)（見圖2）。

圖2　預(yù)報(bào)流量誤差密度函數(shù)

取α=5%確定相應(yīng)預(yù)報(bào)流量誤差值ΔQ*，通過淹沒控制斷面的水位流量關(guān)系，確定水位安全閾值ΔZ，在實(shí)際控制過程中淹沒控制條件為

式中，Zm為庫區(qū)設(shè)計(jì)淹沒控制線在淹沒控制斷面處的水位值（見圖1）；Zh為調(diào)度期內(nèi)最高水面線在淹沒控制斷面處的水位值。

1.3.2超蓄時(shí)機(jī)與超蓄量確定

航電樞紐洪水資源化是在確保不增加庫區(qū)淹沒的前提下利用動(dòng)庫容實(shí)現(xiàn)超蓄運(yùn)行，水庫超蓄運(yùn)行過程中，壩前水位的超高也必須限制在允許的范圍內(nèi)。在這種情況下，超蓄控制條件分別為：上游淹沒控制斷面水位不超過Zk、壩前水位不超過Ze，參見圖3。

圖3　超蓄控制條件

由于不同場(chǎng)次洪水的尾水形態(tài)不盡相同，對(duì)應(yīng)水面線的形態(tài)也可能出現(xiàn)以下兩種情形：其一，壩前水位率先達(dá)到水庫允許超蓄的上限值Ze，此時(shí)淹沒控制斷面水位低于淹沒控制斷面實(shí)際允許水位上限值Zk，如圖3中虛線所示；其二，淹沒控制斷面水位率先達(dá)到該斷面實(shí)際允許水位上限值Zk，此時(shí)壩前水位低于水庫允許超蓄的上限值Ze，如圖3中實(shí)線所示。在退水過程中，這兩種情形都可能會(huì)經(jīng)過，但對(duì)于某場(chǎng)特定洪水的退水過程，難以預(yù)見何種情形首先出現(xiàn)。為了規(guī)避超蓄風(fēng)險(xiǎn)，在超蓄方式上應(yīng)采用對(duì)防洪有利的晚蓄方案，盡可能推遲蓄水，因此宜采用后出現(xiàn)的時(shí)間作為超蓄時(shí)機(jī)（即實(shí)際操作中的關(guān)閘時(shí)機(jī)）。

超蓄時(shí)機(jī)選擇是超蓄的關(guān)鍵，過早則會(huì)造成攔蓄過度，需要二次開閘泄洪，過晚則會(huì)造成攔蓄不足，不能達(dá)成理想的超蓄目標(biāo)。為了盡量減少閘門啟閉次數(shù)，應(yīng)根據(jù)本次洪水的退水規(guī)律與出庫流量過程選擇適當(dāng)?shù)某顣r(shí)機(jī)。主要計(jì)算步驟如下：

（1）設(shè)退水段預(yù)報(bào)流量過程為Q（t）（t=1，2，…，T）。

（2）以退水段預(yù)報(bào)流量過程Q（t）為上邊界條件，以水庫正常高水位Z0為下邊界條件，得出相應(yīng)的出庫流量過程q（t）（t=1，2，…，T）。

（3）當(dāng)超蓄時(shí)機(jī)τ一定時(shí)，水庫出流過程^q（t）τ分為兩段：在τ之前為步驟（2）的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)水庫處于防洪狀態(tài)；在τ之后關(guān)閘蓄水，此時(shí)水庫處于興利蓄水狀態(tài)，水庫下泄流量為發(fā)電流量。即水庫出流過程

式中，τ為關(guān)閘時(shí)機(jī)；qm為關(guān)閘蓄水后的發(fā)電流量。

（4）假定一組τ，以退水段預(yù)報(bào)流量過程Q（t）為上邊界條件，以水庫出流過程^q（t）τ為下邊界條件，計(jì)算各個(gè)τ值對(duì)應(yīng)的調(diào)度期內(nèi)最高水面線，得到該水面線對(duì)應(yīng)壩址斷面處水位Zem以及淹沒控制斷面處水位Zkm與τ的相關(guān)關(guān)系圖4。

圖4　τ與Zem和Zkm的相關(guān)關(guān)系

（5）為了防洪安全，取水庫關(guān)閘時(shí)機(jī)

（6）以退水段預(yù)報(bào)來水過程Q（t）為上邊界條件，以水庫正常蓄水位為下邊界條件，得到不超蓄時(shí)期水面線；仍以Q（t）為上邊界條件，下邊界條件改為水庫出流過程^q（t）τ*，得到超蓄時(shí)期水面線，此時(shí)兩水面線之間的水量即為超蓄水量ΔW，即

式中，i為斷面序號(hào)，i=1，2，…，n；Z1，i、Z2，i分別為超蓄水面線、不超蓄水面線在斷面i處的水位值；li為斷面i與斷面i+1之間的距離；Bi為斷面i與斷面i+1之間的平均河寬。

2　實(shí)例研究

贛江某航電樞紐是一個(gè)以航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電等水資源綜合利用的河道型航電樞紐，水庫正常蓄水位56.5 m，最高允許超蓄水位57.0 m，電站總裝機(jī)容量120 MW，年平均發(fā)電量為5.27億kW·h。古樟樹林?jǐn)嗝鏋槠渖嫌窝蜎]控制斷面，設(shè)計(jì)淹沒控制水位57.48 m，包括壩址與淹沒控制斷面在內(nèi)共設(shè)置11個(gè)計(jì)算斷面。某場(chǎng)預(yù)報(bào)小洪水退水段24 h預(yù)報(bào)流量過程見表1。關(guān)閘時(shí)機(jī)τ與調(diào)度期內(nèi)最高水面線對(duì)應(yīng)壩址斷面處水位Zem以及淹沒控制斷面處水位Zkm的關(guān)系見圖5。

表1　預(yù)報(bào)來水過程　m3/s

圖5　τ與Zem和Zkm的關(guān)系

根據(jù)預(yù)報(bào)誤差分析確定庫區(qū)淹沒控制斷面水位安全閾值為0.2 m，即防洪控制斷面處實(shí)際允許的最高水位值Zk為57.28 m，樞紐壩前超蓄水位的上限值Ze為57.00 m。由圖5得出τ1為7，τ2為6；根據(jù)式（4），取τ=7，即此次洪水退水過程起控制作用的是壩前最高水位，淹沒控制斷面水位低于57.28 m。圖6為不超蓄（即以水庫正常高水位為下邊界）水面線、τ=7時(shí)相應(yīng)的超蓄水面線以及設(shè)計(jì)淹沒水面線。

圖6　超蓄與不超蓄水面線及設(shè)計(jì)淹沒控制線

利用式（5）求得超蓄水量ΔW為9.05×106m3，01∶00～07∶00這一時(shí)段內(nèi)水庫的平均發(fā)電水頭為6.48 m，相應(yīng)的單耗為61.98 m3/kW·h，可增發(fā)電量14.60萬kW·h。

3　結(jié)語

本文提出的利用洪水漲落段動(dòng)力特性差異，以上游淹沒控制斷面水位、壩前水位作為超蓄控制條件，通過洪水過程動(dòng)態(tài)水面線模擬，確定超蓄時(shí)機(jī)與超蓄水位。應(yīng)用實(shí)例表明：通過攔蓄中小洪水洪尾，允許水庫適當(dāng)超蓄，可以在不擴(kuò)大庫區(qū)允許淹沒范圍、不降低樞紐設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，有效減少航電樞紐汛期的無效棄水，顯著提高航電樞紐的發(fā)電效益，從而提高了航電樞紐的經(jīng)濟(jì)效益。研究?jī)?nèi)容對(duì)航電樞紐中小洪水資源化具有參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯陳萍）

猴子巖地下廠房洞室群高地應(yīng)力條件下圍巖穩(wěn)定性施工跟蹤專題通過驗(yàn)收

2015年12月24日，《猴子巖水電站地下廠房洞室群高地應(yīng)力條件下圍巖穩(wěn)定性施工跟蹤專題研究》報(bào)告通過驗(yàn)收。

參會(huì)單位的專家和代表聽取了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 對(duì)猴子巖地下廠房洞室群高地應(yīng)力條件下圍巖穩(wěn)定性施工跟蹤專題專題報(bào)告主要內(nèi)容的匯報(bào)，并進(jìn)行了認(rèn)真的討論和審議。會(huì)議評(píng)審認(rèn)為，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 完成的專題報(bào)告研究資料收集詳實(shí)，分析合理，結(jié)論基本可靠，滿足合同要求，同意通過驗(yàn)收。

猴子巖地下廠房洞室群地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，變形量大，地下廠房開挖至第四層時(shí)圍巖變形量達(dá)162mm，其變形為當(dāng)前世界最大，硐室群施工期圍巖穩(wěn)定性是工程安全的重大工程地質(zhì)問題。地下廠房施工初期，圍巖穩(wěn)定問題突出，為此，我院委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 開展了猴子巖水電站地下廠房洞室群高地應(yīng)力條件下圍巖穩(wěn)定性施工跟蹤專題研究。

跟蹤專題研究由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（ 武漢） 徐光黎教授帶領(lǐng)的課題團(tuán)隊(duì)承擔(dān)。2013年6月至2015年5月團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了猴子巖廠區(qū)三大硐室大量的資料收集和分析工作，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。專題研究成果為保證猴子巖水電站地下廠房硐室群施工安全和設(shè)計(jì)處理提供了重要的地質(zhì)資料。

該專題研究成果應(yīng)用了最新的科研技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)際，為解決現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)問題，提供了重要的地質(zhì)依據(jù)；專題報(bào)告創(chuàng)新點(diǎn)較多，初次提出了適合高地應(yīng)力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法（GHC） 以及首次研究了地下硐室群圍巖EDZ 演化規(guī)律及其劃分標(biāo)準(zhǔn)等，具有推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)后續(xù)工程具有重要的指導(dǎo)意義。

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）

Study on the Method of Small and Medium Flood Utilization in Navigation Power Junctions

CHEN Yuting1，ZHONG Pingan1，XU Bin1，LIU Yu2
（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The intercepting and storing of flood tail by flood control capacity of reservoir is an important measure of flood resources utilization.Taking the navigation power junction project which has a low regulation performance as study object，the flood resources utilization method of small and medium floods is proposed.Based on real-time flood forecasting，the dynamic water line is calculated by one-dimensional unsteady flow mechanics model.Taking the submerged control water line of reservoir area as the constraint，the water level upper limit values of the flood control section and dam site section are determined respectively，and then the time of gate closing can be acquired according to the law of flood extinction.A navigation power junction in Ganjiang River is taken as the study case and it obtains substantial economic benefits.

navigation power junction；flood resources utilization；water surface line；time of closing gate；economic benefit

TV697.1

A

0559-9342（2016）02-0080-04

2015-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179044；51379055）

陳宇婷（1991—），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與管理；鐘平安（通訊作者）.