白鶴灘蓄水期向家壩控泄對下游航道影響分析*

畢明亮，潘 增，邢 龍，唐玉川，陳忠賢，孫志峰

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 武漢430010)

白鶴灘水電站開發(fā)任務是以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運，并促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展[1]的巨型水電工程。根據(jù)白鶴灘水電站發(fā)電計劃安排，電站于2021年4月初下閘蓄水，5月底蓄至760 m，對應蓄水量77.35億m3，7月1日實現(xiàn)首批機組投產(chǎn)發(fā)電，經(jīng)對電站壩址歷史同期入庫徑流分析測算，僅靠攔蓄壩址天然入庫徑流無法滿足電站蓄水要求。根據(jù)白鶴灘水電站批復蓄水計劃[2]，白鶴灘蓄水須考慮上游雅礱江梯級及烏東德水庫，下游溪洛渡、向家壩水庫配合運用，且最小下泄流量不低于下游河段最小生態(tài)承載基流。溪洛渡水庫庫尾上接白鶴灘水電站，《金沙江白鶴灘水電站水庫蓄水論證專題報告》[3]指出，當溪洛渡水庫庫水位高于580 m時，庫尾尾水可銜接至白鶴灘壩址；《白鶴灘水電站環(huán)境影響報告書》批復意見[4]要求，溪洛渡梯級水庫銜接時，白鶴灘最小下泄流量為1 160 m3/s，不銜接時最小下泄流量為640 m3/s。向家壩水庫作為溪洛渡水電站反調(diào)節(jié)水庫，3—5月期間基本維持出入庫平衡狀態(tài)；為最大限度配合白鶴灘蓄水，2021年3—5月，在滿足向家壩水電站下游過機船舶正常航行情況下，溪洛渡、向家壩水電站須逐步減少下泄流量，以實現(xiàn)盡可能延長溪洛渡580 m以上銜接庫水位時間的目的。

本文在結(jié)合前期有關研究成果的基礎上，利用最新地形數(shù)據(jù)，建立了向家壩—瀘州河段一維非恒定流數(shù)學模型，模擬計算向家壩水電站下游最低通航水位對應最小下泄流量，并根據(jù)向家壩水電站實際日調(diào)節(jié)出庫流量運行特點，制定對應日調(diào)節(jié)出庫流量方案，初步分析白鶴灘蓄水期間向家壩水電站控泄對下游航道的影響，可為白鶴灘蓄水期或向家壩水電站特枯年份的出庫調(diào)度提供參考。

1 向家壩下游航道及水流條件概況

1.1 航道概況

水富—宜賓是長江航道的上游延伸段，為Ⅴ級航道并按IV級標準維護，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，匹配設計的向家壩升船機為IV級航道標準?！笆晃濉逼陂g，通過對宜賓—重慶30余處礙航險灘整治處理，目前已達到Ⅲ級標準，維護尺度為2.7 m×50 m×560 m(水深×航寬×彎曲半徑，下同)，保證率為98%，航道維護等級、航標配布類別均為一類[5]。敘渝航道實行分月維護尺度，分別按12—4月的2.7 m×50 m×560 m、5和11月的3.2 m×60 m×600 m、6和10月的3.5 m×60 m×600 m、7—9月的3.7 m×80 m×700 m執(zhí)行[6]。2017年起，敘渝航道維護尺度進一步提升，最低航道水深由2.7 m提升至2.9 m，為全力配合白鶴灘蓄水，白鶴灘蓄水期間，交通運輸部長江航務管理局臨時調(diào)整敘渝航道最低通航水位至2.7 m，對應宜賓合江門水位257.27 m。

1.2 河道非恒定流特征

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個梯級，下游約3.5和31.5 km處有橫江和岷江兩條支流匯入。文獻[7-10]的研究結(jié)果表明，電站日調(diào)節(jié)產(chǎn)生的非恒定流使下游河道水位變幅、流速、流態(tài)等較天然條件均變化巨大，且敘瀘段水流條件受向家壩水電站日調(diào)節(jié)、岷江來水共同影響，波幅、波形與向家壩水電站下泄調(diào)節(jié)過程符合度更高，并隨著傳播距離增加而衰減，至合江波形基本完全坦化；電站滿發(fā)運行時調(diào)峰、切機等會引起下游河道水位劇烈變化，并呈以下規(guī)律：切機臺數(shù)越多，下游水位變幅越劇烈，需補水量越大，時間越短，當切機臺數(shù)超過2臺時，水位變幅將超過航運允許水位最大時變幅。

2 向家壩下游非恒定流數(shù)學模型構(gòu)建

《金沙江向家壩水電站水庫運用和電站運行調(diào)度規(guī)程(試行)》[11]規(guī)定，向家壩水電站下游最低通航水位為265.8 m，相應流量為1 200 m3/s。實際上，電站下游水位受橫江、岷江頂托，河道沖刷下切等因素影響，最低通航水位相應流量呈持續(xù)上升趨勢，吳垠等[12]采用長系列法，結(jié)合2009—2012年整編資料分析岷江、橫江來水對向家壩下游水位頂托影響，得出岷江、橫江來水與下游河道水位頂托呈正相關關系，來水越大，頂托量越大，反之越?。粍⒂碌萚13]采用保證頻率法、反推流量法、天然入?yún)R分配法等分析向家壩電站最小下泄流量為1 296 m3/s；潘增等[14]采用一維非恒流模型定量分析向家壩水電站相同出庫流量條件下，得出2015—2017年期間河床下切使向家壩專用水文站汛期、枯期平均水位分別下降了0.25、0.15 m。

鑒于向家壩水電站下游最低通航水位對應最小下泄流量受岷江、橫江來水和地形沖刷影響，且呈持續(xù)發(fā)展變化趨勢。本文以最新地形測量數(shù)據(jù)，向家壩—宜賓江段采用2020年1:2 000實測地形數(shù)據(jù)，宜賓—瀘州江段采用2019年實測固定斷面數(shù)據(jù)建立向家壩—瀘州一維非恒定流數(shù)學模型。

2.1 控制方程

山區(qū)一維非恒流運動過程遵循圣維南方程組原理，具體可表述為求解圣維南方程組連續(xù)性方程和動量方程，形式如下[15-18]：

(1)

式中：A為過流斷面面積(m2)；t為時間(s)；Q為流量(m3/s)；x為水流方向的水平距離(m)；q為單位河長側(cè)向入流流量(m3/s)；α為動量校正系數(shù)；h為水位(m)；C為謝才系數(shù)(m0.5/s)；R為水力半徑(m)。

2.2 計算范圍與邊界條件

王立杰等[19]的研究結(jié)果表明，向家壩水電站日調(diào)節(jié)非恒定流最遠影響至合江段，結(jié)合電站下游沿程站點分布和實測地形數(shù)據(jù)情況，本次計算河段范圍為向家壩壩址—瀘州水位站，計算河段全場約165 km。壩址—宜賓河段以2020年1:2 000實測地形數(shù)據(jù)為基礎，以200 m間隔剖取典型代表斷面；宜賓—瀘州河段采用2019年實測河道斷面數(shù)據(jù)，斷面間距根據(jù)沿程河床走勢間隔500～2 700 m不等，模型斷面總計302個，河道斷面地形資料良好，能較好反映河道沿程變化情況。計算斷面分布情況如圖1所示。

圖1 向家壩—瀘州一維非恒定流斷面布設

由圖1可看出，模型上邊界為向家壩壩址處，并以日調(diào)節(jié)出庫流量過程為控制條件，下邊界為瀘州水位站處，并以水位流量關系為控制條件；模型考慮岷江、橫江、沱江河口處側(cè)向流量匯入，并以入?yún)R流量過程作為控制條件。

2.3 模型率定與驗證

模型參數(shù)準確性是模型能否真實反映非恒定流演進過程的關鍵，向家壩水電站配合白鶴灘蓄水調(diào)節(jié)時段為3—5月，處于枯水期。本文旨在探索向家壩水電站在此期間減少下泄流量對下游河道航運影響。向家壩調(diào)節(jié)出庫流量影響范圍主要集中在水富—宜賓江段，對宜賓—瀘州江段影響較小。因此，選取同期2020年最枯時段2—3月，2021年最枯時段2月長系列實測水位、流量數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定，并以沿程向家壩、三塊石、普安、大雪灘、宜賓、沙坪、李莊等站點實測數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定。

根據(jù)向家壩—瀘州區(qū)間各驗證站點位置關系分段設置河床糙率，并按率定、驗證期各站點實際水位過程分別賦予高、中、低水位3個區(qū)間糙率，經(jīng)率定計算河段低、中、高水位糙率值分別介于0.043～0.069、0.037～0.062、0.036～0.060，河床糙率總體呈低水位高于中水位、中水位高于高水位趨勢。向家壩站和普安站率定期和驗證期水位對比見圖2、3?？梢钥闯?，在率定期2020年2—4月，向家壩站和普安站實測水位與模擬值對比良好，向家壩站在率定期模擬最大誤差為0.334 m，普安站在率定期模擬最大誤差為0.296 m；驗證期的時間選擇為2021年2—3月，向家壩站在驗證期模擬最大誤差為0.391 m，普安站在率定期模擬最大誤差為0.424 m。

圖2 率定期模擬結(jié)果

圖3 驗證期模擬結(jié)果

向家壩—李莊各監(jiān)測站點2020、2021年枯水期最枯時段平均模擬誤差見表1，結(jié)合圖2、3的長系列模擬結(jié)果可知，各監(jiān)測站模擬平均誤差隨水流演進呈增大趨勢，即下游水位站點的模擬平均誤差大于上游模擬站點平均誤差，在宜賓站平均誤差達到最大值，最大值不足0.2 m，相比于該處水深而言，誤差占比較小。分析原因可能是受到河道斷面地形、河道斷面布設以及河網(wǎng)概化等原因的影響?？傮w而言，除極少數(shù)點水位突變情況外，其他時間以及站點水位誤差基本滿足要求，因此可以認為向家壩—瀘州一維非恒定流數(shù)學模型模擬效果較好，滿足計算精度要求。

表1 各監(jiān)測站水位模擬平均誤差

3 向家壩控泄非恒定流模擬與分析

3.1 工況擬定

3.1.1工況制定原則

向家壩水電站以發(fā)電為主，制定電站出庫流量計劃時，原則上應以發(fā)電需求為主，王永強等[20]基于此提出向家壩水電站枯水期可兼顧下游航運要求的發(fā)電運行方式。本文則是基于白鶴灘水庫蓄水期各有關部門批復的有關溪洛渡、向家壩水庫調(diào)度要求，即溪向水電站應在滿足自身發(fā)電、通航等正常需求前提下，逐步減少下泄流量配合白鶴灘水庫蓄水?！督鹕辰蚣覊嗡娬舅畮爝\用和電站運行調(diào)度規(guī)程(試行)》規(guī)定，電站運行初期下游升船機最低通航水位為265.8 m，日調(diào)峰運行時下游水位最大日變幅暫按不超過4.5 m/d控制；經(jīng)對向家壩水電站下游通航水流條件進一步研究論證，交通運輸部辦公廳關于《金沙江向家壩水電站升船機運行期(初期)航運調(diào)度方案》的復函[21]規(guī)定，正常情況下，電站下游水位最大日變幅按不超過3 m/d控制，最大小時變幅按不超過1 m/h控制，特殊情況下，電站下游最大日變幅按不超過4.5 m/d控制。本文按有關部委最新批復蓄水要求和向家壩水電站航運調(diào)度規(guī)定原則執(zhí)行，優(yōu)化白鶴灘蓄水期間向家壩水電站出庫調(diào)度方式。

3.1.2邊界條件擬定

敘渝航段航道等級為Ⅲ級，維護尺度為2.7 m×50 m×560 m，保證率為98%。橫江、岷江支流入?yún)R流量按相同98%保證率考慮，通過對向家壩水電站投產(chǎn)運行后的橫江、岷江同期3—5月徑流系列分析測算，支流橫江98%保證率對應流量為70 m3/s，支流岷江98%保證率對應流量為700 m3/s。向家壩水電站下游實際航運調(diào)度運行及文獻[12]的結(jié)果表明，下游航運除受電站日調(diào)節(jié)形成的非恒定流影響外，還受岷江非恒定流洪水頂托影響。因此，本文橫江入?yún)R流量按恒定70 m3/s考慮，岷江入?yún)R流量按恒定700 m3/s和同期遭遇典型洪水兩種工況考慮。

《金沙江向家壩水電站水庫運用和電站運行調(diào)度規(guī)程(試行)》規(guī)定，下游升船機最低通航水位為265.8 m，相應流量為1 200 m3/s。文獻[14]的結(jié)果表明，向家壩水電站最低通航水位對應最小下泄流量受河床沖刷影響，呈持續(xù)發(fā)展變化趨勢；為滿足下游通航需求，向家壩水電站實際運行過程中，按最小下泄流量不低于1 700 m3/s控制。本文分別按恒定1 700、1 600、1 500、1 400、1 300、1 200 m3/s逐級遞減假定向家壩出庫流量。

事實上，水富—宜賓江段行駛船只，除過機船舶外，存在部分翻壩轉(zhuǎn)運船舶。若持續(xù)按研究確定的最小下泄流量下泄，可能導致翻壩船舶減載，對下游航運造成不利影響。本文在確定最小下泄流量后，根據(jù)電站日調(diào)峰運行規(guī)律，通過白天加大下泄按1 700 m3/s恒定下泄，夜間減少下泄按最小通航流量出流，對向家壩出庫流量進行優(yōu)化。數(shù)值模型恒定輸入流量以及優(yōu)化方案輸入流量隨時間變化過程線見圖4，優(yōu)化方案在白天時段按照1 700 m3/s恒定下泄，夜間按照最小通航流量進行下泄。支流岷江流量輸入過程線見圖5，即按照700 m3/s流量恒定下泄和按照同期典型遭遇過程下泄兩個方案進行研究計算。

圖4 向家壩水電站擬定出庫流量工況

圖5 岷江擬定側(cè)向入?yún)R流量工況

3.2 結(jié)果分析

3.2.1擬定工況下游河道非恒定流特征分析

通過對向家壩水電站各級恒定出流，支流橫江70 m3/s、支流岷江700 m3/s恒定側(cè)向入流工況模擬計算，得出向家壩、三塊石、普安、大雪灘、宜賓、沙坪、李莊各站點穩(wěn)定計算水位如圖6所示。

由圖6可看出，各監(jiān)測站點水位與向家壩出庫流量呈明顯線性關系，即出庫流量越大，水位越高；向家壩下游最低通航水位265.8 m對應流量約為1 520 m3/s；且當向家壩水電站按1 520 m3/s出庫流量穩(wěn)定下泄時，宜賓合江門水位約257.30 m，高于零點水位257.27 m。因此，向家壩水電站最低通航流量約為1 520 m3/s。

為減緩因電站減少下泄對翻壩轉(zhuǎn)運船舶的影響。根據(jù)擬定工況，夜間按確定的最小通航流量下泄，白天按1 700 m3/s下泄，支流橫江按恒定70 m3/s匯入，支流岷江按恒定700 m3/s和向家壩加大下泄時遭遇岷江典型流量過程兩種工況匯入。計算得出沿程各監(jiān)測站點水位變化過程如圖7所示。

圖7 向家壩水電站調(diào)節(jié)出庫后沿程監(jiān)測電站水位變化情況

由圖7可看出，當向家壩水電站按白天加大下泄，夜間減少下泄方式調(diào)節(jié)出庫流量時，向家壩下游最大水位變幅為0.31 m；電站調(diào)峰引起的水波波形前鋒大約2 h后傳播至合江門，并且整個起漲過程可持續(xù)大約16 h，期間合江門最大水位日變幅約0.3 m，對下游船舶影響較小。當電站調(diào)峰遭遇岷江典型流量過程時，合江門上下游附近水域受岷江來水作用頂托明顯，最大可致使合江門接近1 m水位的日變幅，對下游船舶航行存在一定影響，船舶可根據(jù)向家壩、岷江來水情況在水富港或宜賓港靠泊。

3.2.2沿程斷面最小航道寬度分析

水富—宜賓江段是長江航道的上游延伸段，屬IV級航道，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，宜賓—重慶江段屬Ⅲ航道。本文按最高等級Ⅲ級進行分析，根據(jù)《長江干流通航標準》[22]對長江干線航道尺度要求，Ⅲ級航道吃水在2.4～3.0 m，對于1 000噸級升船機過機船舶，航寬不小于80 m。目前，向家壩升船機實際過機吃水按2.2 m控制，并按不低于0.3 m富余水深考慮；通過對向家壩水電站最小下泄流量工況下，沿程斷面2.5 m水深寬度統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，除下游燒瓦沱碼頭附近水域?qū)?.5 m水深航道寬度接近80 m外，其余斷面水深寬度均滿足過機船舶航行需要。

通過對燒瓦沱碼頭上下游水域水下地形研究分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域河道屬于寬淺型河道，電站白天按1 700 m3/s下泄時，對應水位約263.85 m，可較最小計算通航流量1 520 m3/s對應的水位263.6 m抬升約0.25 m，可擴寬對應2.5 m水深寬度約20 m，能適當緩解翻壩轉(zhuǎn)運船舶減載壓力。燒瓦沱碼頭附近水域最窄斷面水深寬度見圖8。

圖8 燒瓦沱碼頭水域斷面水深寬度

4 結(jié)論

1)通過模擬計算向家壩水電站1 700 m3/s逐級遞減至1 200 m3/s各級出庫流量下游河道水位情況，初步明確電站下游最低通航水位265.8 m對應下泄流量為1 520 m3/s。

2)根據(jù)向家壩水電站運行特點，制定了電站日調(diào)節(jié)出庫方案，可適當緩解白鶴灘蓄水期向家壩翻壩轉(zhuǎn)運船舶積壓情況，并可為向家壩水電站特枯年份時電站通航出庫調(diào)度提供參考。

3)向家壩水電站按最小通航流量下泄時，水富—宜賓段航道變化明顯，電站運行單位應及時向有關人員通報水情信息；同時，為避免船舶發(fā)生擱淺、觸礁等事故，建議行業(yè)主管部門及時調(diào)整航標位置，并在燒瓦沱等險灘水域安排經(jīng)驗豐富船長提供駕引指導。