溪洛渡水電站壩下游河道非恒定流特性研究

杜 澤 東，董 先 勇，秦 蕾 蕾，楊 天 冉

(1.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610041； 2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

溪洛渡水電站地處金沙江下游溪洛渡峽谷段，電站上下游水頭差超過200 m，具有“窄河谷、高拱壩、巨泄量”的特點(diǎn)。其兼顧上下游梯級電站聯(lián)合調(diào)度，存在調(diào)峰、泄洪、機(jī)組切換和切機(jī)等運(yùn)行工況，下泄流量變幅大、轉(zhuǎn)換頻率高，將使壩下游河道形成強(qiáng)烈的非恒定流，造成下游河道水位陡漲陡落，水面比降變化快，流態(tài)惡化，對船舶航行安全及港口、碼頭的正常作業(yè)造成影響。因此，研究溪洛渡水電站不同下泄流量條件下，下游河道非恒定流特性，對保障船舶航行安全及碼頭正常作業(yè)具有重要意義。

19世紀(jì)70年代圣維南提出非恒定流偏微分方程，為非恒定流研究提供了理論支持。國內(nèi)外眾多學(xué)者從非恒定流的控制測量[1-2]到非恒定流水流特性[3-4]，以及輸沙等方面進(jìn)行了研究[5-6]，在一定程度上加深了人們對非恒定流傳播規(guī)律的認(rèn)識。牛蘭花等[7]對三峽電站調(diào)峰試驗(yàn)中非恒定流出現(xiàn)順漲波和逆漲波的雙峰現(xiàn)象進(jìn)行了研究。伍寧[8]將一維圣維南方程組用于非恒定流研究，對解決非恒定流的一些實(shí)際水文問題進(jìn)行了初步分析和探討。張波[9]通過建立二維非恒定流數(shù)學(xué)模型，對烏江渡樞紐非恒定流下泄對下游航道的影響進(jìn)行了研究。管益平等[10]利用圣維南方程研究了彭水電站下泄水流對下游航運(yùn)的影響，并提出電站運(yùn)行對策。楊明遠(yuǎn)等[11]建立了北江白石窯樞紐壩下至飛來峽樞紐壩下約75 km的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，對樞紐下游航道非恒定流進(jìn)行了深入研究。錢紅露等[12]采用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型研究了烏東德水電站運(yùn)行對下游河道水位變幅的影響，并初步提出了保障通航安全的水位變幅控制措施。上述研究主要集中在數(shù)學(xué)模型計算分析、原型觀測等方面。本文采用大比例尺河道物理模型，對溪洛渡電站不同下泄流量條件下，壩下游15 km河道的非恒定流特性進(jìn)行研究，掌握非恒定流水位、流量、垂線平均流速變化規(guī)律，保障船舶航行安全及碼頭正常作業(yè)。

1 研究區(qū)域

1.1 基本水情站網(wǎng)

溪洛渡水電站控制流域面積約3萬km2，地處亞熱帶季風(fēng)氣候，具有干濕季分明、雨熱同季、立體氣候明顯等特點(diǎn)，當(dāng)年11月至次年4月為干季，5～10月為雨季，雨季集中了年降水量的85%以上。溪洛渡水電站壩址多年平均流量4 620 m3/s，年平均徑流量1 466億 m3，壩下游也即向家壩庫區(qū)干流沿程自上至下分別有溪洛渡水文站，中心場、檜溪、冒水、新市、綏江、石溪、屏山等水位站，以及向家壩水文站，如圖1所示。

圖1 溪洛渡水電站下游水文(位)站分布Fig.1 Distribution of hydrological and gauging stations in the downstream of Xiluodu Hydropower Station

1.2 溪洛渡水電站壩下游河道沿程水位特性

為掌握溪洛渡水電站壩下游河道沿程水位流量特性，對溪洛渡水電站下游河道進(jìn)行了原型觀測。根據(jù)實(shí)測水位流量數(shù)據(jù)可知，受向家壩水庫蓄水影響，每年1～5月及11～12月的非汛期，溪洛渡水文站水位高于下游距其27.33 km的檜溪水位站水位，高差在1.50 m以內(nèi)；檜溪水位站與新市水位站水位高差較小，在0.10 m以內(nèi)。每年6～10月的汛期，溪洛渡水文站與檜溪水位站水位高差相比非汛期顯著加大，兩站間平均水位高差達(dá)3.24 m；檜溪水位站與新市水位站水位高差相比非汛期也顯著增加，最大高差達(dá)1.80 m。溪洛渡水電站下游典型水文(位)站水位變化過程見圖2。溪洛渡水文站水位流量過程線見圖3。

圖2 典型水文(位)站水位變化過程Fig.2 Water level process of typical hydrological and gauging stations

圖3 溪洛渡水文站流量和水位過程Fig.3 Flow and water level process at Xiluodu Hydrological Station

在非汛期，受向家壩水庫蓄水影響，溪洛渡水電站壩下游各水文(位)站均位于向家壩回水影響范圍內(nèi)，水面比降較為平緩；汛期，向家壩水電站按控制水位運(yùn)行，水位較低，檜溪水位站以上河道水面存在明顯比降。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計

本文選取溪洛渡水電站壩下游總長度約15 km長的河道構(gòu)建物理模型，對該河道的非恒定流進(jìn)行研究。為保證模型下泄非恒定流與原型水流相似，模型模擬范圍包括溪洛渡水電站壩址上游500 m、各樞紐建筑物及壩址下游15 km河道，采用正態(tài)模型，長度比尺1∶100。同時為便于分析溪洛渡水電站下泄水流對下游河道非恒定流的影響，本文選取3個典型斷面進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)河道各典型斷面信息見表1，各斷面位置見圖4。

表1 試驗(yàn)河道典型斷面信息

圖4 研究河道物理模型試驗(yàn)要素示意Fig.4 Schematic diagram of the test elements of the physical model of the studied reach

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

通過對溪洛渡水電站下泄水流規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合電站運(yùn)行調(diào)度情況，根據(jù)不同流量變幅及流量變化率，在向家壩水電站運(yùn)行水位372.00 m時，設(shè)置6種代表性試驗(yàn)方案。同時選取方案6針對向家壩水庫不同運(yùn)行水位370.00，372.00，374.00 m和376.00 m開展對比試驗(yàn)。各試驗(yàn)方案參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)方案參數(shù)

3 非恒定流特性研究

3.1 相同初始流量不同流量變幅

3.1.1初始流量1600m3/s方案對比

方案1～3初始流量均為1 600 m3/s，流量變幅和變化時長分別為200 min增加3 500 m3/s、30 min增加2 000 m3/s和30 min增加3 500 m3/s。對以上3種條件下JA159斷面、JA157斷面及JA154斷面處的水位和流速變化進(jìn)行分析。

(1) 沿程水位變幅情況。流量變幅相同：方案1和方案3流量變幅相同(均為下泄流量自1 600 m3/s增加至5 100 m3/s)，但流量變化率不同(分別為每分鐘增加17.5 m3/s和116.7 m3/s)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：雖然方案1和方案3中各斷面水位變幅和水位變化率均沿程減小，但是兩種方案的沿程水位變幅和水位變化率不同。通過對比分析可以得出：同一斷面，雖然方案1在運(yùn)行時長內(nèi)(200 min)水位絕對變幅比方案3大，但是水位變化率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案3。初始流量1 600 m3/s時不同方案典型斷面水位變幅見表3。

流量變幅不同：方案2和方案3流量變幅不同(分別為下泄流量自1 600 m3/s增加2 000 m3/s和3 500 m3/s)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：兩種方案的沿程水位變幅和水位變化率不同。通過對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅越大，沿程水位變化率越大。初始流量1 600 m3/s時不同方案典型斷面水位變化率見表3。

(2) 沿程流速變化情況。為便于對比沿程流速變化，本文以不同方案各典型斷面最大垂線平均流速為研究對象。流量變幅相同：方案1和方案3流量變幅相同，流量變化率不同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅相同，方案1流量變化率小于方案3，但最大垂線平均流速方案1卻大于方案3。

流量變幅不同：方案2和方案3流量變幅不同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅越大，最大垂線平均流速也越大。初始流量1 600 m3/s時不同方案典型斷面最大垂線平均流速見表4。

表4 典型斷面最大垂線平均流速(初始流量1 600 m3/s)

3.1.2初始流量3000m3/s方案對比

方案4～6初始流量均為3 000 m3/s，與方案1～3初始流量不同，但流量變幅和變化時長相同(分別為200 min增加3 500 m3/s，30 min增加2 000 m3/s和30 min增加3 500 m3/s)。該3種方案水位和流速變化規(guī)律與方案1～3相似。

(1) 沿程水位變幅情況。流量變幅相同：方案4和方案6流量變幅相同(均為下泄流量自3 500 m3/s增加至6 500 m3/s)，但流量變化率不同(分別為每min增加17.5 m3/s和116.7 m3/s)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：雖然方案4和方案6中各斷面水位變幅、水位變化率均沿程減小，但是兩方案的沿程水位變幅和水位變化率不同。通過對比分析可以得出：同一斷面，雖然方案4在運(yùn)行時長內(nèi)(200 min)水位絕對變幅比方案6大，但是水位變化率卻遠(yuǎn)小于方案6。初始流量3 000 m3/s時不同方案典型斷面水位變幅見表5。

表5 典型斷面水位變幅及水位變化率(初始流量3 000 m3/s)

流量變幅不同：方案5和方案6流量變幅不同(分別為下泄流量自3 000 m3/s增加到2 000 m3/s和5 000 m3/s)。通過對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅越大，沿程水位變化率越大。初始流量3 000 m3/s時不同方案典型斷面水位變化率見表5。

(2) 沿程流速變化情況。流量變幅相同：方案4和方案6流量變幅相同，但流量變化率不同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅相同時，雖然方案4流量變化率小于方案6，但最大垂線平均流速卻大于方案6，其規(guī)律與初始流量1 600 m3/s時相似。

流量變幅不同：方案5和方案6流量變幅不同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對比分析可以得出：同一斷面，流量變幅越大，最大垂線平均流速也越大。初始流量3 000 m3/s時不同方案典型斷面最大垂線平均流速見表6。

表6 典型斷面最大垂線平均流速(初始流量3 000 m3/s)

3.1.3水位變化率與流量變化率的關(guān)系

綜合分析方案1～6的水位變化率與流量變化率的關(guān)系(見圖5)，可以看出，溪洛渡水電站下泄相同流量變化率下，各試驗(yàn)方案水位變化率均沿程減??；同時下泄流量變化率越大，其下游同一斷面的水位變化率也越大。因此，溪洛渡水電站壩下游河道水位變化率與下泄流量變化率呈正相關(guān)。

圖5 水位變化率與流量變化率關(guān)系Fig.5 Relationship between water level variability and flow variability

3.1.4垂線平均流速與流量的關(guān)系

綜合分析方案1～6的最大垂線平均流速與流量的關(guān)系(見圖6)，可以看出下泄流量越大，斷面最大垂線平均流速也越大。因此，溪洛渡水電站下游河道斷面垂線平均流速與電站下泄流量呈正相關(guān)。

圖6 典型斷面最大垂線平均流速與流量關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum vertical average velocity and flow rate of typical sections

3.2 不同初始流量相同流量變幅

試驗(yàn)方案中，方案1和4，方案2和5，以及方案3和6均為相同流量增減幅度和增減時長、不同初始流量的對比方案。以方案1和方案4為研究對象，各斷面水位變化見圖7，各斷面最大垂線平均流速變化見圖8。

圖7 方案1和方案4各斷面水位變化Fig.7 Variation of water level at each section of scheme 1 and scheme 4

圖8 方案1和方案4各斷面最大垂線平均流速變化Fig.8 Variation of the maximum vertical average velocity at each section of scheme 1 and scheme 4

由初始流量不同、流量變化率相同時水位變化對比可見，各斷面水位高程與流量大小直接相關(guān)。隨著下泄流量的增加，不同方案同一斷面水位變化基本表現(xiàn)為平行增加，同一斷面初始流量大的方案，其水位高程平行高于初始流量小的方案，但沿程各斷面水位變幅相差不大。溪洛渡水電站非恒定流泄流時，下游河道各斷面水位變幅和水位變化率受初始恒定流量的影響不大。

由初始流量不同、流量變化率相同時各斷面最大垂線平均流速變化對比可見，單個斷面最大垂線平均流速與下泄流量大呈小正相關(guān)，流量越大，斷面最大垂線平均流速也越大。但隨著流量的增加，不同方案同一斷面流速也表現(xiàn)為平行增加，流速變幅相差不大。溪洛渡水電站非恒定流泄流時，下游河道各斷面最大垂線平均流速變幅受初始恒定流量的影響不大。

3.3 向家壩水庫運(yùn)行水位對溪洛渡水電站下游河道非恒定流的影響

選取方案6，向家壩水庫不同運(yùn)行水位、相同流量變幅條件下，對水位變化率、斷面最大垂線平均流速進(jìn)行研究。各斷面水位變化過程見圖9，各斷面在初始下泄3 000 m3/s恒定流時水位變化見表7。

圖9 壩下游河道沿程斷面水位過程Fig.9 Process of water level at cross-sections along the river channel downstream of the dam

表7 向家壩水庫不同運(yùn)行水位時各典型斷面水位

當(dāng)下泄3 000 m3/s恒定流時，各斷面水位均隨向家壩運(yùn)行水位的抬升而增高。同時，當(dāng)溪洛渡水電站下泄流量增加時，水位變化率沿程減少，且向家壩水庫運(yùn)行水位越高，各斷面水位變化率越小。此外，向家壩水庫運(yùn)行水位在370.00 m和372.00 m時，JA159斷面水位及水位變化率差別較小，說明向家壩水庫運(yùn)行水位在370.00 m和372.00 m時，對JA159斷面以上河道影響較小。

各斷面最大垂線平均流速在初始下泄3 000 m3/s恒定流時數(shù)據(jù)見表8，各斷面最大垂線平均流速變化過程見圖10。

表8 向家壩水庫不同運(yùn)行水位時各斷面最大垂線平均流速

圖10 壩下游河道沿程斷面流速變化情況Fig.10 Changes of velocity at cross-sections along the river channel downstream of the dam

可以看出，受向家壩水庫運(yùn)行水位影響，向家壩水庫運(yùn)行水位越高，研究河道同一斷面最大垂線平均流速越小。同時整體而言，向家壩水庫運(yùn)行水位越高，各斷面最大垂線平均流速變幅越小。

4 結(jié) 論

(1) 非汛期，受向家壩水庫水庫蓄水影響，溪洛渡水電站壩下游各水文(位)站均位于向家壩水庫回水影響范圍內(nèi)，水面比降較為平緩，最大水位高差在1.50 m以內(nèi)；汛期，向家壩水電站按控制水位運(yùn)行，水位較低，檜溪水位站以上河道水面存在明顯比降，最大水位高差達(dá)3.24 m。

(2) 溪洛渡水電站壩下游河道水位變化率與下泄流量變化率呈正相關(guān)，R2均在0.92以上；最大垂線平均流速均與水電站下泄流量呈正相關(guān)，R2均在0.68以上。

(3) 溪洛渡水電站壩下游河道非恒定流，水位變化率和最大垂線平均流速變幅對流量變化率的響應(yīng)更為敏感，受初始恒定流量的影響不大。流量變化率越大，水位變化率也越大，且水位變化率沿程減小。

(4) 溪洛渡水電站下游河道水位變幅和斷面垂線平均流速受向家壩水庫運(yùn)行水位抬升影響。向家壩水庫運(yùn)行水位由370.00 m抬升至376.00 m，相同泄流條件下，溪洛渡水電站壩下游河道同一斷面水位變化率和斷面最大垂線平均流速均減小，水位變化率最大減小1.27 m/h，斷面垂線平均流速最大減小1.4 m/s。