王甫洲電廠水文站水位流量關(guān)系單值化分析研究

龍 翔，蔣四維

（長江水利委員會水文局 漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441000）

0 引言

自二十世紀五十年代以來,為了水文資料整編的實際需要,對非單一水位流量關(guān)系曲線定線推流提出了很多方法,其中包括連時序法、連實測流量過程線法以及考慮水力因素進行校正計算的等落差法、定落差法、落差開方根法、校正因素法、特征河長法、改正水位法等[1]。二十世紀七十年代,經(jīng)過20年的實踐,逐步發(fā)現(xiàn)上述一些方法存在適用性差、精度不高等缺陷,特別在實現(xiàn)電子計算機整編水文資料以后,以上方法難以利用計算機實現(xiàn)定線自動化。為確保定線精度,水文站測流次數(shù)多達上百次,大大增加外業(yè)水文測驗的人力、財力、設備和時間重擔。因此,水位流量單值化分析勢在必行。

2019年全國水利工作會議把信息化工程列為四大工程短板之一,因此大力推廣水文行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,加強推進智慧水文建設,全面推廣在線監(jiān)測設備勢在必行。在線監(jiān)測設備不僅極大減少了水文工作者的外業(yè)工作量,同時收集數(shù)據(jù)量大大增加?；诖罅康牟杉瘮?shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù),水文工作者對于水位～流量的關(guān)系分析更加細致、精確,率定出的關(guān)系線更加精準。對處于水工建筑物下游的水文站而言,水位流量主要受閘門啟閉、發(fā)電調(diào)度的影響。因此王甫洲電廠水文站的水位～流量關(guān)系較為復雜,使用王甫洲電廠的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可以減少流量測驗的工作量,提升定線精度[2]。

“十四五”以來,我國水電事業(yè)在行業(yè)各方的共同努力下大步前行,烏東德、白鶴灘、兩河口等一批重大水電工程相繼投產(chǎn)發(fā)電。漢江作為長江最大的支流,流域內(nèi)水能資源豐富,僅漢江干流就已經(jīng)形成了16個梯級,其支流有陡嶺子、鄂坪、南河等諸多水電站。漢江新集水利樞紐目前正在加緊建設,全面進入主體工程施工階段。

為了研究新集水電站蓄水對王甫洲水電站的尾水渠水位流量關(guān)系的頂托,合理計算新集水電站建成運行后王甫洲水電站的發(fā)電量損失,初步選擇王甫洲電廠站作為分析新集水電站對王甫洲水電站發(fā)電量影響分析的水文站,開展水文監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析。在王甫洲電廠下游530 m、入?yún)R漢江口上游300 m處設立王甫洲電廠水文站。為下游新集水利樞紐建成后對王甫洲電廠發(fā)電效率的影響程度分析,提供技術(shù)支撐。

王甫洲電廠水文站單值化法通過率定、分析王甫洲電廠監(jiān)測的發(fā)電流量與本站水位的關(guān)系,形成水位流量單一關(guān)系線。利用新集電站蓄水前、后的兩條單一關(guān)系線可以便捷地推算出王甫洲電廠發(fā)電時的水頭損失,從而得出具體的損失電量。

1 研究區(qū)域概況

漢江王甫洲水利樞紐是一個以發(fā)電為主,結(jié)合航運,兼有灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大型水利工程。位于湖北省老河口市漢江干流上,上距丹江口水利樞紐30 km,是漢江干流16個梯級開發(fā)中的第10個梯級。水庫正常蓄水位86.23 m,相應庫容1.495 億m3,校核洪水位89.30 m,總庫容3.095 億m3。電站為低水頭徑流式電站,裝有4臺燈泡貫流式機組,總裝機109 MW,年發(fā)電量5.81 億kW·h。單機最大過流能力為420 m3/s。其中,樞紐主要水工建筑物為非一字型布置,泄水閘壩區(qū)布置在右岸大江主河道上,電廠及船閘壩區(qū)布置在小江（靠左岸）。泄水閘壩區(qū)在漢江上游,距離電廠約10 km。王甫洲電廠設置有壩上水位和壩下水位記錄裝置,壩下水位記錄裝置在壩下右岸電廠出水口右岸位置,位于水文站上游530 m[3-4]。

漢江新集水利樞紐上距已建成的王甫洲水利樞紐47.5 km,下距已建成的崔家營航電樞紐61.5 km,是漢江中下游河道綜合治理、梯級開發(fā)的重要組成部分。正常蓄水位76.23 m,總庫容4.22 億m3,總裝機容量120 MW,年發(fā)電量5.09 億kW·h。

北河是漢江中游的支流,位于漢江右岸,發(fā)源于房縣,干流全長103 km,流域面積1212 km3,流域內(nèi)多年平均降水量997.5 mm,多年平均年徑流量13 億m3。由紫金鎮(zhèn)彥家洲村入谷城縣,至北河鎮(zhèn)安家崗村匯入漢水。入?yún)R口在王甫洲電廠尾水渠漢江入?yún)R口上游約2.5 km。北河上建有北河水文站,建于2003年1月,距離漢江入?yún)R口約13 km。

南河是漢江中游的支流,位于漢江右岸,干流全長303 km,流域面積6490 km3,流域內(nèi)多年平均降雨量1031.7 mm,多年平均年徑流量15.4 億m3。由紫金鎮(zhèn)瑪瑙觀村入谷城縣,至城關(guān)鎮(zhèn)格壘嘴村匯入漢水。入?yún)R口在王甫洲電廠尾水渠漢江入?yún)R口下游約7.5 km。南河上建有谷城水文站,建于1936年7月,距離漢江入?yún)R口約8 km。

王甫洲水文站位于王甫洲電廠下游530 m、入?yún)R漢江口上游300 m處,于2021年2月5日建成,并通過驗收。根據(jù)漢江局下發(fā)的《王甫洲電廠水文測驗任務書》要求,測驗項目包括水位、流量、降水量。流量測驗采用測船渡河、GNSS導航定位、GPS羅經(jīng)測定測船航行方向配合走航式ADCP施測。水文站外業(yè)資料收集完成后,采用相關(guān)軟件進行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過一校、二校、審查等階段,確認測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范標準和要求,成果可靠[5-7]。

2 單值化分析

2.1 技術(shù)路線

對于一條水位～流量曲線,斷面平均流量用Q表示,水位用Z表示,若選取有N個結(jié)點（N＞3）,水位Z對應的流量Q,用下式計算：

在水位流速曲線上通過一元三點插值法[8-9]求解低枯水位級流量進行驗證。在端點附近與曲線曲率較大處,選擇水位級呈梯級分布的最少不少于三個測點對低枯水位進行插值計算。

水電站電量計算公式：

式中：k為綜合出力系數(shù)；E為電量,kW·h；Qi為日均流量,m3/s；Hi為日均毛水頭,m；Ti為日發(fā)電小時數(shù),h；ηi為機組效率。

為更好地分析新集電站對王甫洲電廠的影響,需要對影響因素進行分析。王甫洲電廠來水主要為丹江口水庫下泄流量,根據(jù)下泄流量大小,其樞紐運行可分為有棄水和無棄水下泄兩種情況。

（1）有棄水下泄,一般發(fā)生在汛期,漢江上游發(fā)生較大洪水時,丹江口水庫開閘泄洪情況。其出流為泄水閘泄洪流量+電廠發(fā)電流量；此時,泄水閘下泄洪水,對電廠尾水渠產(chǎn)生頂托影響。該時間段,可不考慮新集水電站對王甫洲電廠的影響。

（2）在非洪水期,上游丹江口水庫下泄為其樞紐發(fā)電出流,流量一般不超過1500 m3/s。另外,根據(jù)多年資料統(tǒng)計,非洪水期支流南、北河出流之和很少超過300 m3/s。

綜上所述,新集水電站對王甫洲水電站的影響主要集中在非洪水期。因此,水文站水文測驗資料收集及整理分析工作,亦主要針對此時段相關(guān)因素影響情況。

2.2 電廠發(fā)電流量成果精度分析

王甫洲電廠水文站流量測驗斷面在基下4 m處。在2021年7月后,漢江發(fā)生20年一遇的洪水,其間丹江口水庫下泄最大流量10800 m3/s。洪水過程一直持續(xù)到11月上旬,其間王甫洲電廠一直保持1300 m3/s以上的發(fā)電流量。

洪水過后,下游河道內(nèi)的雜物及植被沖刷殆盡,下游過水能力大幅度提高,水文站斷面亦被沖刷下切。過流斷面受沖淤變化影響時,水位面積關(guān)系曲線會發(fā)生變動,從而使水位流量關(guān)系曲線亦發(fā)生變化[10]。斷面變化見圖1。

流量測驗要集中在2021年1月26日～7月28日和2022年3月9日～8月20日,其中2021年施測流量37次；2022年共施測26次,合計施測63次,除去泄水閘工作期測驗流量共計54次有效測次。

依據(jù)水文站實測流量比測電廠發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度,比測結(jié)果見圖2。

圖2 電廠發(fā)電流量與實測流量對比圖

由圖可知,電廠發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度較高,成果可靠,發(fā)電流量可參與水文站水位流量關(guān)系的分析率定。

2.3 水位流量資料分析

水文站實測流量測驗范圍483 m3/s～1530 m3/s,基本覆蓋王甫洲電廠正常發(fā)電期。

王甫洲電廠正常發(fā)電期間,電廠調(diào)機較為頻繁,根據(jù)水力學原理,當上游來水發(fā)生變化時,由于洪水波傳播所引起的附加比降不同,使斷面上的流量與同水位穩(wěn)定的流量相比產(chǎn)生有規(guī)律的增大或減小[11]。把水位流量過程點繪在水位流量關(guān)系圖上,形成一條圍繞著水位流量關(guān)系曲線旋轉(zhuǎn)的逆時針繩套線[12-13]。以2022年2月6日10時電廠調(diào)機為例,3時至9時處于上一次調(diào)機后發(fā)電流量和水位減小的過程,由于時間過短,水位的變化明顯滯后與流量變化,當流量穩(wěn)定在740 m3/s時,水位保持下降趨勢；10時左右電廠進行調(diào)機,13時前完成調(diào)機,發(fā)電流量由740 m3/s調(diào)整為1330 m3/s。過程變化見圖3。

圖3 2022年2月6日水位～流量關(guān)系時間序列變化過程圖

從圖4中可以看出,3時～9時處于上一次調(diào)機后發(fā)電流量和水位減小的過程,由于時間過短,水位的變化滯后于流量變化,當流量穩(wěn)定在740 m3/s時,水位保持下降趨勢,水位流量關(guān)系點據(jù)分布在穩(wěn)定期水位流量關(guān)系線左側(cè)；10時左右調(diào)機后,發(fā)電流量迅速上升,但水位變化很小,水位流量關(guān)系點迅速轉(zhuǎn)移至關(guān)系線右側(cè)；在23時左右水位達到穩(wěn)定前,流量變換很小,水位持續(xù)上升,水位流量關(guān)系點保持在關(guān)系線右側(cè)；在7日1時左右水位穩(wěn)定后,水位流量關(guān)系點回歸于關(guān)系線附近,隨后流量變化很小,水位持續(xù)不變,并保持在關(guān)系線上[14]。

圖4 2022年2月6日水位-流量變化過程與穩(wěn)定流關(guān)系線圖

由此可見,電廠調(diào)機后,在發(fā)電尾水渠水位穩(wěn)定之前,水位流量關(guān)系點將明顯偏離水位和流量均穩(wěn)定不變時各流量級水位流量關(guān)系曲線。一般而言,流量變化越大,測驗時機離穩(wěn)定流越遠,其偏離越大；發(fā)電流量由小調(diào)大時關(guān)系點向關(guān)系線右側(cè)偏離,由大調(diào)小時關(guān)系點向關(guān)系線左側(cè)偏離。

詳盡分析洪水前、后電廠尾水渠水位流量關(guān)系,分析其穩(wěn)定流關(guān)系線明顯為兩個系列。分析原因,主要是本年長歷時較大流量泄洪,泄水閘至格壘咀河段長時間被沖刷,河段過水能力增強。圖5為洪水前后穩(wěn)定流關(guān)系線明顯為兩個系列關(guān)系。

圖5 發(fā)電尾水渠流量、水位均穩(wěn)定時水位流量關(guān)系圖

定線精度信息見表1,定線精度滿足水文資料整編規(guī)范中對于一類精度站的要求。

表1 實測流量與電廠流量對比表

由此可見,電站調(diào)機后發(fā)電尾水渠水位和流量均穩(wěn)定時各流量級水位流量關(guān)系呈現(xiàn)穩(wěn)定單一線型關(guān)系[15]。

綜上分析,在泄洪閘不棄水且南、北河來水較小的情況下,電廠發(fā)電出流與尾水渠水位變化不同步是引起尾水渠水位流量關(guān)系點據(jù)分布散亂關(guān)鍵因素。該河段漢江河道相當于電廠尾水渠河段而言,江面寬闊,體量較大,對尾水渠來水具有明顯的反調(diào)節(jié)作用。根據(jù)分析資料,電廠調(diào)節(jié)發(fā)電出流過程,不論是由小調(diào)大、還是由大調(diào)小,大江對尾水渠反調(diào)節(jié)制約作用較大,發(fā)電流量變率越陡,關(guān)系點越偏離穩(wěn)定單一線（中心線）；只有當調(diào)機后尾水渠發(fā)電流量和水位均趨于穩(wěn)定時,其水位流量關(guān)系點才回到穩(wěn)定單一線附近。

鑒于此,采用電廠瞬時流量過程推算2021年2月以來的旬平均流量及月平均流量,與相應日平均水位、旬平均水位及月平均水位建立關(guān)系?？梢钥闯?①其關(guān)系點更趨于穩(wěn)定單一線上；②日平均關(guān)系點基本在穩(wěn)定單一線附近；③月、旬平均的關(guān)系點基本與尾水渠流量和水位均穩(wěn)定時各流量級瞬時水位流量關(guān)系點一致[16]。

除去產(chǎn)生棄水的2021年7月24日～11月5日、2022年2月17日至5月12日,采用穩(wěn)定單一線推算的月平均流量與發(fā)電流量計算的旬平均和月平均流量對比見表2。從表中可知兩者相對差較小,洪水前后分別推算的時段徑流相差均為0.2 %[17]。

綜上所述,采用穩(wěn)定的水位流量單一關(guān)系線能夠準確的反應出水文站的旬平均流量、月平均流量以及時段徑流。

3 結(jié)論

（1）王甫洲電廠提供的發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度較高,成果可靠。

（2）王甫洲水文站水位流量關(guān)系影響因素復雜,電站調(diào)機后發(fā)電尾水渠水位和流量均穩(wěn)定后各流量級水位流量關(guān)系呈現(xiàn)穩(wěn)定單一線型關(guān)系。

（3）王甫洲水文站在電廠調(diào)機期后的一段時間內(nèi),水位流量關(guān)系呈帶狀,其中心線與穩(wěn)定單一線吻合；采用穩(wěn)定單一線推算的日平均流量、旬平均流量、月平均流量與實際流量基本一致,時段徑流基本一致；洪水后的穩(wěn)定流關(guān)系線為王甫洲電廠尾水渠現(xiàn)狀天然的穩(wěn)定流關(guān)系線。

（4）漢江新集水利樞紐開始蓄水后,繼續(xù)監(jiān)測電廠尾水渠出流情況,分析水位流量相關(guān)關(guān)系變化情況。進一步收集蓄水前后不同流量級下漢江干流王甫洲至新集河段沿程水位流量同步監(jiān)測資料,采用數(shù)模分析計算方法,推求蓄水前后新集回水末端的水位變化情況,并通過施測資料驗證模型分析成果,確定新集電站蓄水對王甫洲電站出力影響程度。