向家壩水電站日調節非恒定流的傳播特征研究

張緒進，胡真真，劉亞輝，黃成林

（1.重慶交通大學，重慶400074；2.重慶西南水運工程科學研究所，重慶400016）

向家壩水電站日調節非恒定流的傳播特征研究

張緒進1，2，胡真真1，劉亞輝1，2，黃成林2

（1.重慶交通大學，重慶400074；2.重慶西南水運工程科學研究所，重慶400016）

水電站的調度運行改變了天然河道的水流條件，日調節引起的非恒定流導致壩下游河道的水位陡漲陡落、流速時大時小、流態時好時壞，對下游的航道維護、船舶的安全航行及港口、碼頭的正常作業等產生不利的影響。文章以向家壩水電站為例，按照其典型調度運行方式，建立幾何比尺為1：100的物理模型，根據向家壩電站日調節試驗在壩下游長河段所引起的的水位及流速等數據，總結出向家壩水電站日調節非恒定流的水位及流速在不同河段的傳播特征，為研究電站日調節非恒定流對壩址下游長河段航道條件的影響提供理論依據。

非恒定流；物理模型；復式斷面；水流條件

近年來，我國水電建設的步伐越來越快，電站日調節非恒定流對壩下游長河段的影響問題也越來越突出。電站下泄非恒定流對下游河道的通航條件、港口作業及航運設施的影響越來越受到關注，迫切需要開展相關研究［1］。向家壩電站是金沙江干流梯級電站開發的最后一級電站，以發電為主，同時改善航運條件，兼顧防洪、灌溉，并對溪洛渡水電站進行反調節［2-3］。該電站建成運行后，不僅渠化了向家壩～溪洛渡之間長約157 km的河段，調節了徑流過程，增加了枯水期平均流量，還改變天然河道水流條件［4］，給航道維護、船舶的安全航行及港口、碼頭的正常作業等造成一定的影響。向家壩水電站裝機規模巨大，電站下泄流量變化范圍大，其下游為天然河道，水流條件受非恒定流的影響較大，影響距離也較長。

1 研究方法

本研究采用1∶100的物理模型對電站日調節在壩下游長河段所引起的水位及流速的變化進行大量的試驗，總結出向家壩水電站日調節非恒定流的水位及流速在不同河段的傳播特征，為進一步研究電站日調節非恒定流對船舶航行的影響奠定理論基礎。

試驗模擬河段范圍包括向家壩電站上游近壩河段長4 km、壩下金沙江干流宜賓合江門以上長33 km、長江干流宜賓—李莊河段長21 km、岷江河口段長15 km及橫江河口段長3 km，模擬河段總長76 km。模型模擬準則遵循弗汝德相似準則［5］，其幾何比λh=λl=100，流速比尺λv=10，時間比尺λt=10，流量比尺λQ=100 000，河床糙率比尺λn=2.15。由于原型河段長約76 km，很難取得全河段的同時水邊線原型觀測資料，所以模型依據所收集的各個河段的原型觀測資料，自下而上進行分段驗證。驗證結果表明模型水位與原型水位較為接近，其差值在±0.1 m以內。同時還進行了表面流速流向驗證，驗證結果表明模型能夠與原型較好地吻合。再者，由于本試驗為非恒定試驗，模型進口流量控制系統與出口尾水控制系統模擬跟蹤的可靠性及其在模型河道上產生的非恒定過程與原型的相似性決定了試驗結果的可靠性。對此進行了驗證試驗，試驗結果表明流量誤差在±2%以內，水位誤差在±0.5 mm以內。電動閥和電磁流量計組成的控制系統從一級流量調整到另一級流量需時6 s以內。故本模型水流進出口邊界測控系統精度高，跟蹤效果好，能夠較好地模擬原型進出口邊界條件。

在影響航運的關鍵部位和航行條件復雜的河段布置水位和流速測站，如牛皮灘、水富港碼頭、和尚巖、碎米灘、大雪灘、小雪灘等共40個測站。典型測站距壩址的距離如表1。每個測站設置水位儀，流速儀各一個，沿低水期船舶上水航線布置［6-7］。流速測量采用HD?4型電腦流速儀；水位測量采用CS?24型多點超聲水位儀。所有傳感器信號經二次儀表轉換后送計算機同步記錄，經過數據處理和輸出，并自動繪制成各種水力參數過程線，可視化輸出便于根據需要及時調整。

由于上游入庫流量大小的不確定性及電力需求負荷的增減，電站需要開啟不同數量的發電機組，然而機組開啟或者關閉產生的非恒定流必然對電站下游河段的通航水流條件產生一定的影響，因此模型試驗實驗了不同工況下電站非恒定流引起電站下游河段的水位及流速變化過程，并以此總結電站日調節非恒定流的水位和流速的傳播特征。考慮向家壩水電站供電區華東電網的日負荷特性、遠距離送電的特點、機組運行特性、安全穩定運行要求及按最不利原則考慮，試驗確定采用以下13種工況進行試驗。各工況具體組合情況如表2。

2 非恒定流水流特性分析

2.1 水面線分析

無論是在順直河段、彎曲河段，還是支流匯合口處河段，各個斷面的水位變化都與流量過程緊密相關，設計擬定的各日調節工況發電流量為單峰過程，其下游各斷面水位變化也相應呈單峰過程。在電站開始調峰時，下泄流量增加，壩下游各測站水位隨之相繼上漲，在流量增加到最大時，各測站的水位也相繼接近最高水位，上游測站首先達到最高水位，隨著波峰向下游傳遞，其它各測站水位相繼達到全天最高值。以后電網負荷減小，電站出流逐步減小，水位也跟著減小，當流量減小到基流并保持基流下泄時，由于河道的槽蓄作用，河道水流仍未回穩，各測站水位仍繼續降落直至次日電站流量再次開始增加時，這時各個測點的水位為全天最小值。由于非恒定流波在壩下游長河段傳播中的推移和坦化作用，能量不斷減少，水位沿程遞減。水位沿程變化如圖1。

在試驗過程中考慮了前一天的日調節水位會對第二天的日調節水位產生影響這一因素，所以在試驗中，連續模擬兩天的日調節工況，選取第二天的測量數據為試驗數據。在電站的實際運行期間，晚23∶00至次日6∶00之間為用電低谷，需求電量較少，此時為了保證電站下游河段航運基流，電站以基流流量下泄。在這7 h內河道水位將近回穩，趨于恒定流。在第二天電站開始調峰時，此時水位最低。說明電站下游長河段各個測站的最低水位主要受電站下泄的最小流量（基流）的影響，而受白天調峰的影響相對較小。由于電站調峰流量是階梯型變化的，流量增加，下游水位相繼增加。當下泄流量達到日最大值時，壩址下游長河段的各個測站的水位依次將達到日最大值。由于河道的槽蓄作用，日最大水位也將受到調峰的總水量的影響。所以最高水位主要與電站日調節下泄最大流量有關，也與調峰總流量有關，受單位時間流量變化值的影響也相對較大。

表1 典型測站距壩址的距離Tab.1Distance between station and dam site

圖1 工況3和工況8最高水位及最低水位沿程變化Fig.1Change of the highest and the lowest water level in condition 3 and condition 8 along the river

2.2 最大日變幅分析

經分析相關實驗數據，在試驗河段范圍內各個工況條件下各測站的水位最大日變幅沿程變化情況如圖2。

以上各個工況對比分析，對于壩下游河道的同一斷面：橫江流量和岷江流量一定時電站最小下泄流量相同時，電站下泄流量日變幅越大，其下游河道水位日變幅也越大；電站調峰流量相同時，電站下泄流量日變幅越大，其下游河道水位日變幅也越大。由于流量波峰的沿程衰減坦化，壩下游河段的水位變幅沿程總體呈遞減的趨勢，但在和尚巖、碎米灘、大雪灘等河段日變幅出現反常，在這些河段日變幅不減反增。原因有以下兩點：（1）從斷面形式來看，其他河段的斷面基本上是“U”斷面或者是“V”斷面，如桐梓林斷面是“U”斷面見圖3-a，大雪灘1是“V”斷面見圖3-b，而和尚巖、碎米灘、大雪灘2等斷面具有復式斷面特征，如大雪灘2斷面見圖3-c，和尚巖斷面見圖3-d。具有復式斷面的河段灘槽分明，枯水期河槽狹窄、邊灘較寬，洪水期，邊灘淹沒、水面很寬；（2）從平面形態來看，和尚巖、碎米灘、大雪灘等河段多處于淺灘的下段。如大雪灘2位于淺灘大雪灘1的下游0.6 km處。大雪灘1，大雪灘2的寬深比（河道寬度與水深之比）隨水位變化關系如圖4。

由寬深比與水位的關系圖可以看出，具有復式斷面的過水斷面有明顯的凸點水位（如圖3中A點所對應的水位）。由于水流沿程衰減坦化作用，水面線逐漸降低，Δh=Z1-Z2＞0。再者，由于受到過水斷面形狀及河道調蓄能力的影響，當Z2＜Zt（大雪灘2寬深比與水位關系圖中凸點所對應的水位。下同）時的Δh值大于Z2＞Zt時的Δh值。即當大雪灘2的最低水位小于Zt，而最高水位大于Zt時，Δh1-Δh2的值較大，即大雪灘2的水位日變幅比大雪灘1的水位日變幅大。大雪灘1和大雪灘2的水位特征值如表3。

Z1、Z2分別為大雪灘1和大雪灘2的水位；Δh為大雪灘1和大雪灘2的水位差值；Δh1為大雪灘1的最大水位日變幅；Δh2為大雪灘1的最大水位日變幅；Zt為大雪灘2寬深比與水位關系圖中凸點所對應的水位。

2.3 流速分析

（1）順直河段的流速分析。引航道口門區至橫江口河段河道順直、河岸陡峭、河面較窄、水深較大。斷面形狀多為“U”斷面。在電站日調節過程中，該河段主流流向一致，沒有橫向擺動，主水位上漲,主流流速增大;水位下降,主流流速減小。最大流速多發生在全日最高水位（最大流量）時。該順直河道的水位及流速過程線見圖5水富港水位及流速過程線圖。

圖2 水位最大日變幅沿程變化Fig.2The maximum daily amplitude of water level along the river

圖3 典型斷面的斷面形狀Fig.3Shapes of typical cross sections

圖4 典型斷面的斷面特性Fig.4Properties of typical cross sections

（2）彎曲河段的流速分析。和尚巖河段河道呈反“S”型走勢，斷面多為復式斷面。該河段在不同水位期水流條件變化較大，特別是主流線位置橫向擺動明顯，導致測站流速與測站水位的變化過程不相吻合，當水位達到最高時，流速反而減小。當水位處于漲水期時，流速反而最大。當流量較小時，水位較低，此時主流沿主河槽，因為流速儀布置在主河槽，所以此時流速儀是測量主流的流速；而當流量增大時，水位增高，漫過邊灘，主流偏離主河槽，即此時流速儀測量的不是主流流速。典型河段中的和尚巖水位及流速過程線見圖6。

（3）匯合口處支流的流速分析。在試驗過程中，保持岷江的來流量不變，讓岷江以恒定流下泄，改變向家壩電站的出流流量，讓其以非恒定流下泄［8］。在岷江河口段，向家壩電站日調節非恒定流波是沿河口向岷江上游傳播。當向家壩電站下泄流量增大時，金沙江水位升高，岷江河口段由于受其水位頂托，流速減小所以在日調節漲水期，主流流速減小。在降水期，主流流速隨水位的下降而增大。故在低水期出現最大流速。典型河段中的月亮磧水位及流速過程線見圖7。

表3 大雪灘1和大雪灘2的水位特征值Tab.3Water level eigenvalue of Daxuetan 1 and Daxuetan 2

圖5 工況8水富港水位及流速過程線圖Fig.5Process diagram of water level and velocity in Shuifu Port in condition 8

圖6 工況8和尚巖水位及流速過程線圖Fig.6Process diagram of water level and velocity in Heshangyan in condition 8

圖7 工況8月亮磧水位及流速過程線圖Fig.7Process diagram of water level and velocity in Yueliangqi in condition 8

3 結論

（1）水位變化過程與流量變化過程一致，流量增加，各測站水位隨之相繼上漲，流量逐步減小，各測站水位也相應回落。電站下泄的最小流量影響樞紐下游長河段各個測站的最低水位，而白天調峰流量對其影響相對較小。最高水位主要與電站日調節下泄最大流量、調峰流量及調峰總流量有關。水位日變幅與電站最小下泄流量、流量變幅、河床形態及其與壩址的距離等有關，總體沿程呈減遞趨勢。但少數局部河段即使在最小下泄流量較小的日調節工況下也會出現較大的日變幅特征，主要有兩方面原因：一是從平面形態來看，這些河段多處于淺灘的下段；二是從斷面形式來看，這些河段具有復式斷面特征，即灘槽分明，枯水河槽狹窄、邊灘較寬。

（2）在順直河道，電站調度方式不同時，河道主流流向一致，無橫向擺動，水位上漲，主流流速增大，水位下降，主流流速減小，最大流速多發生在全日最高水位（最大流量）時。在反“S”型河道，電站調度方式不同時，主流區橫向擺動明顯，河段內各測站的流速日變化過程與水位變化過程不一致，最大流速發生在漲水期，在最高水位時流速反而減小。在支流河口段，在日調節漲水期，水流流速隨水位的上漲而減小；在落水期，水流流速隨水位的下降而增大，最大流速均出現在低水期。

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Research on propagation characteristics of unsteady flow caused by daily regulation of Xiangjiaba Hydro?power Station

ZHANG Xu?jin1，2,HU Zhen?zhen1,LIU Ya?hui1，2,HUANG Cheng?lin2
（1.Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.Southwestern Hydraulic Institute for Waterways, Chongqing 400016,China）

Dispatching operation of Xiangjiaba Hydro?power Station changes flowing conditions of natural riv?er,and has an unsteady flow wave impact on maintenance of channel,the safe navigation of the ship and the normal operation of port,wharf.This research uses physical model of large scale to test the water level and velocity of long river downstream in real time measurement caused by power station daily regulation of constant current,and summa?rizes the propagation characteristics of water level and velocity of long river downstream caused by unsteady flow of Xiangjiaba power station,which lays the foundation to further research on the influence of unsteady flow which caused by daily regulation of Xiangjiaba Hydro?power Station on navigation of ships.

unsteady flow;physical model;compound section;flowing condition

TV 66；TV 698

A

1005-8443（2015）05-0414-05

2015-03-03；

2015-05-04

張緒進(1959-)，男，重慶市人，研究員，主要從事水利樞紐優化布置與通航技術的研究。

Biography：ZHANG Xu?jin（1959-），male,professor.