向家壩水電站泄洪霧化及其影響分析

曾少岳，張永濤，張苾萃，顧 莉，戴曉兵，苗寶廣，王立杰

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 工程概況

向家壩水電站是金沙江干流水電梯級規劃的最后一個梯級電站，壩址位于四川省與云南省交界處的金沙江下游河段的向家壩峽谷出口。攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高162 m。設計洪水洪峰流量為41 200 m3/s(P=0.2%)[1]，校核洪水洪峰流量為49 800 m3/s(P=0.02%)。工程的開發任務以發電為主，同時具有改善上、下游通航條件、防洪、攔沙，兼顧灌溉的作用，并具有對上游溪洛渡水電站進行反調節的綜合效益。

向家壩水電站下游右岸緊鄰云南省水富縣縣城，大壩距縣城最近距離約700 m，距大型企業云南天然氣化工廠生產區中心1 900 m，縣城居民生活和化工廠的生產對空氣濕度要求嚴格，為確保電站建成后，居民生活和工廠生產不受影響，需嚴格控制泄洪霧化范圍[1,2]。同時，下游通航河段要求泄洪出流流態平順，流速滿足安全航行要求[1]?；谙蚣覊嗡娬舅幍奶厥猸h境，需要重點關注向家壩水電站的泄洪消能設計，把工程建設成為對周圍環境影響最小、綠色和諧的友好工程。

圖1 向家壩水電站泄洪消能建筑物布置示意(單位：m)

2 泄洪消能建筑物體形的選擇

向家壩水電站泄洪消能建筑物體形設計需同時滿足以下3點要求：①“高水頭、大單寬、多泥沙”泄洪安全；②泄洪低霧化；③泄洪出流低速平穩。

傳統的挑流、面流及底流消能方式在向家壩水電站中均有局限性。①挑流消能方式利用泄水建筑物的挑流鼻坎將高速下泄水流挑向遠離建筑物的河床與下游水流相銜接，具有經濟、施工方便和調度簡單等優點，但會產生較嚴重的霧化，且下游河道水面波動較大[2-4]，不能滿足向家壩水電站下游嚴格的濕度要求和通航要求，故挑流消能方式不適用于本工程。②面流消能方式利用泄水建筑物末端的垂直鼻坎將高速下泄水流引向下游水流的表層，通過主流在表面及底部漩滾消剎水流能量，其霧化影響小，但存在下游水面波動大且傳輸距離較長的問題[3]，不能滿足下游的通航要求，因此，面流消能方式不適用于本工程。③底流消能方式是在壩址下游設消力池、消力坎等，使下泄水流在限定范圍內產生水躍，通過水流的內部摩擦、摻氣和撞擊消耗能量，具有消能效果好、下游水面波動和霧化小等優點[2-4]。但向家壩泄水建筑物泄洪水頭差在85～91 m間，末端流速在40 m/s以上，如采用底流消能方式，消力池存在較大的安全風險，故底流消能方式不適用于本工程。

針對向家壩水電站的泄洪消能技術問題，設計單位在可行性研究階段聯合國內多家科研院校進行了深入的研究，開展了大量水工模型試驗和數值模擬試驗，對消能方式進行了分析，通過全面、系統的比較和論證，最終選定了類似底流消能方式的雙層多股三元淹沒射流的新型消能工，技術方案如圖1所示。

對向家壩水電站泄洪消能設計進行模型試驗，成果表明，新型消能工使高速水流以雙層多股的方式進入消力池水體中部，形成水平淹沒射流，水流流態穩定，各股水流紊動摻混劇烈，消能效果好；高速水流的主流遠離消力池底部，臨底流速大幅降低；出池水流平順，泄洪霧化影響范圍顯著減小[5-7]。

3 原型孔口泄洪調度情況

向家壩水電站于2004年11月通過國家發改委組織的審查，2006年11月正式開工建設，2012年10月10日下閘蓄水，并在庫水位353 m左右由中孔單獨泄洪。2013年汛期，庫水位逐步抬升至正常運行水位380 m，由10個中孔和部分表孔聯合泄洪。2013年、2014年汛期開展了相關原型試驗，包括單池6個表孔全開、部分表孔全開和10個中孔分批全開等運行工況。自2012年孔口泄洪以來，孔口最大下泄流量、單池最大下泄流量分別為11 080、8 530 m3/s。2012年～2018年汛期向家壩水電站汛期孔口泄洪調度情況見表1。

表1 向家壩水電站汛期孔口泄洪調度情況

4 泄洪霧化影響分析

4.1 泄洪霧化情況

泄洪時可觀測到，在消力池池首100 m左右的區域有輕微的霧化現象，水霧來源于射流強剪切區，強度隨中、表孔下泄流量的增加而增大，水霧爬升并擴散的范圍局限在消力池邊墻附近區域。

中孔單獨運行時，主流入池時的淹沒度大，霧化強度弱，同時射流強剪切區位于壩面中隔墻內，隔墻有效遏制了其擴散?？卓谛￠_度運行時，只在消力池池首存在輕微的霧化現象，見圖2a。孔口大開度運行時，射流強剪切區存在霧化現象，霧化影響范圍僅限于消力池內，見圖2b。

圖2 中孔單獨泄洪霧化情況

圖3 表孔參與泄洪時的泄洪霧化情況

表孔參與泄洪時，主流入池時的淹沒度明顯較中孔主流的淹沒度小，霧化強度有所增大。受水舌風和自然風的影響，水霧縱向可飄逸至消力池末端附近；受消力池邊墻限制，水霧橫向僅超出消力池邊墻15 m左右。表孔小開度開啟泄洪時，霧化強度小，影響范圍僅在消力池池首附近，見圖3a；12個表孔均勻開啟下泄4 000 m3/s時，左、右邊導墻頂樁號壩0+220.00、壩0+360.00處的實測降水量分別為5.19、0.65 mm/h[8]。表孔大開度運行且下游水位較低時，泄洪霧化影響區域也僅限于消力池及其附近的很小范圍，位于消力池尾坎處的邊墻頂可間歇性觸感有少許水滴飄灑；河道兩岸等外圍區域未監測到由泄洪引發的降水，降雨強度為0[8]，見圖3b、3c。

4.2 水富縣城濕度監測成果

為了解向家壩水電站泄洪對水富縣城空氣濕度的影響，特在城區建設了2個小型自動氣象站，分別是臨江且靠近消力池出口的江邊自動氣象觀測站和遠離江邊的云天化中學自動氣象觀測站。2個自動氣象站自2006年起對向家壩水電站建設區域附近的風速、風向、溫度、濕度和降水量等參數實施不間斷監測，站點布置情況如圖4所示。

圖4 向家壩水電站下游水富縣城小型自動氣象站布設示意

4.2.1天然狀態下濕度監測成果

2007年至2011年，在向家壩水電站蓄水及泄洪之前，5年間天然狀態下水富縣城附近環境濕度監測數據如圖5所示。每年6月至10月，江邊氣象站、云天化中學氣象站監測的日平均相對濕度均多在50%～90%之間，各年該時段內的平均相對濕度的均值在71%～76%之間。統計2007年至2011年2個站點平均相對濕度大于70%的天數占6月至10月總天數的比例，江邊氣象站、云天化中學氣象站的比例分別為66.83%和57.07%，可見2個氣象站測得的平均相對濕度大于70%的時間均超過55%。

圖5 向家壩水電站蓄水前水富縣城日平均相對濕度監測成果

4.2.2工程蓄水泄洪后的濕度監測成果

向家壩水電站蓄水后，根據上游入庫流量，泄洪孔口時常開啟泄洪。根據2012年至2015年4年間2個氣象站汛期的監測資料，結合向家壩水電站孔口泄洪情況，監測成果顯示泄洪對下游縣城的濕度無影響。分析表明，只在有降雨時，氣象站才能監測到降水量。

蓄水后，2個氣象站的環境濕度監測數據如圖6所示。結果表明，水富縣城每年6月至10月的日平均相對濕度值多在50%～90%之間，各年該時段內的平均相對濕度的均值在66%～77%之間，規律與電站蓄水前同期基本相同。

圖6 向家壩水電站蓄水后水富縣城日平均相對濕度監測成果

江邊站、云天化中學站2個站點每年6月至10月平均相對濕度大于70%的天數統計結果如圖7所示。統計2012年至2015年4年2個站點平均相對濕度大于70%的天數占6月至10月總天數的比例，江邊氣象站、云天化中學氣象站的比例分別為61.38%和65.44%，與蓄水前相比較，近壩的江邊站略有減少、遠離大壩的云天化中學站有所增多，但變化不大。通過多年同期數據比較，說明環境濕度并未受泄洪影響而有明顯變化趨勢。

圖7 氣象站每年6月至10月平均相對濕度大于70%的天數統計

圖7還標注了向家壩水電站每年孔口泄洪的天數。通過比較孔口泄洪天數與平均相對濕度大于70%的天數，發現兩者的關系也不密切?？卓谛购樘鞌蹬c江邊站的平均相對濕度大于70%的天數的變化趨勢相近，但孔口泄洪的時間更長，而孔口泄洪天數與云天化中學站則無任何規律，說明泄洪并未直接影響水富縣城的相對濕度。

比較每日的孔口下泄流量與氣象站監測的平均相對濕度，部分監測結果如圖8所示，發現其兩者也無相關性。通過對比天氣資料與濕度的關系發現，相對濕度受天氣(降雨、氣溫等)的影響較大。例如，在2014年8月19日出庫流量為15 500 m3/s左右時，2個氣象站監測的日平均相對濕度均為76%，當天水富縣城天氣為多云，實測溫度22～29.8 ℃；在2014年9月18日，出庫流量為10 100 m3/s左右時，江邊站、云天化中學站2個氣象站監測的日平均相對濕度分別是92%、86%，當天水富縣城天氣為雨天，實測溫度19.3～21.3 ℃，江邊站和云天化中學站的降水量分別為53.5 mm和58.1 mm，說明環境的相對濕度與天氣有關，與泄洪流量關系不大。

圖8 孔口下泄流量與氣象站平均相對濕度監測成果(2014年6月至10月)

5 結 論

向家壩水電站泄洪的原型觀測成果表明，霧化強度與閘門調度方式有密切的關系，消力池內流態越平穩，霧化越小；中孔單獨運行時，主流入池時淹沒度大，霧化強度弱，同時隔墻有效遏制了水霧擴散，霧化影響范圍僅限于消力池內；表孔參與泄洪時，主流入池時淹沒度相對較小，霧化強度有所增大，水霧縱向可飄逸至消力池末端附近，橫向僅超出消力池邊墻15 m左右，河道兩岸等外圍區域未監測到由泄洪引發的降水。同時，結合電站下游水富縣城2個氣象站的平均相對濕度監測成果，分析表明泄洪霧化對水富縣城相對濕度沒有影響。