梯級電站變動回水區設計最低通航水位確定方法

徐軍輝，鄧 偉

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

近年來，我國水電事業蓬勃發展，按照“流域、梯級、滾動、綜合”開發方針，正在形成以黃河、烏江、瀾滄江等為代表的規模巨大的梯級水庫群，梯級水庫群的形成極大地改變了河川徑流的自然規律。其中水庫變動回水區受上游電站泄流及下游電站壩前水位的雙重影響，航道條件時好時壞，而影響航道條件的主要因素為河道水位，設計最低通航水位的確定對變動回水區航道整治工程設計至關重要。

目前天然河流的設計最低通航水位確定方法較為成熟，一般對多年水位資料采用綜合歷時曲線法和保證率頻率法進行計算，而變動回水區河段設計最低通航水位確定方法可供參考研究成果[1-6]較少，設計最低通航水位保證率主要以流量為指標進行統計，而且一般流量保證率無法達到規范要求標準，各家均根據研究水庫特點選擇保證率，取值不一，無統一標準。

《內河通航標準》[7]和《港口與航道水文規范》[8]關于通航河流樞紐上游河段設計通航水位的確定，采用多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包絡線作為沿程各點的最低通航水位。同時，《內河通航標準》條文補充說明了確定通航水位時，應充分考慮壩前特征水位與相應入庫流量的不同組合，以可能出現的最低水位作為設計最低通航水位。

規范考慮了庫區水位受壩前水位及入庫流量的雙重影響，以其中一個因素作為控制，對另外一個因素進行多種組合，選擇最低水位作為設計最低通航水位。然而在設計工況的選取中，多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合中相應壩前消落水位，以及壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合中相應的入庫流量難以確定，因為梯級電站入庫流量與壩前水位完全受人為調控，且兩者并無直接關系，若取多年歷時保證率的入庫流量與歷史上出現過的最低壩前消落水位，或者壩前死水位或最低運行水位與歷史上出現最小下泄流量進行組合，可能出現代表性不足的情況。規范未考慮兩個因素的組合概率，工況組合的選取具有一定的偶然性。

部分項目在設計中選取極端工況，即多年歷時保證率的入庫流量與壩前死水位或最低運行水位進行組合，但實際該工況組合出現的概率很小，最終可能出現為了確保很小概率工況通航而投入大量資金進行整治的問題，這將造成投資的重大浪費，而且對于多年歷時保證率入庫流量很小的庫區，航道整治工程實施難度很大。

本文以烏江梯級電站中沙陀變動回水區為例，對入庫流量、壩前水位及其組合進行分析，探討梯級電站變動回水區設計最低通航水位確定方法。

1 烏江沙陀庫區概況

烏江流域規劃有白馬、銀盤樞紐、彭水、沙陀、思林、構皮灘、烏江渡、索風營、東風、洪家渡、引子渡、普定等11級水利樞紐(其中洪家渡位于北源六沖河，引子渡、普定位于南源三汊河)，兩源交匯口以下梯級見圖1。

圖1 烏江梯級電站(兩源交匯口以下)

沙陀水電站位于貴州省沿河縣上游約7 km處，是烏江干流上貴州省境內最后一個梯級，距上游思林水電站116 km。沙陀樞紐工程以發電為主，兼顧航運、防洪、灌溉等綜合效益。沙陀樞紐屬日周調節水庫。沙陀水電站于2013年5月11日首臺機組發電，2013年6月13日4臺機組相繼全部投產發電。

思林樞紐位于沙陀樞紐上游，擔負發電、航運、防洪、灌溉等綜合利用任務。思林樞紐具備季調節性能，按日、周調節運行。思林電站2006年11月開工建設，2009年全部機組發電。

2 入庫流量及壩前水位分析

2.1 入庫流量

沙陀庫區上一級樞紐為思林電站，思林電站出庫流量即為沙陀庫區入庫流量。思林電站2014年5月—2017年5月日均出庫流量見圖2。沙陀庫區月平均入庫流量年內分配見表1。汛期5—10月入庫流量較大，汛期月平均入庫流量為944 m3s，枯期11—次年5月月平均入庫流量為445 m3s，全年平均入庫流量為780.3 m3s。思林庫區98%保證率出庫流量為197 m3s。

圖2 2014年5月—2017年5月沙陀庫區入庫流量過程

表1 沙陀庫區水文年月平均入庫流量年內分配

2.2 沙陀庫區壩前水位

根據電站設計報告，沙陀電站正常運行期間發電調度計劃為：沙陀水電站的發電以利用水頭為主，在滿足其他綜合利用的前提下盡量保持高水位運行。在汛期6—8月，為滿足上、下游防洪需要，水庫汛期限制水位357 m；在滿足電力系統負荷要求后，水庫可進行日調節，電站發電時水位在353.5～357.0 m運行；非汛期時，水庫無防洪要求，須進行日調節，承擔事故備用及負荷備用，此時水庫可保持較高水位362.43～365.00 m運行，以便充分利用入庫流量多發電。

從近年來沙陀壩前水位資料來看(圖3)，烏江主汛期為6—8月，汛前沙陀壩前水位降低，汛期水位上升，枯期維持高水運行。近3 a資料表明，沙陀壩前水位并未完全按照調度方案運行，部分時段可能出現非汛期蓄水不足而導致壩前水位較低，但該工況持續時間不長。

圖3 2015年5月—2016年5月沙陀庫區壩前水位過程

2.3 沙陀庫區入庫流量與壩前水位遭遇組合

點繪沙陀庫區入庫流量與壩前水位關系，見圖4。從圖4可看出，當沙陀庫區壩前水位較低時，一般入庫流量較大；而當入庫流量較小時，一般壩前水位較高。統計沙陀庫區入庫流量與壩前水位遭遇組合出現概率，見表2。從統計結果來看，近年來沙陀壩上未出現死水位353.5 m，沙陀庫區入庫小流量與壩前低水位組合遭遇概率較低。入庫流量小于300 m3s且壩前水位低于355 m的概率為0.62%，入庫流量小于2 000 m3s且壩前水位低于365 m的概率為98.97%。

圖4 沙陀庫區入庫流量與壩前水位關系

表2 2013—2017年沙陀庫區入庫流量與壩前水位遭遇組合概率 %

注：組合概率為入庫流量與電站壩前水位均小于表中數值的天數占統計總天數的百分比。

3 設計最低通航水位的確定標準

3.1 傳統方法

烏江沙陀庫區規劃航道等級為III級。按照規范要求，沙陀庫區最低通航水位應取98%保證率的入庫流量(197 m3s)與相應的壩前消落水位組合，以及最低運行水位(353.8 m)與相應的各級入庫流量組合，并取其包絡線作為設計最低通航水位。從圖4可看出，入庫流量小且相應的壩前水位低的區域點距稀疏，對應的水位或流量的選取具有一定的隨機性。若選擇極端工況，取98%保證率的入庫流量(197 m3s)與死水位(353.5 m)進行組合(極端工況出現概率小，但不排除出現的可能。如金沙江金安橋電站庫區2017年出現入庫小流量遭遇死水位組合)，雖然穩妥，但按此水位進行設計須對河道進行大開挖，在現有河道中形成人工深槽，這將導致河道水位出現明顯下降，河道開挖上延至上一級樞紐壩下將對上一級樞紐的穩定性和安全性造成影響。

3.2 水位流量組合的保證率

以往的研究只考慮了入庫流量的保證率，但對于梯級電站，庫區入庫流量小不一定水深條件差，非汛期入庫流量較小，但壩前水位較高，變動回水區水深可滿足通航要求；汛期壩前水位較低，但入庫流量較大，變動回水區水深同樣可滿足通航要求，因此只考慮流量保證率不能代表變動回水區實際設計最低通航水位保證率。此外，在工況組合的選取中，當選擇多年歷時保證率流量或壩前水位作為控制因子，另一非控制因子的確定具有一定的隨機性。考慮到上述缺陷，本文提出采用水位流量組合保證率確定航道水深保證率。

以整治河段末端斷面作為控制斷面，首先假定該斷面水深不小于設計通航水深，即認為整治河段水深均滿足設計通航水深要求。對于整治河段，當入庫流量大于最小通航流量Qmin時，不論壩前水位多少，航道水深h均滿足設計要求。當壩前水位高于最低淹沒水位H淹沒(即入庫流量為上一級電站下泄基流條件Q基下，整治河段末端斷面航道水深h不小于設計通航水深時的水位)時，不論入庫流量多少，整治河段航道水深h也均能滿足設計要求(圖5)。

圖5 整治河段工況

上述兩種情況均為極端工況，通過試算可得到變動回水區滿足設計通航水深所需的臨界入庫流量與壩前水位組合曲線(圖6)，曲線以外各工況組合均能滿足設計通航水深要求。因此利用該曲線即可統計確定航道的最小水深保證率。

圖6 梯級電站庫區入庫流量與壩前水位組合

在實際操作中，曲線須通過不斷試算得到，過程較為復雜。為了簡化該過程，同時利于制定梯級電站航運調度方案，可將該曲線簡化成折線。雖然設計最低通航水位保證率有小幅降低，但降低幅度很小。因此，整治河段最小水深保證率的確定轉化為圖6中區域A的概率的統計。從圖6可看出，整治河段水深條件不滿足要求的情況是上一級電站下泄流量小于其最小通航流量Qmin，且壩前水位低于最低淹沒水位H淹沒。因此梯級電站庫區變動回水區航道水深保證率，即流量與水位組合保證率計算公式為：

P=1-P′

(1)

式中：P為庫區河道水深滿足設計要求保證率；P′為上一級電站下泄流量小于其最小通航流量Qmin且壩前水位低于最低淹沒水位H淹沒的概率。

3.3 設計最低通航水位計算步驟

1)參照GB 50139—2014《內河通航標準》和JTS 145—2015《港口與航道水文規范》對保證率的要求，確定整治河段航道設計最小水深保證率P、P′。

2)確定水位流量曲線圖中H淹沒與Qmin的初值H′淹沒與Q′min。H′淹沒可取上游電站下泄基流條件下整治河段末端控制斷面最小水深等于設計通航水深時下游電站的壩前水位。Q′min根據水力學公式試算確定天然情況下整治河段基本滿足設計通航水深的最小流量。

3)統計初值H′淹沒、Q′min組合概率，若組合概率等于P′，則H′淹沒、Q′min組合即為設計最低通航水位工況組合H淹沒、Qmin；若組合概率小于P′，說明保證率較高，且有部分富余，可增大H′淹沒或Q′min得到組合概率等于P′的設計最低通航水位工況組合H淹沒、Qmin；若組合概率大于P′，說明保證率小于規范要求，需要采取措施提高最小水深保證率以達到設計目標。

根據水位流量曲線可知，有3種方式可達到設計目標：

①在不改變目前調度方式的基礎上(即維持目前入庫流量、壩前水位點據分布)，通過疏浚、炸礁等措施增加整治河段水深，進而減小H′淹沒或Q′min值，以增大組合概率P。考慮到H′淹沒值的小幅變化影響范圍較小，實際設計中可固定H′淹沒值，對Q′min值進行調整，確定滿足設計目標的Qmin。采取工程措施以滿足入庫流量Qmin與壩前死水位組合工況下，沿程水深達到設計通航水深即可達到設計目標。該方法可不改變電站現有的調度方案，但可能需投入較多資金對航道進行整治。

②改變現有的梯級電站調度運行方式，增大設計最小水深保證率(即維持流量曲線圖中折線不變，增加A區點據數量以提高A區保證率)。制定梯級電站調度方案：當上游電站下泄流量小于Qmin時，下游壩前水位不得低于H淹沒；當下游壩前水位低于H淹沒時，上游電站下泄流量不得小于Qmin時，即進行矩形調度。

為進一步提高電站發電效率，實際調度過程中也可對調度方案進一步細化，將調度曲線設置成階梯型曲線(圖7)。該方法可不對航道進行整治，但須與電站方進行溝通協調，根據調度曲線制定低水期調度方案，該方法可能會對電站發電效益有影響。

圖7 電站梯形調度曲線

③結合上述兩種方法的優勢，在電站可接受的調度方式下，投入最少的資金對航道進行整治，以達到最優的效果。因此須綜合考慮電站發電效益和航道工程投資等因素，提出最優的調度方案與航道整治措施。

4)根據各工況取下包絡線，最終確定設計最低通航水位工況組合為Qmin與壩前死水位組合。

4 沙陀變動回水區設計最低通航水位確定

沙陀庫區III級航道起于沙陀通航建筑物口門區，止于思林電站通航建筑物口門區，因此沙陀庫區III級航道整治終點位于思林電站通航建筑物口門區。以口門區河道斷面作為控制斷面，由思林電站下泄基流193 m3s、口門區河道水深達到3.0 m時，沙陀電站壩前水位確定最低淹沒水位H淹沒為362 m。

不改變目前調度方式的基礎上，分析并試算2014—2017年的數據，流量≤430 m3s、水位≤362 m組合概率為5%，見表3。最終確定沙陀庫區變動回水區III級航道最小水深保證率水位流量組合工況為H淹沒=362 m、Qmin=430 m3s，最終確定設計最低通航水位計算工況組合H死=353.5 m、Qmin=430 m3s。

表3 沙陀庫區統計壩前流量水位關系

5 結論

1)傳統的梯級電站變動回水區設計最低通航水位保證率統計只考慮了入庫流量而未考慮壩前水位，不能代表實際保證率，而且設計最低通航水位計算工況組合的選取具有一定的偶然性。

2)對烏江沙陀庫區入庫流量與壩前水位統計發現，梯級電站變動回水區壩前水位較低時一般入庫流量較大，而當入庫流量較小時一般壩前水位較高。

3)針對梯級電站變動回水區的特點，提出采用水位流量組合保證率確定設計最低通航水位保證率，并提出了具體計算方法和步驟，利用該方法可合理確定梯級電站變動回水區設計最低通航水位。

4)利用上述方法確定了沙陀變動回水區設計最低通航水位計算工況組合。