天生橋一級水電站河道滯時研究

林廣洪

（天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州 興義 562400）

1 概述

天生橋一級水電站是紅水河梯級電站的第一級，水庫總庫容102.6億m3，壩址以上流域面積50 139 km3，多年平均流量612 m3/s，年徑流量193億m3，為不完全多年調節水庫，電站裝機容量1 200 MW（4×300 MW）。

云鵬水電站位于云南省境內的南盤江干流中、下游河段上，電站壩址控制流域面積28 082 km2，裝機容量21萬kW，設計多年平均發電量8.48億kW·h，正常蓄水位以下庫容3.74億m3。

當前，天生橋一級水電站入庫流量預報以云鵬水電站、魯布革水電站、馬嶺水文站、貓街水文站4個斷面出庫流量為主要預報參考依據，其中云鵬水庫集水面積28 082 km2，占天生橋一級水電站壩址集水面積的55.9%，多年平均流量為天生橋一級水電站的35.6%，對天生橋一級水電站入庫流量預報影響巨大。由于水流存在滯時影響，云鵬水電站出庫流量并不能直接作為天生橋一級水電站對應時段的入庫流量，為進一步提高天生橋一級水電站的入庫流量預報精度，需要對云鵬水電站出庫流量傳播至天生橋一級水電站時間進行研究分析，得到較為精確的云鵬水電站至天生橋一級水電站河道傳播時間。

2 研究方法

2.1 研究思路

早期對天生橋一級水電站上游斷面（電站）流量傳播時間進行的研究僅停留在水文站相應洪峰流量出現計時上，且多年過去，水庫已蓄水，河道自然特性已發生改變、植被已發生變化等。為了得到較為精確的流量傳播時間，故需要利用科學的方法進行計算。

考慮到上游斷面的流量過程為非恒定流流量過程，為保證河道傳播時間成果的計算精度，本文擬基于地形資料、積累的天生橋一級水電站及云鵬水電站運行資料、河道斷面特性等基礎資料，采用一維非恒定流計算模型，計算上游斷面（云鵬水電站壩址斷面）流量過程演進至天生橋一級水電站壩址的流量過程，統計傳播時間，對天生橋一級水電站不同庫水位、不同上游斷面流量情況下演進至天生橋一級水電站壩址的傳播時間進行計算，為天生橋一級水電站入庫洪水預報工作提供依據。

2.2 模型方法

本次一維非恒定流計算采用HEC-RAS軟件計算。一維洪水基本方程組可用圣維南方程組描述如下：

式中x為流程(m)；Q為流量(m3/s)；Z為水位(m)；g為重力加速度；B為河寬(m)；t為時間(s)；ql為側向單位長度注入流量m2/s；A為過水斷面面積(m2)；R為斷面水力半徑；β為動能修正系數；n為糙率系數。

上述方程采用Preissmann四點偏心法進行差分離散。其特點是圍繞矩形網格中的一點來取偏導數并進行差商逼近。其網格的距離步長Δs可以是不等距的，而時間步長一般是等間距的。方程離散如下：

連續方程：

運動方程：

3 云鵬水電站至天生橋一級水電站河道滯時分析

3.1 基礎資料

本次研究將云鵬水電站壩址處作為上斷面，天生橋一級壩址處作為下斷面，選取2009年3月2日10:00～2019年12月31日23：00云鵬水電站逐小時出庫流量資料、2000年12月1日00:00～2019年12月31日23:00天生橋一級水電站逐小時水位、南盤江干流云鵬水電站出庫至天生橋壩址河段的縱橫剖面資料以及云鵬水電站不同洪峰量級下的出庫流量過程等作為本次計算的基本資料[1]。

3.2 計算條件

（1）初始條件

非恒定流計算時須給出初始時刻（t=0）各斷面的水位或流量值。該模型在計算非恒定流過程前，先假設恒定流計算得到的各斷面水位作為非恒定流計算的初始條件。具體操作上，本次挑選了上游斷面第一個時段的流量，相應單一河道下游斷面的流量直接采用其值，河段交匯點下游斷面流量值采用相鄰上游斷面的流量疊加值，在此基礎上進行恒定流推水面線計算，從而計算各個斷面的水位，作為初始條件[2]。

（2）邊界條件

上邊界條件：采用云鵬水電站不同洪峰量級下的出庫流量過程為模型的上邊界。

下邊界條件：各上游斷面流量過程河道演進計算的下邊界條件均采用天生橋一級水電站水庫的水位過程，分別為恒定的780 m、765 m、750 m及735 m水位過程。

計算參數：非恒定流模型計算的參數主要為斷面糙率，本次斷面糙率取值0.06～0.08；河道演進距離為163 km，平均坡度為1.1%。

3.3 計算成果

依據前文基礎資料、計算條件和計算方法，本文利用HEC-RAS軟件分析計算了上游云鵬斷面出庫流量過程的河道傳播時間，計算成果見下圖1（本文僅展示下邊界條件為天生橋一級水電站庫水位765 m時的結果）

圖1 天生橋一級水電站庫水位765 m，云鵬水電站300 m3/s洪峰量級下流量過程河道演進成果（上圖云鵬出庫斷面、下圖天生橋壩址斷面）

根據以上河道演進計算成果，可統計出各上游控制斷面在不同天生橋一級水庫庫水位條件下的河道傳播時間。不同天生橋一級水庫庫水位條件下，上游控制斷面各流量峰值演進至天生橋一級水庫壩址的河道傳播時間成果見表1所示。

表1 云鵬出庫流量河道傳播時間計算成果

從表1可看出，在天生橋一級水庫庫水位不變情況下，隨著云鵬水電站出庫流量洪峰增加，河道傳播時間縮短；在云鵬水電站出庫流量洪峰不變情況下，隨著天生橋一級水庫庫水位抬高，河道傳播時間縮短。

在天生橋一級水庫庫水位780 m條件下，云鵬水電站出庫流量各流量峰值的河道傳播時間為4～6 h；在天生橋一級水庫庫水位765 m條件下，云鵬水電站出庫流量各流量峰值的河道傳播時間為5～7 h；在天生橋一級水庫庫水位750 m條件下，云鵬水電站出庫流量各流量峰值的河道傳播時間為7～12 h；在天生橋一級水庫庫水位735 m條件下，云鵬水電站出庫流量各流量峰值的河道傳播時間為8～14 h。

4 成果合理性分析

本文采用經驗公式方法進行成果合理性分析。由水動力學可知，在水庫蓄水情況下，當河道變成水庫后，洪水波由運動波轉化為擴散波，波速明顯加大。庫區水流波速w計算的經驗公式如5所示：

式中：h為水庫平均水深，m；g為重力加速度，m/s2；v為斷面平均流速，一般設為 0，m/s。

另從南盤江干流小龍潭水文站至江邊街水文站、三江口水文站至巴結水文站洪水傳播時間和傳播距離分析，天然河道情況下，流量在300～2 200 m3/s之間，河道平均流速在1.8～3.5 m/s之間。

繪制天生橋一級水電站不同庫水位下的云鵬水電站出庫斷面至天生橋一級水庫壩址的河道縱剖面圖（庫水位765 m時河道剖面圖如圖2所示），可量算出庫區河段長度和天然河段長度。根據本河段水文站實測流速，并結合天然河段曼寧公式計算流速，可估計天然河段流速為1.8～3.5 m/s。在此基礎上，采用式（5）計算庫區傳播時間，疊加天然河道傳播時間后，即得總的河道傳播時間。根據前文表1中的結果，通過經驗方法計算，在天生橋一級水庫庫水位780 m、765 m、750 m及735 m條件下，云鵬水電站出庫流量平均傳播時間分別為4.0～7.1 h、4.6～8.3 h、6.5～12.5 h及 7.0～13.6 h，成果與本次計算是基本符合的，可判斷本次計算成果是合理可靠的[3]。

表2 不同庫水位條件下云鵬水電站出庫流量平均傳播時間計算表

圖2 云鵬水電站出庫斷面至天生橋一級壩址河道縱剖面圖

5 結論

采用一維非恒定流計算模型峰分析計算了天生橋一級水庫不同庫水位下云鵬控制斷面不同洪峰量級下的河道傳播時間，經檢驗，計算結果合理可靠，可用于天生橋一級水電站的徑流預報中，并可為電網調度管理機構科學合理的考核水電廠徑流預報結果提供了依據，對于其他水電廠可以提供一定的借鑒意義。