白鶴灘蓄水期向家壩控泄對(duì)下游航道影響分析*

畢明亮，潘 增，邢 龍，唐玉川，陳忠賢，孫志峰

(中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430010)

白鶴灘水電站開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[1]的巨型水電工程。根據(jù)白鶴灘水電站發(fā)電計(jì)劃安排，電站于2021年4月初下閘蓄水，5月底蓄至760 m，對(duì)應(yīng)蓄水量77.35億m3，7月1日實(shí)現(xiàn)首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，經(jīng)對(duì)電站壩址歷史同期入庫徑流分析測(cè)算，僅靠攔蓄壩址天然入庫徑流無法滿足電站蓄水要求。根據(jù)白鶴灘水電站批復(fù)蓄水計(jì)劃[2]，白鶴灘蓄水須考慮上游雅礱江梯級(jí)及烏東德水庫，下游溪洛渡、向家壩水庫配合運(yùn)用，且最小下泄流量不低于下游河段最小生態(tài)承載基流。溪洛渡水庫庫尾上接白鶴灘水電站，《金沙江白鶴灘水電站水庫蓄水論證專題報(bào)告》[3]指出，當(dāng)溪洛渡水庫庫水位高于580 m時(shí)，庫尾尾水可銜接至白鶴灘壩址；《白鶴灘水電站環(huán)境影響報(bào)告書》批復(fù)意見[4]要求，溪洛渡梯級(jí)水庫銜接時(shí)，白鶴灘最小下泄流量為1 160 m3/s，不銜接時(shí)最小下泄流量為640 m3/s。向家壩水庫作為溪洛渡水電站反調(diào)節(jié)水庫，3—5月期間基本維持出入庫平衡狀態(tài)；為最大限度配合白鶴灘蓄水，2021年3—5月，在滿足向家壩水電站下游過機(jī)船舶正常航行情況下，溪洛渡、向家壩水電站須逐步減少下泄流量，以實(shí)現(xiàn)盡可能延長溪洛渡580 m以上銜接庫水位時(shí)間的目的。

本文在結(jié)合前期有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，利用最新地形數(shù)據(jù)，建立了向家壩—瀘州河段一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算向家壩水電站下游最低通航水位對(duì)應(yīng)最小下泄流量，并根據(jù)向家壩水電站實(shí)際日調(diào)節(jié)出庫流量運(yùn)行特點(diǎn)，制定對(duì)應(yīng)日調(diào)節(jié)出庫流量方案，初步分析白鶴灘蓄水期間向家壩水電站控泄對(duì)下游航道的影響，可為白鶴灘蓄水期或向家壩水電站特枯年份的出庫調(diào)度提供參考。

1 向家壩下游航道及水流條件概況

1.1 航道概況

水富—宜賓是長江航道的上游延伸段，為Ⅴ級(jí)航道并按IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)，規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，匹配設(shè)計(jì)的向家壩升船機(jī)為IV級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)?！笆晃濉逼陂g，通過對(duì)宜賓—重慶30余處礙航險(xiǎn)灘整治處理，目前已達(dá)到Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)尺度為2.7 m×50 m×560 m(水深×航寬×彎曲半徑，下同)，保證率為98%，航道維護(hù)等級(jí)、航標(biāo)配布類別均為一類[5]。敘渝航道實(shí)行分月維護(hù)尺度，分別按12—4月的2.7 m×50 m×560 m、5和11月的3.2 m×60 m×600 m、6和10月的3.5 m×60 m×600 m、7—9月的3.7 m×80 m×700 m執(zhí)行[6]。2017年起，敘渝航道維護(hù)尺度進(jìn)一步提升，最低航道水深由2.7 m提升至2.9 m，為全力配合白鶴灘蓄水，白鶴灘蓄水期間，交通運(yùn)輸部長江航務(wù)管理局臨時(shí)調(diào)整敘渝航道最低通航水位至2.7 m，對(duì)應(yīng)宜賓合江門水位257.27 m。

1.2 河道非恒定流特征

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個(gè)梯級(jí)，下游約3.5和31.5 km處有橫江和岷江兩條支流匯入。文獻(xiàn)[7-10]的研究結(jié)果表明，電站日調(diào)節(jié)產(chǎn)生的非恒定流使下游河道水位變幅、流速、流態(tài)等較天然條件均變化巨大，且敘瀘段水流條件受向家壩水電站日調(diào)節(jié)、岷江來水共同影響，波幅、波形與向家壩水電站下泄調(diào)節(jié)過程符合度更高，并隨著傳播距離增加而衰減，至合江波形基本完全坦化；電站滿發(fā)運(yùn)行時(shí)調(diào)峰、切機(jī)等會(huì)引起下游河道水位劇烈變化，并呈以下規(guī)律：切機(jī)臺(tái)數(shù)越多，下游水位變幅越劇烈，需補(bǔ)水量越大，時(shí)間越短，當(dāng)切機(jī)臺(tái)數(shù)超過2臺(tái)時(shí)，水位變幅將超過航運(yùn)允許水位最大時(shí)變幅。

2 向家壩下游非恒定流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

《金沙江向家壩水電站水庫運(yùn)用和電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》[11]規(guī)定，向家壩水電站下游最低通航水位為265.8 m，相應(yīng)流量為1 200 m3/s。實(shí)際上，電站下游水位受橫江、岷江頂托，河道沖刷下切等因素影響，最低通航水位相應(yīng)流量呈持續(xù)上升趨勢(shì)，吳垠等[12]采用長系列法，結(jié)合2009—2012年整編資料分析岷江、橫江來水對(duì)向家壩下游水位頂托影響，得出岷江、橫江來水與下游河道水位頂托呈正相關(guān)關(guān)系，來水越大，頂托量越大，反之越?。粍⒂碌萚13]采用保證頻率法、反推流量法、天然入?yún)R分配法等分析向家壩電站最小下泄流量為1 296 m3/s；潘增等[14]采用一維非恒流模型定量分析向家壩水電站相同出庫流量條件下，得出2015—2017年期間河床下切使向家壩專用水文站汛期、枯期平均水位分別下降了0.25、0.15 m。

鑒于向家壩水電站下游最低通航水位對(duì)應(yīng)最小下泄流量受岷江、橫江來水和地形沖刷影響，且呈持續(xù)發(fā)展變化趨勢(shì)。本文以最新地形測(cè)量數(shù)據(jù)，向家壩—宜賓江段采用2020年1:2 000實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，宜賓—瀘州江段采用2019年實(shí)測(cè)固定斷面數(shù)據(jù)建立向家壩—瀘州一維非恒定流數(shù)學(xué)模型。

2.1 控制方程

山區(qū)一維非恒流運(yùn)動(dòng)過程遵循圣維南方程組原理，具體可表述為求解圣維南方程組連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，形式如下[15-18]：

(1)

式中：A為過流斷面面積(m2)；t為時(shí)間(s)；Q為流量(m3/s)；x為水流方向的水平距離(m)；q為單位河長側(cè)向入流流量(m3/s)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；h為水位(m)；C為謝才系數(shù)(m0.5/s)；R為水力半徑(m)。

2.2 計(jì)算范圍與邊界條件

王立杰等[19]的研究結(jié)果表明，向家壩水電站日調(diào)節(jié)非恒定流最遠(yuǎn)影響至合江段，結(jié)合電站下游沿程站點(diǎn)分布和實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)情況，本次計(jì)算河段范圍為向家壩壩址—瀘州水位站，計(jì)算河段全場(chǎng)約165 km。壩址—宜賓河段以2020年1:2 000實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以200 m間隔剖取典型代表斷面；宜賓—瀘州河段采用2019年實(shí)測(cè)河道斷面數(shù)據(jù)，斷面間距根據(jù)沿程河床走勢(shì)間隔500～2 700 m不等，模型斷面總計(jì)302個(gè)，河道斷面地形資料良好，能較好反映河道沿程變化情況。計(jì)算斷面分布情況如圖1所示。

圖1 向家壩—瀘州一維非恒定流斷面布設(shè)

由圖1可看出，模型上邊界為向家壩壩址處，并以日調(diào)節(jié)出庫流量過程為控制條件，下邊界為瀘州水位站處，并以水位流量關(guān)系為控制條件；模型考慮岷江、橫江、沱江河口處側(cè)向流量匯入，并以入?yún)R流量過程作為控制條件。

2.3 模型率定與驗(yàn)證

模型參數(shù)準(zhǔn)確性是模型能否真實(shí)反映非恒定流演進(jìn)過程的關(guān)鍵，向家壩水電站配合白鶴灘蓄水調(diào)節(jié)時(shí)段為3—5月，處于枯水期。本文旨在探索向家壩水電站在此期間減少下泄流量對(duì)下游河道航運(yùn)影響。向家壩調(diào)節(jié)出庫流量影響范圍主要集中在水富—宜賓江段，對(duì)宜賓—瀘州江段影響較小。因此，選取同期2020年最枯時(shí)段2—3月，2021年最枯時(shí)段2月長系列實(shí)測(cè)水位、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，并以沿程向家壩、三塊石、普安、大雪灘、宜賓、沙坪、李莊等站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定。

根據(jù)向家壩—瀘州區(qū)間各驗(yàn)證站點(diǎn)位置關(guān)系分段設(shè)置河床糙率，并按率定、驗(yàn)證期各站點(diǎn)實(shí)際水位過程分別賦予高、中、低水位3個(gè)區(qū)間糙率，經(jīng)率定計(jì)算河段低、中、高水位糙率值分別介于0.043～0.069、0.037～0.062、0.036～0.060，河床糙率總體呈低水位高于中水位、中水位高于高水位趨勢(shì)。向家壩站和普安站率定期和驗(yàn)證期水位對(duì)比見圖2、3?？梢钥闯觯诼识ㄆ?020年2—4月，向家壩站和普安站實(shí)測(cè)水位與模擬值對(duì)比良好，向家壩站在率定期模擬最大誤差為0.334 m，普安站在率定期模擬最大誤差為0.296 m；驗(yàn)證期的時(shí)間選擇為2021年2—3月，向家壩站在驗(yàn)證期模擬最大誤差為0.391 m，普安站在率定期模擬最大誤差為0.424 m。

圖2 率定期模擬結(jié)果

圖3 驗(yàn)證期模擬結(jié)果

向家壩—李莊各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2020、2021年枯水期最枯時(shí)段平均模擬誤差見表1，結(jié)合圖2、3的長系列模擬結(jié)果可知，各監(jiān)測(cè)站模擬平均誤差隨水流演進(jìn)呈增大趨勢(shì)，即下游水位站點(diǎn)的模擬平均誤差大于上游模擬站點(diǎn)平均誤差，在宜賓站平均誤差達(dá)到最大值，最大值不足0.2 m，相比于該處水深而言，誤差占比較小。分析原因可能是受到河道斷面地形、河道斷面布設(shè)以及河網(wǎng)概化等原因的影響?？傮w而言，除極少數(shù)點(diǎn)水位突變情況外，其他時(shí)間以及站點(diǎn)水位誤差基本滿足要求，因此可以認(rèn)為向家壩—瀘州一維非恒定流數(shù)學(xué)模型模擬效果較好，滿足計(jì)算精度要求。

表1 各監(jiān)測(cè)站水位模擬平均誤差

3 向家壩控泄非恒定流模擬與分析

3.1 工況擬定

3.1.1工況制定原則

向家壩水電站以發(fā)電為主，制定電站出庫流量計(jì)劃時(shí)，原則上應(yīng)以發(fā)電需求為主，王永強(qiáng)等[20]基于此提出向家壩水電站枯水期可兼顧下游航運(yùn)要求的發(fā)電運(yùn)行方式。本文則是基于白鶴灘水庫蓄水期各有關(guān)部門批復(fù)的有關(guān)溪洛渡、向家壩水庫調(diào)度要求，即溪向水電站應(yīng)在滿足自身發(fā)電、通航等正常需求前提下，逐步減少下泄流量配合白鶴灘水庫蓄水。《金沙江向家壩水電站水庫運(yùn)用和電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》規(guī)定，電站運(yùn)行初期下游升船機(jī)最低通航水位為265.8 m，日調(diào)峰運(yùn)行時(shí)下游水位最大日變幅暫按不超過4.5 m/d控制；經(jīng)對(duì)向家壩水電站下游通航水流條件進(jìn)一步研究論證，交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于《金沙江向家壩水電站升船機(jī)運(yùn)行期(初期)航運(yùn)調(diào)度方案》的復(fù)函[21]規(guī)定，正常情況下，電站下游水位最大日變幅按不超過3 m/d控制，最大小時(shí)變幅按不超過1 m/h控制，特殊情況下，電站下游最大日變幅按不超過4.5 m/d控制。本文按有關(guān)部委最新批復(fù)蓄水要求和向家壩水電站航運(yùn)調(diào)度規(guī)定原則執(zhí)行，優(yōu)化白鶴灘蓄水期間向家壩水電站出庫調(diào)度方式。

3.1.2邊界條件擬定

敘渝航段航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，維護(hù)尺度為2.7 m×50 m×560 m，保證率為98%。橫江、岷江支流入?yún)R流量按相同98%保證率考慮，通過對(duì)向家壩水電站投產(chǎn)運(yùn)行后的橫江、岷江同期3—5月徑流系列分析測(cè)算，支流橫江98%保證率對(duì)應(yīng)流量為70 m3/s，支流岷江98%保證率對(duì)應(yīng)流量為700 m3/s。向家壩水電站下游實(shí)際航運(yùn)調(diào)度運(yùn)行及文獻(xiàn)[12]的結(jié)果表明，下游航運(yùn)除受電站日調(diào)節(jié)形成的非恒定流影響外，還受岷江非恒定流洪水頂托影響。因此，本文橫江入?yún)R流量按恒定70 m3/s考慮，岷江入?yún)R流量按恒定700 m3/s和同期遭遇典型洪水兩種工況考慮。

《金沙江向家壩水電站水庫運(yùn)用和電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》規(guī)定，下游升船機(jī)最低通航水位為265.8 m，相應(yīng)流量為1 200 m3/s。文獻(xiàn)[14]的結(jié)果表明，向家壩水電站最低通航水位對(duì)應(yīng)最小下泄流量受河床沖刷影響，呈持續(xù)發(fā)展變化趨勢(shì)；為滿足下游通航需求，向家壩水電站實(shí)際運(yùn)行過程中，按最小下泄流量不低于1 700 m3/s控制。本文分別按恒定1 700、1 600、1 500、1 400、1 300、1 200 m3/s逐級(jí)遞減假定向家壩出庫流量。

事實(shí)上，水富—宜賓江段行駛船只，除過機(jī)船舶外，存在部分翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)船舶。若持續(xù)按研究確定的最小下泄流量下泄，可能導(dǎo)致翻壩船舶減載，對(duì)下游航運(yùn)造成不利影響。本文在確定最小下泄流量后，根據(jù)電站日調(diào)峰運(yùn)行規(guī)律，通過白天加大下泄按1 700 m3/s恒定下泄，夜間減少下泄按最小通航流量出流，對(duì)向家壩出庫流量進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值模型恒定輸入流量以及優(yōu)化方案輸入流量隨時(shí)間變化過程線見圖4，優(yōu)化方案在白天時(shí)段按照1 700 m3/s恒定下泄，夜間按照最小通航流量進(jìn)行下泄。支流岷江流量輸入過程線見圖5，即按照700 m3/s流量恒定下泄和按照同期典型遭遇過程下泄兩個(gè)方案進(jìn)行研究計(jì)算。

圖4 向家壩水電站擬定出庫流量工況

圖5 岷江擬定側(cè)向入?yún)R流量工況

3.2 結(jié)果分析

3.2.1擬定工況下游河道非恒定流特征分析

通過對(duì)向家壩水電站各級(jí)恒定出流，支流橫江70 m3/s、支流岷江700 m3/s恒定側(cè)向入流工況模擬計(jì)算，得出向家壩、三塊石、普安、大雪灘、宜賓、沙坪、李莊各站點(diǎn)穩(wěn)定計(jì)算水位如圖6所示。

由圖6可看出，各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位與向家壩出庫流量呈明顯線性關(guān)系，即出庫流量越大，水位越高；向家壩下游最低通航水位265.8 m對(duì)應(yīng)流量約為1 520 m3/s；且當(dāng)向家壩水電站按1 520 m3/s出庫流量穩(wěn)定下泄時(shí)，宜賓合江門水位約257.30 m，高于零點(diǎn)水位257.27 m。因此，向家壩水電站最低通航流量約為1 520 m3/s。

為減緩因電站減少下泄對(duì)翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)船舶的影響。根據(jù)擬定工況，夜間按確定的最小通航流量下泄，白天按1 700 m3/s下泄，支流橫江按恒定70 m3/s匯入，支流岷江按恒定700 m3/s和向家壩加大下泄時(shí)遭遇岷江典型流量過程兩種工況匯入。計(jì)算得出沿程各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位變化過程如圖7所示。

圖7 向家壩水電站調(diào)節(jié)出庫后沿程監(jiān)測(cè)電站水位變化情況

由圖7可看出，當(dāng)向家壩水電站按白天加大下泄，夜間減少下泄方式調(diào)節(jié)出庫流量時(shí)，向家壩下游最大水位變幅為0.31 m；電站調(diào)峰引起的水波波形前鋒大約2 h后傳播至合江門，并且整個(gè)起漲過程可持續(xù)大約16 h，期間合江門最大水位日變幅約0.3 m，對(duì)下游船舶影響較小。當(dāng)電站調(diào)峰遭遇岷江典型流量過程時(shí)，合江門上下游附近水域受岷江來水作用頂托明顯，最大可致使合江門接近1 m水位的日變幅，對(duì)下游船舶航行存在一定影響，船舶可根據(jù)向家壩、岷江來水情況在水富港或宜賓港靠泊。

3.2.2沿程斷面最小航道寬度分析

水富—宜賓江段是長江航道的上游延伸段，屬IV級(jí)航道，規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，宜賓—重慶江段屬Ⅲ航道。本文按最高等級(jí)Ⅲ級(jí)進(jìn)行分析，根據(jù)《長江干流通航標(biāo)準(zhǔn)》[22]對(duì)長江干線航道尺度要求，Ⅲ級(jí)航道吃水在2.4～3.0 m，對(duì)于1 000噸級(jí)升船機(jī)過機(jī)船舶，航寬不小于80 m。目前，向家壩升船機(jī)實(shí)際過機(jī)吃水按2.2 m控制，并按不低于0.3 m富余水深考慮；通過對(duì)向家壩水電站最小下泄流量工況下，沿程斷面2.5 m水深寬度統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，除下游燒瓦沱碼頭附近水域?qū)?yīng)的2.5 m水深航道寬度接近80 m外，其余斷面水深寬度均滿足過機(jī)船舶航行需要。

通過對(duì)燒瓦沱碼頭上下游水域水下地形研究分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域河道屬于寬淺型河道，電站白天按1 700 m3/s下泄時(shí)，對(duì)應(yīng)水位約263.85 m，可較最小計(jì)算通航流量1 520 m3/s對(duì)應(yīng)的水位263.6 m抬升約0.25 m，可擴(kuò)寬對(duì)應(yīng)2.5 m水深寬度約20 m，能適當(dāng)緩解翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)船舶減載壓力。燒瓦沱碼頭附近水域最窄斷面水深寬度見圖8。

圖8 燒瓦沱碼頭水域斷面水深寬度

4 結(jié)論

1)通過模擬計(jì)算向家壩水電站1 700 m3/s逐級(jí)遞減至1 200 m3/s各級(jí)出庫流量下游河道水位情況，初步明確電站下游最低通航水位265.8 m對(duì)應(yīng)下泄流量為1 520 m3/s。

2)根據(jù)向家壩水電站運(yùn)行特點(diǎn)，制定了電站日調(diào)節(jié)出庫方案，可適當(dāng)緩解白鶴灘蓄水期向家壩翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)船舶積壓情況，并可為向家壩水電站特枯年份時(shí)電站通航出庫調(diào)度提供參考。

3)向家壩水電站按最小通航流量下泄時(shí)，水富—宜賓段航道變化明顯，電站運(yùn)行單位應(yīng)及時(shí)向有關(guān)人員通報(bào)水情信息；同時(shí)，為避免船舶發(fā)生擱淺、觸礁等事故，建議行業(yè)主管部門及時(shí)調(diào)整航標(biāo)位置，并在燒瓦沱等險(xiǎn)灘水域安排經(jīng)驗(yàn)豐富船長提供駕引指導(dǎo)。