向家坝水电站日调节非恒定流的传播特征研究

张绪进，胡真真，刘亚辉，黄成林

（1.重庆交通大学，重庆400074；2.重庆西南水运工程科学研究所，重庆400016）

向家坝水电站日调节非恒定流的传播特征研究

张绪进1，2，胡真真1，刘亚辉1，2，黄成林2

（1.重庆交通大学，重庆400074；2.重庆西南水运工程科学研究所，重庆400016）

水电站的调度运行改变了天然河道的水流条件，日调节引起的非恒定流导致坝下游河道的水位陡涨陡落、流速时大时小、流态时好时坏，对下游的航道维护、船舶的安全航行及港口、码头的正常作业等产生不利的影响。文章以向家坝水电站为例，按照其典型调度运行方式，建立几何比尺为1：100的物理模型，根据向家坝电站日调节试验在坝下游长河段所引起的的水位及流速等数据，总结出向家坝水电站日调节非恒定流的水位及流速在不同河段的传播特征，为研究电站日调节非恒定流对坝址下游长河段航道条件的影响提供理论依据。

非恒定流；物理模型；复式断面；水流条件

近年来，我国水电建设的步伐越来越快，电站日调节非恒定流对坝下游长河段的影响问题也越来越突出。电站下泄非恒定流对下游河道的通航条件、港口作业及航运设施的影响越来越受到关注，迫切需要开展相关研究［1］。向家坝电站是金沙江干流梯级电站开发的最后一级电站，以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并对溪洛渡水电站进行反调节［2-3］。该电站建成运行后，不仅渠化了向家坝～溪洛渡之间长约157 km的河段，调节了径流过程，增加了枯水期平均流量，还改变天然河道水流条件［4］，给航道维护、船舶的安全航行及港口、码头的正常作业等造成一定的影响。向家坝水电站装机规模巨大，电站下泄流量变化范围大，其下游为天然河道，水流条件受非恒定流的影响较大，影响距离也较长。

1 研究方法

本研究采用1∶100的物理模型对电站日调节在坝下游长河段所引起的水位及流速的变化进行大量的试验，总结出向家坝水电站日调节非恒定流的水位及流速在不同河段的传播特征，为进一步研究电站日调节非恒定流对船舶航行的影响奠定理论基础。

试验模拟河段范围包括向家坝电站上游近坝河段长4 km、坝下金沙江干流宜宾合江门以上长33 km、长江干流宜宾—李庄河段长21 km、岷江河口段长15 km及横江河口段长3 km，模拟河段总长76 km。模型模拟准则遵循弗汝德相似准则［5］，其几何比λh=λl=100，流速比尺λv=10，时间比尺λt=10，流量比尺λQ=100 000，河床糙率比尺λn=2.15。由于原型河段长约76 km，很难取得全河段的同时水边线原型观测资料，所以模型依据所收集的各个河段的原型观测资料，自下而上进行分段验证。验证结果表明模型水位与原型水位较为接近，其差值在±0.1 m以内。同时还进行了表面流速流向验证，验证结果表明模型能够与原型较好地吻合。再者，由于本试验为非恒定试验，模型进口流量控制系统与出口尾水控制系统模拟跟踪的可靠性及其在模型河道上产生的非恒定过程与原型的相似性决定了试验结果的可靠性。对此进行了验证试验，试验结果表明流量误差在±2%以内，水位误差在±0.5 mm以内。电动阀和电磁流量计组成的控制系统从一级流量调整到另一级流量需时6 s以内。故本模型水流进出口边界测控系统精度高，跟踪效果好，能够较好地模拟原型进出口边界条件。

在影响航运的关键部位和航行条件复杂的河段布置水位和流速测站，如牛皮滩、水富港码头、和尚岩、碎米滩、大雪滩、小雪滩等共40个测站。典型测站距坝址的距离如表1。每个测站设置水位仪，流速仪各一个，沿低水期船舶上水航线布置［6-7］。流速测量采用HD⁃4型电脑流速仪；水位测量采用CS⁃24型多点超声水位仪。所有传感器信号经二次仪表转换后送计算机同步记录，经过数据处理和输出，并自动绘制成各种水力参数过程线，可视化输出便于根据需要及时调整。

由于上游入库流量大小的不确定性及电力需求负荷的增减，电站需要开启不同数量的发电机组，然而机组开启或者关闭产生的非恒定流必然对电站下游河段的通航水流条件产生一定的影响，因此模型试验实验了不同工况下电站非恒定流引起电站下游河段的水位及流速变化过程，并以此总结电站日调节非恒定流的水位和流速的传播特征。考虑向家坝水电站供电区华东电网的日负荷特性、远距离送电的特点、机组运行特性、安全稳定运行要求及按最不利原则考虑，试验确定采用以下13种工况进行试验。各工况具体组合情况如表2。

2 非恒定流水流特性分析

2.1 水面线分析

无论是在顺直河段、弯曲河段，还是支流汇合口处河段，各个断面的水位变化都与流量过程紧密相关，设计拟定的各日调节工况发电流量为单峰过程，其下游各断面水位变化也相应呈单峰过程。在电站开始调峰时，下泄流量增加，坝下游各测站水位随之相继上涨，在流量增加到最大时，各测站的水位也相继接近最高水位，上游测站首先达到最高水位，随着波峰向下游传递，其它各测站水位相继达到全天最高值。以后电网负荷减小，电站出流逐步减小，水位也跟着减小，当流量减小到基流并保持基流下泄时，由于河道的槽蓄作用，河道水流仍未回稳，各测站水位仍继续降落直至次日电站流量再次开始增加时，这时各个测点的水位为全天最小值。由于非恒定流波在坝下游长河段传播中的推移和坦化作用，能量不断减少，水位沿程递减。水位沿程变化如图1。

在试验过程中考虑了前一天的日调节水位会对第二天的日调节水位产生影响这一因素，所以在试验中，连续模拟两天的日调节工况，选取第二天的测量数据为试验数据。在电站的实际运行期间，晚23∶00至次日6∶00之间为用电低谷，需求电量较少，此时为了保证电站下游河段航运基流，电站以基流流量下泄。在这7 h内河道水位将近回稳，趋于恒定流。在第二天电站开始调峰时，此时水位最低。说明电站下游长河段各个测站的最低水位主要受电站下泄的最小流量（基流）的影响，而受白天调峰的影响相对较小。由于电站调峰流量是阶梯型变化的，流量增加，下游水位相继增加。当下泄流量达到日最大值时，坝址下游长河段的各个测站的水位依次将达到日最大值。由于河道的槽蓄作用，日最大水位也将受到调峰的总水量的影响。所以最高水位主要与电站日调节下泄最大流量有关，也与调峰总流量有关，受单位时间流量变化值的影响也相对较大。

表1 典型测站距坝址的距离Tab.1Distance between station and dam site

图1 工况3和工况8最高水位及最低水位沿程变化Fig.1Change of the highest and the lowest water level in condition 3 and condition 8 along the river

2.2 最大日变幅分析

经分析相关实验数据，在试验河段范围内各个工况条件下各测站的水位最大日变幅沿程变化情况如图2。

以上各个工况对比分析，对于坝下游河道的同一断面：横江流量和岷江流量一定时电站最小下泄流量相同时，电站下泄流量日变幅越大，其下游河道水位日变幅也越大；电站调峰流量相同时，电站下泄流量日变幅越大，其下游河道水位日变幅也越大。由于流量波峰的沿程衰减坦化，坝下游河段的水位变幅沿程总体呈递减的趋势，但在和尚岩、碎米滩、大雪滩等河段日变幅出现反常，在这些河段日变幅不减反增。原因有以下两点：（1）从断面形式来看，其他河段的断面基本上是“U”断面或者是“V”断面，如桐梓林断面是“U”断面见图3-a，大雪滩1是“V”断面见图3-b，而和尚岩、碎米滩、大雪滩2等断面具有复式断面特征，如大雪滩2断面见图3-c，和尚岩断面见图3-d。具有复式断面的河段滩槽分明，枯水期河槽狭窄、边滩较宽，洪水期，边滩淹没、水面很宽；（2）从平面形态来看，和尚岩、碎米滩、大雪滩等河段多处于浅滩的下段。如大雪滩2位于浅滩大雪滩1的下游0.6 km处。大雪滩1，大雪滩2的宽深比（河道宽度与水深之比）随水位变化关系如图4。

由宽深比与水位的关系图可以看出，具有复式断面的过水断面有明显的凸点水位（如图3中A点所对应的水位）。由于水流沿程衰减坦化作用，水面线逐渐降低，Δh=Z1-Z2＞0。再者，由于受到过水断面形状及河道调蓄能力的影响，当Z2＜Zt（大雪滩2宽深比与水位关系图中凸点所对应的水位。下同）时的Δh值大于Z2＞Zt时的Δh值。即当大雪滩2的最低水位小于Zt，而最高水位大于Zt时，Δh1-Δh2的值较大，即大雪滩2的水位日变幅比大雪滩1的水位日变幅大。大雪滩1和大雪滩2的水位特征值如表3。

Z1、Z2分别为大雪滩1和大雪滩2的水位；Δh为大雪滩1和大雪滩2的水位差值；Δh1为大雪滩1的最大水位日变幅；Δh2为大雪滩1的最大水位日变幅；Zt为大雪滩2宽深比与水位关系图中凸点所对应的水位。

2.3 流速分析

（1）顺直河段的流速分析。引航道口门区至横江口河段河道顺直、河岸陡峭、河面较窄、水深较大。断面形状多为“U”断面。在电站日调节过程中，该河段主流流向一致，没有横向摆动，主水位上涨,主流流速增大;水位下降,主流流速减小。最大流速多发生在全日最高水位（最大流量）时。该顺直河道的水位及流速过程线见图5水富港水位及流速过程线图。

图2 水位最大日变幅沿程变化Fig.2The maximum daily amplitude of water level along the river

图3 典型断面的断面形状Fig.3Shapes of typical cross sections

图4 典型断面的断面特性Fig.4Properties of typical cross sections

（2）弯曲河段的流速分析。和尚岩河段河道呈反“S”型走势，断面多为复式断面。该河段在不同水位期水流条件变化较大，特别是主流线位置横向摆动明显，导致测站流速与测站水位的变化过程不相吻合，当水位达到最高时，流速反而减小。当水位处于涨水期时，流速反而最大。当流量较小时，水位较低，此时主流沿主河槽，因为流速仪布置在主河槽，所以此时流速仪是测量主流的流速；而当流量增大时，水位增高，漫过边滩，主流偏离主河槽，即此时流速仪测量的不是主流流速。典型河段中的和尚岩水位及流速过程线见图6。

（3）汇合口处支流的流速分析。在试验过程中，保持岷江的来流量不变，让岷江以恒定流下泄，改变向家坝电站的出流流量，让其以非恒定流下泄［8］。在岷江河口段，向家坝电站日调节非恒定流波是沿河口向岷江上游传播。当向家坝电站下泄流量增大时，金沙江水位升高，岷江河口段由于受其水位顶托，流速减小所以在日调节涨水期，主流流速减小。在降水期，主流流速随水位的下降而增大。故在低水期出现最大流速。典型河段中的月亮碛水位及流速过程线见图7。

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

图5 工况8水富港水位及流速过程线图Fig.5Process diagram of water level and velocity in Shuifu Port in condition 8

图6 工况8和尚岩水位及流速过程线图Fig.6Process diagram of water level and velocity in Heshangyan in condition 8

图7 工况8月亮碛水位及流速过程线图Fig.7Process diagram of water level and velocity in Yueliangqi in condition 8

3 结论

（1）水位变化过程与流量变化过程一致，流量增加，各测站水位随之相继上涨，流量逐步减小，各测站水位也相应回落。电站下泄的最小流量影响枢纽下游长河段各个测站的最低水位，而白天调峰流量对其影响相对较小。最高水位主要与电站日调节下泄最大流量、调峰流量及调峰总流量有关。水位日变幅与电站最小下泄流量、流量变幅、河床形态及其与坝址的距离等有关，总体沿程呈减递趋势。但少数局部河段即使在最小下泄流量较小的日调节工况下也会出现较大的日变幅特征，主要有两方面原因：一是从平面形态来看，这些河段多处于浅滩的下段；二是从断面形式来看，这些河段具有复式断面特征，即滩槽分明，枯水河槽狭窄、边滩较宽。

（2）在顺直河道，电站调度方式不同时，河道主流流向一致，无横向摆动，水位上涨，主流流速增大，水位下降，主流流速减小，最大流速多发生在全日最高水位（最大流量）时。在反“S”型河道，电站调度方式不同时，主流区横向摆动明显，河段内各测站的流速日变化过程与水位变化过程不一致，最大流速发生在涨水期，在最高水位时流速反而减小。在支流河口段，在日调节涨水期，水流流速随水位的上涨而减小；在落水期，水流流速随水位的下降而增大，最大流速均出现在低水期。

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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

张绪进(1959-)，男，重庆市人，研究员，主要从事水利枢纽优化布置与通航技术的研究。

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