向家坝水电站泄洪雾化及其影响分析

曾少岳，张永涛，张苾萃，顾 莉，戴晓兵，苗宝广，王立杰

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 工程概况

向家坝水电站是金沙江干流水电梯级规划的最后一个梯级电站，坝址位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段的向家坝峡谷出口。拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高162 m。设计洪水洪峰流量为41 200 m3/s(P=0.2%)[1]，校核洪水洪峰流量为49 800 m3/s(P=0.02%)。工程的开发任务以发电为主，同时具有改善上、下游通航条件、防洪、拦沙，兼顾灌溉的作用，并具有对上游溪洛渡水电站进行反调节的综合效益。

向家坝水电站下游右岸紧邻云南省水富县县城，大坝距县城最近距离约700 m，距大型企业云南天然气化工厂生产区中心1 900 m，县城居民生活和化工厂的生产对空气湿度要求严格，为确保电站建成后，居民生活和工厂生产不受影响，需严格控制泄洪雾化范围[1,2]。同时，下游通航河段要求泄洪出流流态平顺，流速满足安全航行要求[1]。基于向家坝水电站所处的特殊环境，需要重点关注向家坝水电站的泄洪消能设计，把工程建设成为对周围环境影响最小、绿色和谐的友好工程。

图1 向家坝水电站泄洪消能建筑物布置示意(单位：m)

2 泄洪消能建筑物体形的选择

向家坝水电站泄洪消能建筑物体形设计需同时满足以下3点要求：①“高水头、大单宽、多泥沙”泄洪安全；②泄洪低雾化；③泄洪出流低速平稳。

传统的挑流、面流及底流消能方式在向家坝水电站中均有局限性。①挑流消能方式利用泄水建筑物的挑流鼻坎将高速下泄水流挑向远离建筑物的河床与下游水流相衔接，具有经济、施工方便和调度简单等优点，但会产生较严重的雾化，且下游河道水面波动较大[2-4]，不能满足向家坝水电站下游严格的湿度要求和通航要求，故挑流消能方式不适用于本工程。②面流消能方式利用泄水建筑物末端的垂直鼻坎将高速下泄水流引向下游水流的表层，通过主流在表面及底部漩滚消刹水流能量，其雾化影响小，但存在下游水面波动大且传输距离较长的问题[3]，不能满足下游的通航要求，因此，面流消能方式不适用于本工程。③底流消能方式是在坝址下游设消力池、消力坎等，使下泄水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量，具有消能效果好、下游水面波动和雾化小等优点[2-4]。但向家坝泄水建筑物泄洪水头差在85～91 m间，末端流速在40 m/s以上，如采用底流消能方式，消力池存在较大的安全风险，故底流消能方式不适用于本工程。

针对向家坝水电站的泄洪消能技术问题，设计单位在可行性研究阶段联合国内多家科研院校进行了深入的研究，开展了大量水工模型试验和数值模拟试验，对消能方式进行了分析，通过全面、系统的比较和论证，最终选定了类似底流消能方式的双层多股三元淹没射流的新型消能工，技术方案如图1所示。

对向家坝水电站泄洪消能设计进行模型试验，成果表明，新型消能工使高速水流以双层多股的方式进入消力池水体中部，形成水平淹没射流，水流流态稳定，各股水流紊动掺混剧烈，消能效果好；高速水流的主流远离消力池底部，临底流速大幅降低；出池水流平顺，泄洪雾化影响范围显著减小[5-7]。

3 原型孔口泄洪调度情况

向家坝水电站于2004年11月通过国家发改委组织的审查，2006年11月正式开工建设，2012年10月10日下闸蓄水，并在库水位353 m左右由中孔单独泄洪。2013年汛期，库水位逐步抬升至正常运行水位380 m，由10个中孔和部分表孔联合泄洪。2013年、2014年汛期开展了相关原型试验，包括单池6个表孔全开、部分表孔全开和10个中孔分批全开等运行工况。自2012年孔口泄洪以来，孔口最大下泄流量、单池最大下泄流量分别为11 080、8 530 m3/s。2012年～2018年汛期向家坝水电站汛期孔口泄洪调度情况见表1。

表1 向家坝水电站汛期孔口泄洪调度情况

4 泄洪雾化影响分析

4.1 泄洪雾化情况

泄洪时可观测到，在消力池池首100 m左右的区域有轻微的雾化现象，水雾来源于射流强剪切区，强度随中、表孔下泄流量的增加而增大，水雾爬升并扩散的范围局限在消力池边墙附近区域。

中孔单独运行时，主流入池时的淹没度大，雾化强度弱，同时射流强剪切区位于坝面中隔墙内，隔墙有效遏制了其扩散。孔口小开度运行时，只在消力池池首存在轻微的雾化现象，见图2a。孔口大开度运行时，射流强剪切区存在雾化现象，雾化影响范围仅限于消力池内，见图2b。

图2 中孔单独泄洪雾化情况

图3 表孔参与泄洪时的泄洪雾化情况

表孔参与泄洪时，主流入池时的淹没度明显较中孔主流的淹没度小，雾化强度有所增大。受水舌风和自然风的影响，水雾纵向可飘逸至消力池末端附近；受消力池边墙限制，水雾横向仅超出消力池边墙15 m左右。表孔小开度开启泄洪时，雾化强度小，影响范围仅在消力池池首附近，见图3a；12个表孔均匀开启下泄4 000 m3/s时，左、右边导墙顶桩号坝0+220.00、坝0+360.00处的实测降水量分别为5.19、0.65 mm/h[8]。表孔大开度运行且下游水位较低时，泄洪雾化影响区域也仅限于消力池及其附近的很小范围，位于消力池尾坎处的边墙顶可间歇性触感有少许水滴飘洒；河道两岸等外围区域未监测到由泄洪引发的降水，降雨强度为0[8]，见图3b、3c。

4.2 水富县城湿度监测成果

为了解向家坝水电站泄洪对水富县城空气湿度的影响，特在城区建设了2个小型自动气象站，分别是临江且靠近消力池出口的江边自动气象观测站和远离江边的云天化中学自动气象观测站。2个自动气象站自2006年起对向家坝水电站建设区域附近的风速、风向、温度、湿度和降水量等参数实施不间断监测，站点布置情况如图4所示。

图4 向家坝水电站下游水富县城小型自动气象站布设示意

4.2.1天然状态下湿度监测成果

2007年至2011年，在向家坝水电站蓄水及泄洪之前，5年间天然状态下水富县城附近环境湿度监测数据如图5所示。每年6月至10月，江边气象站、云天化中学气象站监测的日平均相对湿度均多在50%～90%之间，各年该时段内的平均相对湿度的均值在71%～76%之间。统计2007年至2011年2个站点平均相对湿度大于70%的天数占6月至10月总天数的比例，江边气象站、云天化中学气象站的比例分别为66.83%和57.07%，可见2个气象站测得的平均相对湿度大于70%的时间均超过55%。

图5 向家坝水电站蓄水前水富县城日平均相对湿度监测成果

4.2.2工程蓄水泄洪后的湿度监测成果

向家坝水电站蓄水后，根据上游入库流量，泄洪孔口时常开启泄洪。根据2012年至2015年4年间2个气象站汛期的监测资料，结合向家坝水电站孔口泄洪情况，监测成果显示泄洪对下游县城的湿度无影响。分析表明，只在有降雨时，气象站才能监测到降水量。

蓄水后，2个气象站的环境湿度监测数据如图6所示。结果表明，水富县城每年6月至10月的日平均相对湿度值多在50%～90%之间，各年该时段内的平均相对湿度的均值在66%～77%之间，规律与电站蓄水前同期基本相同。

图6 向家坝水电站蓄水后水富县城日平均相对湿度监测成果

江边站、云天化中学站2个站点每年6月至10月平均相对湿度大于70%的天数统计结果如图7所示。统计2012年至2015年4年2个站点平均相对湿度大于70%的天数占6月至10月总天数的比例，江边气象站、云天化中学气象站的比例分别为61.38%和65.44%，与蓄水前相比较，近坝的江边站略有减少、远离大坝的云天化中学站有所增多，但变化不大。通过多年同期数据比较，说明环境湿度并未受泄洪影响而有明显变化趋势。

图7 气象站每年6月至10月平均相对湿度大于70%的天数统计

图7还标注了向家坝水电站每年孔口泄洪的天数。通过比较孔口泄洪天数与平均相对湿度大于70%的天数，发现两者的关系也不密切。孔口泄洪天数与江边站的平均相对湿度大于70%的天数的变化趋势相近，但孔口泄洪的时间更长，而孔口泄洪天数与云天化中学站则无任何规律，说明泄洪并未直接影响水富县城的相对湿度。

比较每日的孔口下泄流量与气象站监测的平均相对湿度，部分监测结果如图8所示，发现其两者也无相关性。通过对比天气资料与湿度的关系发现，相对湿度受天气(降雨、气温等)的影响较大。例如，在2014年8月19日出库流量为15 500 m3/s左右时，2个气象站监测的日平均相对湿度均为76%，当天水富县城天气为多云，实测温度22～29.8 ℃；在2014年9月18日，出库流量为10 100 m3/s左右时，江边站、云天化中学站2个气象站监测的日平均相对湿度分别是92%、86%，当天水富县城天气为雨天，实测温度19.3～21.3 ℃，江边站和云天化中学站的降水量分别为53.5 mm和58.1 mm，说明环境的相对湿度与天气有关，与泄洪流量关系不大。

图8 孔口下泄流量与气象站平均相对湿度监测成果(2014年6月至10月)

5 结 论

向家坝水电站泄洪的原型观测成果表明，雾化强度与闸门调度方式有密切的关系，消力池内流态越平稳，雾化越小；中孔单独运行时，主流入池时淹没度大，雾化强度弱，同时隔墙有效遏制了水雾扩散，雾化影响范围仅限于消力池内；表孔参与泄洪时，主流入池时淹没度相对较小，雾化强度有所增大，水雾纵向可飘逸至消力池末端附近，横向仅超出消力池边墙15 m左右，河道两岸等外围区域未监测到由泄洪引发的降水。同时，结合电站下游水富县城2个气象站的平均相对湿度监测成果，分析表明泄洪雾化对水富县城相对湿度没有影响。