高山峡谷河段枢纽运行对下游水位变幅影响研究——以金沙江乌东德水电站为例

钱 红 露，尹 维 清，程 稳，邓 先 乔

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

我国西南诸河多流经高山峡谷地带，河道弯曲狭窄、水流湍急、滩险众多且岸坡高陡，天然条件下难以通航。随着西部水电大开发的推进，高山峡谷河流上也逐步建设了多个梯级枢纽，河流渠化后具备了一定的通航条件[1-2]。然而，枢纽建成后调峰运行产生的非恒定流过程会显著改变下游河道的各水力要素，其中水位变化尤为明显[3]。有别于普通山区河流(普通山区河流与高山峡谷河流区别见表1)，高山峡谷河段电站下泄的非恒定流往往导致较大的水位变幅，给航道运行维护、船舶航行及码头作业带来巨大困难，极大地影响航运安全[4-6]。因此，研究高山峡谷河段枢纽运行影响下的水位变幅特性、适航区域、控制措施等，对此类河段的航运开发和通航安全保障均具有重要意义。

表1 高山峡谷河流与普通山区河流特点Tab.1 Characteristics of high mountain canyon river and ordinary mountain river

目前，关于枢纽运行引起水位变幅的研究成果较多。郑守仁等[7]根据三峡工程设计各阶段的物理、数学、船模试验等成果，总结分析了长江三峡电站调峰产生的非恒定流对两坝间通航水流条件的影响，并提出了万吨级船队的通航要求；龙启建等[8]采用非恒定流数学模型，模拟了嘉陵江亭子口枢纽至沙溪枢纽河段在中间苍溪反调节枢纽兴建前后的非恒定流条件，从而分析梯级水库联合调度对航运安全的影响；张波等[9]通过数学模型计算，研究了乌江的乌江渡枢纽调峰对下游河道水位涨落的影响；母德伟等[10]根据物理模型试验和水动力数值模拟成果，分析了金沙江向家坝水电站日调节非恒定流对下游航运条件的影响，进而提出了水位日变幅和小时变幅的控制指标。然而，目前绝大部分研究成果都是针对普通山区河流，对高山峡谷河段水位变幅的研究较少。近年来随着金沙江、澜沧江、怒江、大渡河等高山峡谷河流梯级渠化的推进，此类河段枢纽运行影响下的水位变幅问题更为突出，亟待研究解决。

本文以金沙江乌东德水电站为例，通过一维非恒定流数学模拟，重点研究未来金沙江乌东德水电站调峰运行影响下，乌东德水电站下游近坝段的水位变幅大小和分布规律，并从水位变幅的角度划分适航区域、提出控制措施，为高山峡谷梯级渠化河段的水位变幅研究提供参考。

1 工程枢纽及河段概况

1.1 工程枢纽概况

乌东德水电站是金沙江下游4个梯级电站中的第一级，是一座位于高山峡谷河段的高坝大库枢纽。水电站以发电为主，兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。水库正常蓄水位975 m，防洪限制水位952 m，死水位945 m。电站总装机容量10 200 MW，多年平均发电量389.3亿kW·h。乌东德水电站主体工程于2015年12月24日开工建设，2020年1月15日开始下闸蓄水，2020年6月29日首批机组投产发电。乌东德水电站主要送电广东、云南两省，在非汛期来水不大、电站平均出力较小时，参与系统调峰；在汛期来水较丰、电站平均出力较大时，主要在基荷运行，不参与系统调峰。

白鹤滩水电站是乌东德水电站的下一梯级，距离乌东德水电站183 km，水库回水最远可至乌东德坝址。水库正常蓄水位825 m，防洪限制水位785 m，死水位765 m。汛期6～7月间，水库水位保持在防洪限制水位785 m附近；非汛期，水库水位在死水位765 m至正常蓄水位825 m之间。白鹤滩水电站主体工程于2017年8月3日开工建设，预计2021年7月首台机组投产发电。

1.2 河段概况

乌东德枢纽至白鹤滩枢纽河段全长183 km。其中，乌东德坝址-四斗种为白鹤滩水库变动回水区，全长38 km；四斗种-白鹤滩坝址为白鹤滩水库常年回水区，全长145 km。本文主要关注受乌东德电站调度运行影响较大的下游近坝段，即乌东德坝址-普渡河口河段，长约41 km。该河段为典型的高山峡谷河段，河道弯曲、狭窄、岸坡高陡、河床底坡大、滩险众多，平均2.6 km一处滩险，著名的“滩王”——老君滩即位于该河段内(见图1)。由于该河段滩多流急，在天然条件下难以通航，未来乌东德和白鹤滩两枢纽建成运行后，该河段将表现出“水库”与“河道”双重属性，通航条件与乌、白枢纽调度运行方式息息相关。尤其是在乌东德电站调峰运行时，下泄流量陡升陡降，将会导致下游河道水位陡涨陡落，严重影响航运安全。

图1 乌东德水电站下游近坝段Fig.1 The near-dam reach of the Wudongde Hydropower Station

2 乌东德电站日调节非恒定流数学模拟

2.1 数学模型

2.1.1控制方程组及求解方法

采用圣维南方程组进行一维非恒定流模拟：

(1)

(2)

式中：Q为通过控制体的流量；A为过流面积；ql为侧向单宽入流量；t为时间；x为沿着水流方向的距离；z为水面高程；Sf为x方向的阻力坡降。

圣维南方程组属于一阶拟线性双曲型偏微分方程组，采用隐式有限差分法对上述控制方程组进行离散，并根据Newton-Raphson迭代方法求解水面线[11]。

2.1.2计算区域

计算区域在研究河段的基础上适当拓展，选择乌东德坝址-革勒坪约93 km的河段，其间布置了234个河道大断面，断面平均间距为398 m，最大断面间距为6 060 m，最小断面间距为39 m。河道宽度在90～250 m之间，河底高程起伏变化大，乌东德坝址至黄草坪段平均比降1.3‰，黄草坪至普渡河口段比降达5.5‰。

2.1.3参数率定

模型需要率定的参数主要为河道的糙率。采用2009年2月18日实测水面线(流量1 660 m3/s)数据对乌东德下游河段的糙率进行分段率定，结果显示计算河段糙率在0.03～0.06之间。为满足乌东德水电站工程建设需要，乌东德坝址下游约5.0 km处建有乌东德水文站，采用乌东德水文站2020年2月1～29日的最新实测水文资料进一步验证计算模型，结果如图2所示，可见计算与实测水位吻合较好，模型精度较高。

图2 模型水位验证Fig.2 Model validation by water level

2.2 计算条件

乌东德水电站共布置了12台发电机组，左右岸各6台，单台发电机组启闭将会引起流量的增减值在672.5 m3/s左右。为满足南方电网负荷要求，乌东德水电站通常在非汛期承担调峰任务，通过开关发电机组调节流量和发电量。

乌东德电站主要送电云南和广东两省，广东省用电季节性特征明显，夏季日负荷曲线表现为三峰三谷，冬季为两峰两谷；云南省由于水电占比较大，存在丰枯水差异，丰水期日负荷曲线表现为三峰三谷，枯水期则为两峰两谷。日调节非恒定流计算时，充分考虑电网日负荷特性、生态基流900 m3/s的下泄要求和可能的发电机组启闭组合方式，拟定了4种典型的乌东德日调峰运行过程，如图3所示。其中，第①、③种流量过程反映了三峰三谷用电特性，第②、④种流量过程则代表两峰两谷用电特性。从调峰幅度看，第①、②种日调峰过程相对极端，流量小时变幅分别为7 393 m3/s和5 833 m3/s；第③、④种日调峰过程较为典型，流量最大小时变幅分别为4 430 m3/s和2 776 m3/s。

图3 乌东德水电站典型日调节下泄流量过程Fig.3 Discharge process under the typical daily regulation of the Wudongde Hydropower Station

计算下边界革勒坪位于白鹤滩水库常年回水区内，水面近乎水平，且近似等于白鹤滩库水位。因此下边界计算水位在白鹤滩水库死水位至正常蓄水位之间取值，重点考虑死水位765 m，防洪限制水位785 m，库水位800 m以及正常蓄水位825 m 4种特征水位。

普渡河口汇入流量取非汛期多年平均流量281 m3/s。

2.3 计算结果分析

2.3.1非恒定流传播特性

为分析非恒定流在乌东德电站下游河道的传播规律，以乌东德电站日下泄流量过程④、白鹤滩死水位765 m的计算条件为例，分析乌东德电站下游多个典型断面水位随时间的变化过程。在该日调节过程中，乌东德下泄流量在最初的1～7 h保持为恒定基流900 m3/s，之后7～12 h，15～23 h为两个用电高峰时段，电站调峰运行，且11 h和19 h分别达到峰值流量3 987，5 127 m3/s。白鹤滩死水位765 m回水至四斗种，该工况下乌东德坝址至四斗种河段为天然河道。

从图4显示的下游典型断面水位变化过程来看，乌东德坝址断面水位变化与流量同步，且日内水位变化幅度最大可达到7.78 m；下游其它典型断面非恒定流传播所需的时间在0～3 h之间，具体而言，非恒定流传播到施期(距坝5.5 km)、鲁家村(距坝15.5 km)、黄草坪(距坝31.5 km)、四斗种(距坝38.5 km)、普渡河口(距坝41.0 km)所需的时间分别约为20 min，1 h，2 h，3 h，3 h。此外，非恒定流在乌东德下游河道传播时总体呈现出衰减和坦化的规律，即距离乌东德坝址越远的断面，非恒定流影响越小、水位变化幅度越小。然而，在下游局部断面，非恒定流影响并没有表现为衰减反而增强，如黄草坪断面，虽然距离乌东德坝址较远，但日内水位变化仍然较大，达7.45 m，接近乌东德坝址断面。经分析是由于黄草坪断面位于黄草坪滩附近，河道狭窄、地形高凸、水深较浅，是天然卡口河段，相同流量变化带来的水位变化明显。整个乌东德下游河段还有多处类似卡口断面。非恒定流传播到四斗种和普渡河口处影响已经很小，水位变化不大，日水位变幅分别仅2.27 m和1.20 m。

图4 典型断面水位变化过程Fig.4 Water variation level at typical cross sections

2.3.2乌东德水电站调峰对水位变幅的影响

乌东德水电站调峰运行期间，下泄非恒定流在下游河道的传播易引发水位陡涨陡落[12]。为研究电站调峰对下游河道水位变幅的影响，分别在白鹤滩电站死水位765 m(近坝段为天然河道)和正常蓄水位825 m(近坝段为库区河道)两种边界条件下，改变乌东德电站日调节流量过程进行计算分析，相应的水位变幅分布见图5。计算结果表明：乌东德水库坝址下游河段的水位变幅与电站调峰流量变幅直接相关。通常而言，乌东德电站调峰幅度越大，即下泄的流量变幅越大，下游各断面水位变幅就越大，反之亦然。以白鹤滩水库死水位765 m控制为例，乌东德电站日调节流量过程由①～④，流量最大小时变幅依次减小(分别为7 393，5 833，4 430 m3/s和2 776 m3/s)，对应的各断面水位变幅也依次减小(见表2)，如对应的乌东德水库坝址断面水位最大小时变幅分别为9.23，6.72，5.15，4.04 m/h，四斗种断面相应的水位最大小时变幅分别为3.04，1.90，1.00，0.70 m/h。显然，控制乌东德电站的泄流变化幅度对下游水位变幅控制十分有效。

图5 不同日调节过程下水位变幅沿程分布Fig.5 Distribution of water level variation along the river under different daily regulations

从乌东德下游河段水位变幅沿程分布特点来看，在白鹤滩水库保持死水位765 m运行时，乌东德水库坝址至四斗种河段表现为天然河道，水位变幅剧烈(最大小时变幅在9.00 m/h以上，日变幅在13.00 m/h以上)，且沿程分布极不规则，坝下鲁家村、黄草坪多个断面出现剧烈起伏，见图5(a)，这与高山峡谷河道滩多、水浅、卡口河段众多、水位涨落大的特点有关。而当白鹤滩库水位抬升至正常蓄水位825 m时，乌东德水库坝下河段全部被回水淹没，卡口河段消失，水位变幅沿程逐渐减小，见图5(b)，这与平原地区或普通山区河流的水位变化规律基本一致。

表2 乌东德水电站不同日调节过程下典型断面水位变幅Tab.2 Variation of water level at typical cross section under different daily regulations of Wudongde Hydropower Station m

2.3.3白鹤滩水库水位变化对水位变幅的影响

乌东德水库坝址至四斗种河段为白鹤滩水库的变动回水区，因白鹤滩水库水位的高低而表现出天然河道或库区河道的属性。因此，在乌东德水电站下泄流量过程保持不变的条件下(以日调峰过程④为例)，计算比较白鹤滩水库水位分别取死水位765 m、防洪限制水位785 m、库水位800 m以及正常蓄水位825 m 4种水位边界下的水位变幅，水位变幅分布如图6所示。显然，随着白鹤滩水库水位的抬升，回水范围向上延伸，计算河段由下而上逐步受到淹没，被淹没河段较之淹没前水位变幅明显减小，未被淹没的河段水位变幅保持不变(见表3)。例如，当白鹤滩水库水位在765，785 m和800 m时，回水末端尚未到坝下，坝下水位变幅在4.00 m/h左右，而当白鹤滩水库以正常蓄水位825 m运行时，乌东德水库下游全河段都被白鹤滩水库回水淹没，坝下水位最大小时变幅减小至2.20 m/h。

从水动力原理上来说，水位变幅除了受流量变幅直接影响外，还与河道基础水深(或初始过流断面面积)有关[13-14]。当乌东德电站下游某一河段受白鹤滩水库回水淹没后，河道水深或过流断面面积增大，相同流量变化引起的水位变化较淹没前减小。此外，水位变幅还与非恒定流波能耗散有关[7]。如白鹤滩水库水位由800 m抬升至825 m时，黄草坪至普渡河口段水位变幅并没有减小，反之略有增大(见表3)。这是由于白鹤滩库水位在800 m时，乌东德水库坝下22 km左右河段属于天然河道，水深小、流速大、河床阻力大，非恒定流波能耗散快；而当白鹤滩水库水位抬升至825 m时，乌东德水库下游河段均被白鹤水库滩回水淹没，水深大、流速平缓、河床阻力小，波能耗散慢。虽然在黄草坪以上河段由于基础水深显著增大，825 m工况对应的水位变幅小于800 m水位工况，但在黄草坪及以下河段，水深因素不再占据主导，波能差异导致825 m工况对应的水位变幅反而略大于800 m水位工况。

图6 白鹤滩水库不同库水位条件下水位变幅沿程分布 (乌东德水库日调峰过程④ )Fig.6 Distribution of water level variation along the river under different Baihetan Reservoir level conditions (based on the Daily Regulation 4)

表3 白鹤滩水库不同库水位条件下典型断面水位变幅Tab.3 Variation of water level at typical cross section under different reservoir water level conditions Baihetan Reservoir m

2.4 高山峡谷河段水位变幅特点

通过对乌东德电站下游河段水位变幅规律的分析，可以得知，与平原或普通山区河流相比，高山峡谷河段在电站运行影响下的水位变幅具有如下特点：

(1) 水流非恒定性强，水位变幅大。对于平原或普通山区河流而言，由于地势平坦、水面宽阔，电站调峰运行在下游河道产生的水位变幅通常不大，如三峡-葛洲坝两坝间河段水位日变幅最大在3.0～4.0 m/d，小时变幅最大在1.2 m/h以内[7]；乌江渡枢纽下游水位小时变幅最大约4.0 m/h[9]；金沙江向家坝水电站下游水位日变幅最大约4.5 m/d，小时变幅最大在1.5 m/h左右[10]。而乌东德水库下水位日变幅最大超过13.0 m/d，小时变幅最大达9.0 m/h以上，水位变幅远大于平原或普通山区河流。这主要是由于高山峡谷河段河道狭窄、滩险众多、岸坡高陡的地形特点，也与电站调峰容量大有一定关系[15]。

(2) 水位波动整体沿河段衰减和坦化，但局部增强。非恒定流在平原或普通山区河流的传播过程中，一般会随着能量消耗而表现出波形逐渐坦化、衰减的现象，直至最后影响消失，水位不再变化[16]。但在高山峡谷河段，由于急流、险滩等卡口断面较多，非恒定流传播至此类河段时不会按预期衰减，反而影响会大大增强，局部水位变幅显著增大。

3 适航区域分析

3.1 水位变幅控制指标

对电站枢纽下游河段而言，为了防止非恒定流引发的水位变幅对航运带来的不利影响，通常采用水位变幅指标进行控制。当河段内实际水位变幅超出相应的控制指标时，要求该河段停航；或者为了保证某一河段航运安全，要求水位变幅不超过相应的限制，从而对电站运行提出反要求。常用的水位变幅指标有两个：水位最大日变幅和最大小时变幅，由于小时变幅指标更灵活，对航运的影响更直接，本文采用水位最大小时变幅作为适航区域的划分指标。从长江三峡、金沙江向家坝和溪洛渡、嘉陵江亭子口等已建枢纽下游通航河段的运行实践来看，平原及普通山区河流航运安全通常要求水位最大小时变幅不超过1.0 m/h[8-10]。对于乌东德水电站下游河段而言，考虑高山峡谷河段水位陡涨陡落的特性以及设计代表船型对水位变幅的适应性，适当放宽水位变幅限制，采用水位小时变幅不超过1.5 m/h作为控制指标。

3.2 适航区域分析

由乌东德电站日调节非恒定流计算结果可知，乌东德水库坝址至四斗种河段(即白鹤滩水库变动回水区)受非恒定流影响显著，水位变幅剧烈，尤其是在白鹤滩水库低水位运行时。为进一步研究四斗种处是否适合通航，将乌东德水库泄流过程①～④和白鹤滩水库4种水位边界(由低到高分别为765，785，800 m和825 m)进行组合，计算出16种组合工况下四斗种处的水位变幅，见表4。由表4可知，除了个别极端工况外(如白鹤滩水库以死水位765 m运行、乌东德水库以极端调峰流量过程①和②下泄)，四斗种处的水位最大小时变幅均在1.5 m/h以内。并且，根据白鹤滩水库初步设计阶段拟定的水位运行规则，白鹤滩水库只有在每年6月初才会在死水位附近短暂运行，水位在765～770 m之间运行的时间仅为全年的2.8%左右，换言之，四斗种处水位变幅超过1.5 m/h的时间很短，四斗种处通航保证率较高。结合四斗种以下非恒定流逐渐坦化和消减的规律可知，四斗种及以下河段可常年满足船舶安全航行的水位变幅要求。

综上所述，从水位变幅的角度，初步认为四斗种以下河段(即白鹤滩水库常年回水区)受乌东德电站日调节非恒定流影响较小，为适航区域。

表4 四斗种处水位最大小时变幅Tab.4 Maximum hourly variation of water level at Sidouzhong m/h

4 水位变幅控制措施

4.1 上游电站调峰泄流控制

枢纽渠化河段的水位变幅通常是由上游电站日调节运行产生的非恒定流引起的，因此水位变幅与电站下泄流量变化息息相关。研究表明，乌东德水电站单机容量大、下游河道狭窄，电站每开关一台机组，下游河道水位变幅为1.0～1.5 m。若短时间内水轮机开关机频繁，则下游水位就会出现陡涨陡落。为了使下游通航河段内水位变幅满足船舶通航安全要求，应控制乌东德水电站下泄流量的变幅和变率(小时变幅)。根据表4结果推算，在白鹤滩水库以死水位765 m运行时，若要求四斗种以下河段水位变幅不超过1.0 m/h，则乌东德日调节下泄流量的最大小时变幅不能超过4 430 m3/s；若水位小时变幅以1.5 m/h作为控制标准，则乌东德泄流变幅应控制在5 100 m3/s以内。随着白鹤滩水库水位的抬升，四斗种以下河段安全通航对乌东德电站泄流变幅控制要求可逐步放宽。但若通航范围延伸至四斗种以上，则需加强乌东德电站泄流变幅控制。

4.2 下游枢纽反调节

除流量变化直接影响外，河段水位变幅还受下游枢纽反调节运行的影响。研究表明：当白鹤滩水库以低水位(如死水位765 m)运行时，乌东德水库坝下河段不受回水影响，表现为天然河道属性，水位变幅剧烈；随着白鹤滩水库水位的抬升，回水范围向上延升，回水淹没河段水流条件得以优化，水位变幅逐步减小，最大降幅约5.0 m/h。因此，从保障航运安全、延长通航范围的角度，建议白鹤滩水库枯水期尽量以高水位运行。

4.3 河道整治

乌东德水电站下游近坝段水位变幅剧烈，除了电站装机容量大、调峰幅度大之外，独特河道地形也是水位陡涨陡落的重要原因。乌东德电站所在的金沙江下游河段属于高山峡谷地带，河道弯曲、狭窄、滩险众多，较小的流量变化易引发明显的水位变幅。从水位变幅沿程分布来看，乌东德坝址附近(0～2 km)、鲁家村附近(12～18 km)、黄草坪附近(32～34 km)为水位变幅较大的3处位置，经核查这些位置均分布有大型滩体，地形高凸、河宽较窄，过流断面较小。若对这些卡口段进行适当的河道拓挖和整治，增大过流断面面积，将有效减小局部河段的水位变幅。

5 结 论

本文以金沙江乌东德水电站为例，通过一维非恒定流数学模拟，研究了枢纽运行对下游河段的水位变幅规律的影响、划分了适航区域以及提出了水位变幅控制措施等。研究结果表明：

(1) 水电站日调节产生的非恒定流过程影响强烈，下游河段水位变幅巨大；水位波动整体沿河段衰减和坦化，但局部增强。

(2) 就乌东德水电站下游河段而言，乌东德坝址至四斗种河段水位变幅较大，小时变幅最大可达9.0 m/h，远大于普通山区河流的水位变幅，不适宜通航；四斗种以下河段水位变幅较小，通常在1.5 m/h以下，可作为适航区域。

(3) 为减小水位变幅，可采取减小电站调峰幅度、建立反调节枢纽实行水位反调节、对局部卡口河段进行河道疏挖等措施。

(4) 枢纽建成运行后，还需加强下游河段非恒定流观测，根据实际水位变幅情况和船舶航行特性，进一步优化枢纽调度方案、完善适航区域的划分。