受梯级枢纽运行影响的航道设计流量

2023-12-14 13:05:12冯小香覃昌佩蒋乙平杨燕华
长江科学院院报 2023年12期
关键词:柳江保证率水文站

张 明 ,冯小香,覃昌佩,蒋乙平,杨燕华

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456;2.广西交通设计集团有限公司,南宁 530029)

0 引 言

水沙变异条件下航道设计最低通航水位(简称设计水位)研究是目前内河港航工程领域持续关注的热点问题之一[1-4]。当自然和人为因素导致航道低水位持续下降时,其长期水位系列已不能满足水文一致性的要求,采用水位综合历时曲线法计算的设计水位一般难以反映现状水情变化[5]。《内河通航标准》(GB 50139—2014)[6]规定,当基本站所处河段河床和水文条件出现明显变化时,应采用流量系列统计分析确定设计流量,通过近期水位流量关系推求设计水位。因此,在内河航道工程中,设计最小通航流量(简称设计流量)的计算往往是设计水位分析和计算的基础,在有多种因素影响时,设计流量还是分析确定各因素贡献和预测设计水位变化趋势的前提[7-8]。

对于调节能力较强的大型水利枢纽,水库调蓄会影响枢纽下游径流的年内分配,将导致航道设计流量的变化,加大枯水期下泄流量也是提高航道等级和发挥航运效益的重要方式。冯小香等[2]根据三峡及上游梯级水库调度运行规则模拟预测长江中游河段的设计流量变化,李家世等[9]针对梯级水库对下游枯水流量影响明显、但正常运行时间较短的特点,根据典型时段的枯水流量变化特征来分析计算岷江下游航道的设计流量,刘勇等[10]计算了在保障枢纽下游河段基本航道尺度所需要的向家坝最小下泄流量。洪枯季蓄水位变幅较大的枢纽,枢纽运行将改变上游水文特性,可能影响水库变动回水区航道的设计流量。谢玉杰等[11]针对嘉陵江亭子口枢纽变动回水区河道来流较小,滩险碍航严重的问题,采用优良河段的河相关系确定能达到整治目标航深的流量,并以该流量作为变动回水区航道的设计流量。洪毅等[12]以天然河道的设计流量作为大顶子山航电枢纽建成后变动回水区河段的设计流量。然而,受上游、下游两个梯级枢纽运行影响的两坝之间河段,其水文条件具有枢纽下游河段和枢纽水库的双重特征。尤其对于季节性回水衔接的山区两坝间河段,不仅下游枢纽的建成运行可能导致两坝间变动回水区枯水控制时段变化,上游枢纽的调节能力和电站日调峰也会影响两坝间航道的设计流量;同时,在航道升级需要进行长距离挖槽时,枯水位对于流量变化较为敏感,选择较小的设计流量可能会导致坝下更大的水位下降,从而大幅增加航道工程费用。但是,由于该类问题较为复杂,以往可供参考借鉴的资料较为有限,迫切需要进行较为深入的相应研究。

柳江红花水利枢纽至石龙三江口位于大藤峡水利枢纽库区的上游,在大藤峡枢纽正常蓄水位运行后,该河段处于水库常年回水区和变动回水区,受两个枢纽的运行影响,水文条件复杂。同时,在柳江航道由500 t级向2 000 t级提升时,需要进行长距离疏挖,并且设计流量的大小对疏挖工程引起的枯水位下降具有重要影响。由于柳江红花水利枢纽至石龙三江口河段流量主要来自于红花水利枢纽上游,红花水利枢纽下游近坝段(红花水利枢纽至洛清江汇合口)设计流量的分析计算就显得尤为关键。本文以柳江红花水利枢纽下游近坝段为例,研究了受梯级枢纽运行影响的两坝之间航道设计流量推求问题,研究成果可为类似航道和船闸工程提供参考。

1 黔柳江来水情势

柳江是西江的第二大支流,在广西象州县石龙镇三江口与红水河汇合后汇入西江干流黔江河段(图1)。

图1 研究河段位置

红花水利枢纽是柳江干流最下游梯级,距离石龙三江口约101 km,与下游黔江大藤峡水利枢纽相距约210 km。红花水利枢纽至石龙三江口河段水量主要来自柳江干流,柳州水文站多年平均(1954—2015年)径流量393.3亿m3,支流洛清江、罗秀河年径流量分别约为柳州水文站的20.7%、2.4%。黔江水量主要来自红水河,柳江柳州水文站多年平均径流量约为红水河迁江水文站的60.8%,近年来由于迁江站来流减少,两站径流量比值有增加态势,2007—2016年约为71%,1986—2016年,黔江武宣水文站年均流量为3 973 m3/s,6—8月份是黔江全年平均流量最大的3个月(表1),各月平均流量分别为9 550、9 439、6 305 m3/s;其次为5月份和9月份,分别为4 866、4 125 m3/s;10月份—次年4月份各月平均流量均<3 000 m3/s。

表1 武宣水文站和柳州水文站各月流量统计

1997—2016年,柳州水文站各年平均流量变化区间为816~1 805 m3/s,各年保证率98%的流量[13](将流量从大到小进行排列,其位于第98个百分位值即是保证率98%的流量,下同)变化区间为79~233 m3/s,年平均流量和年枯水流量均无明显的趋势性变化(图2)。该时段各月的平均流量(表1),以6月份最大,为3 955 m3/s;其次是7月份和5月份,分别为2 919、2 154 m3/s;枯水期的12月份—次年2月份,各月平均流量均<400 m3/s。各月最小流量(表1),以6月份最大,为496 m3/s;7月份、5月份次之,分别为345、239 m3/s;其他各月均<200 m3/s。由此可见,受山区河流洪水暴涨暴落的影响,柳江主汛期5—7月份存在小流量的情况,在黔江主汛期的6—8月份,柳州水文站流量甚至可能<200 m3/s。

图2 柳州水文站年平均流量、年保证率98%的流量变化

2 大藤峡水利枢纽对柳江枯水控制时段的影响

大藤峡水利枢纽位于西江干流黔江河段,坝址控制流域面积19.86 万km2,占西江流域面积的56%。枢纽正常蓄水位61.13 m,正常汛限水位47.73 m,总库容34.79亿m3,防洪库容15亿m3,电站装机1 600 MW。枢纽工程于2014年底开工,2020年4月实现首台机组投产发电,工程预计2023年完工。

大藤峡水利枢纽是集防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等于一体的综合性水利枢纽,枢纽防洪和发电主要根据入库流量进行动态调度(表2)。当10月份—次年4月份大藤峡入库流量≤6 000 m3/s、5月份和9月份入库流量≤5 000 m3/s时,坝前水位≥59.73 m,与红花水利枢纽现有一线船闸下游设计水位基本衔接,红花水利枢纽出库流量对柳江航道升级工程影响较小;随着大藤峡坝前水位逐渐降低,库尾河段逐渐成为脱水段,航道水位主要受红花水利枢纽下泄流量和支流洛清江来流的影响,航道工程需要考虑红花水利枢纽运行的影响。

表2 大藤峡水利枢纽水库调度方式

由1997—2016年柳州水文站和武宣水文站流量遭遇情况来看,10月份—次年3月份,武宣站流量>6 000 m3/s时,柳州站流量一般>800 m3/s,次小流量为814 m3/s;4月份,武宣站流量>6 000 m3/s时,柳州站最小流量1 230 m3/s;5月份和9月份,武宣站流量>5 000 m3/s时,柳州站最小流量为733 m3/s;6—8月份,武宣站流量>20 000 m3/s时,柳州站最小流量3 270 m3/s,正常汛限水位47.73 m时,柳州站最小流量183 m3/s,综合历时保证率98%的流量为383 m3/s。从大藤峡水利枢纽调度运行方式和黔柳江流量遭遇情况来看,黔江汛期的6—8月份将是柳江航道水深最主要的控制时段。

3 红花水利枢纽对柳江流量过程的影响

3.1 红花水利枢纽出入库流量特征

红花水利枢纽为径流式电站,死水位77.13 m,正常蓄水位77.63 m,相应库容5.7亿m3,总库容30亿m3,电站总装机容量228 MW,安装6台灯泡式贯流机组,机组额定流量1 920 m3/s。枢纽同步建设1 000 t级单线船闸,船闸下游设计最低通航水位59.92 m,保证率95%,设计最小通航流量192 m3/s。红花水利枢纽于2003年动工,2005年2月首台机组发电,2006年底竣工。在2018年进行柳江Ⅱ级航道工程初步设计工作时,红花水利枢纽正常运行时间较短。

1997—2016年,柳州水文站(日均系列)各年6—8月份保证率98%(年均1.84 d)的流量变化区间为184~804 m3/s(图3),保证率92%(年均7.36 d)的流量变化区间为260~1 110 m3/s,该时段综合历时保证率98%、92%的流量(表3)分别为383、602 m3/s。1997—2006年6—8月份保证率98%、92%的流量分别为551、708 m3/s,2007—2016年6—8月份保证率98%、92%的流量分别为318、490 m3/s,红花水利枢纽蓄水后的10 a间6—8月份上游入库小流量持续天数有增加态势。

表3 柳州水文站及红花水利枢纽6—8月份入库流量统计

图3 柳州水文站各年6—8月份不同保证率下的流量变化

2007—2016年6—8月份红花水利枢纽出库保证率98%、92%的流量(日均系列)分别为329、531 m3/s,与同期柳州水文站相同保证率的流量相差不大,表明6—8月份红花水利枢纽运行对柳江日均流量影响较小。

3.2 红花水利枢纽日调节情况

2011年柳州水文站径流量257.2亿m3,平均流量816 m3/s,比多年平均值偏小约35%,是1997—2016年间来流最少的一年。从该年6—8月份红花水利枢纽出入库流量过程来看(图4),入库日均流量与出库日均流量基本一致,出库日最小流量与入库日最小流量呈现同步变化,表明红花水利枢纽出库日最小流量不仅与自身电站的调峰有关,可能还受上游电站调峰影响。根据2007—2016年日最小流量系列统计,6—8月份保证率98%、92%的入库流量分别为181、300 m3/s,出库流量分别为151、252 m3/s。与同期日均系列相比,日最小系列保证率98%、92%的出库流量要偏小178、279 m3/s,红花水利枢纽调峰引起的出库流量日均系列与日最小系列具有明显变化。

图4 2011年6—8月红花水利枢纽出入库日均、日最小流量变化

为满足通航要求,红花水利枢纽运行时要求水位变幅控制在1.0 m/h内,流量变幅控制在每小时≤1 000 m3/s。根据2017年10月13日0时至17日24时电站逐时流量、水位资料,受电站调峰影响,枢纽出库流量日内变化极不稳定(图5),10月15日11—16时由1 300 m3/s减小至200 m3/s,日内峰谷流量相差1 100 m3/s;2017年10月13日15—16时由200 m3/s增大至900 m3/s,小时变幅为700 m3/s。从坝下水位与出库流量的逐时变化过程来看,坝下水位与出库流量呈较好的同步变化规律。

图5 典型时段红花水利枢纽出入库流量及坝下水位逐时变化

4 航道工程对红花水利枢纽坝下低水位的影响

柳江红花水利枢纽至石龙三江口现状航道等级为Ⅳ级,航道尺度2.0 m×40 m×330 m,保证率95%。柳江航道升级工程拟结合大藤峡水利枢纽工程,将该段航道提升至Ⅱ级,航道尺度3.5 m×80 m×550 m(航道水深×航宽×弯曲半径)。同步在红花水利枢纽一线船闸外侧扩建二线船闸,按2 000 t级船闸(兼顾通航3 000 t级船舶,Ⅱ级船闸)设计,有效尺度为280 m×34 m×5.8 m(长度×宽度×水深)。

柳江沿河两岸丘陵与台地平原相间,河床地质为石灰岩或石灰岩上覆盖沙卵石,河岸较为稳定。该河段枯水水面宽一般为200~1 000 m,局部河段因河槽较窄,水位对流量变化敏感。在大藤峡水利枢纽蓄水前,根据工程前实测资料分析,枢纽出库流量约200 m3/s时,流量每增加25 m3/s将使得红花二线船闸下游口门附近水位升高约0.07 m(图6)。大藤峡水利枢纽正常蓄水条件下,库尾柳江航道存在约66 km的脱水段,柳江Ⅱ级航道升级工程需要进行长距离开挖,总长度约68 km,整治滩险43处。根据数学模型计算,在红花水利枢纽出库流量分别取350、383、410、470 m3/s(洛清江流量按60 m3/s、石龙三江口水位按47.95 m考虑)时,要实现柳江红花水利枢纽至石龙三江口河段全线达到设计航道尺度,红花二线船闸下游口门附近水位分别为56.16、56.82、57.38、58.30 m,同流量的水位分别下降3.52、2.96、2.47、1.71 m,与红花一线船闸下游设计水位相差分别为-3.76、-3.10、-2.54、-1.62 m。柳江Ⅱ级航道工程将导致红花水利枢纽坝下低水位出现明显下降,设计流量每减小25 m3/s将使得红花二线船闸下游口门附近水位下降约0.45 m,工程后坝下枯水位对流量变化更加敏感(图6)。

图6 柳江Ⅱ级航道工程前后红花水利枢纽二线船闸下游口门附近水位-流量关系

5 柳江航道设计最小通航控制流量

1997—2016年,柳州水文站综合历时保证率98%、95%的流量分别为161、194 m3/s,保证率95%的流量与红花水利枢纽一线船闸设计流量相差不大,表明从长系列年来看,红花水利枢纽上游枯水来流基本稳定,在没有红花水利枢纽和大藤峡水利枢纽的条件下,红花水利枢纽下游近坝段Ⅱ级航道水位按保证率98%考虑时,设计流量可取161 m3/s。红花水利枢纽建设后,按照《内河通航标准》(GB 50139—2014)规定的“枢纽瞬时下泄流量不应小于原天然河流设计最低通航水位时的流量”的原则,该段航道设计流量可取一线船闸设计流量192 m3/s。实际上,2007—2016年,红花水利枢纽出库保证率98%、95%的流量(日均流量)分别为130、159 m3/s,对于日最小系列,相同保证率的流量均减小至100 m3/s,由此可见,红花水利枢纽运行后下泄流量低于设计流量的情况时有发生,再加上电站日调峰影响,相同保证率的流量进一步减小。

在大藤峡水利枢纽正常蓄水期运行条件下,红花水利枢纽坝下航道水深条件将发生根本性变化,枯水控制时段由工程前柳江来流较少的10月份—次年3月份变为黔江主汛期的6—8月份,保证率98%的流量也由161 m3/s(共影响天数146 d)提高到602 m3/s(共影响汛期147 d)。然而,由于红花电站及上游梯级电站的调峰影响,对于6—8月份红花水利枢纽出库保证率98%、92%的流量,日最小系列比日均系列值分别减少54.1%、52.5%,日最小系列保证率92%的流量为252 m3/s。若不考虑5月份和9月份红花电站调峰可能的影响,按照Ⅱ级航道全年水位保证率98%的影响天数推算,在大藤峡和红花梯级枢纽正常蓄水运行条件下,红花水利枢纽下游近坝段航道设计流量可取252 m3/s。

虽然选择较小的设计流量可提高航道水深保证率,但也将导致坝下更大的水位下降,给原有枢纽和船闸等带来较大的不利影响,同时会大幅增加长距离疏挖河段的工程费用。因此,考虑到红花水利枢纽运行时间较短,结合红花水利枢纽的调蓄能力和电站调峰特点等,选择柳州水文站1997—2016年6—8月保证率98%的流量383 m3/s作为柳江Ⅱ级航道的最小通航控制流量(另考虑洛清江设计流量60 m3/s)。2007—2016年6—8月红花水利枢纽出库日最小流量<383 m3/s的天数共140 d,在2008年和2016年中没有出现,全年综合历时保证率为96.2%。

6 讨 论

设计最小通航流量一般指设计所采用的允许代表船舶或船队正常通航的最小流量[14]。为改善通航条件、提高通航能力和实现水资源的综合利用,交通部门要求新建枢纽的瞬时下泄流量不能低于设计流量[6]。对于调节能力较小的径流式枢纽,在上游来流相对稳定的情况下,枢纽建成前后坝下段航道的设计流量一般变化不大[1]。但季节性回水衔接的大型水利枢纽的建设运行可能使得两坝间回水变动段航道的设计水位和设计流量问题变得非常复杂,该类枢纽枯水期坝前正常蓄水位与上游梯级衔接,即使上游枢纽零流量下泄,也可以维持回水变动段航道的设计尺度;汛期坝前为防汛水位时,库尾存在较长的脱水段,该时期回水末端及上游河道来流必须大于设计流量航道才能正常运行。这表明季节性回水变动段航道设计流量无法适用于全年,仅是枯水控制时段保障航道设计水深要求的最小通航控制流量。大型水利枢纽的蓄水运行引起上游航道洪枯水条件的逆转,由于航道枯水控制时段由来流较小的枯水期变更为来流相对较大的汛期,航道的设计流量可能因此有明显提高。

山区河流长距离疏挖可能导致上游水位出现明显下降,由于水位对于流量变化十分敏感,设计流量的较小变化可能带来上游枯水位和航道开挖工程量的较大差异,因此,设计流量的取值应十分慎重。在调节能力较小的径流式枢纽上游有水文站时,可采用上游水文站满足水文三性要求的长系列日均流量系列作为依据,在进一步考虑枢纽调节能力、电站调峰特点和航道工程引起的坝下水位流量关系变化等综合确定。对于柳江红花水利枢纽下游近坝段,选取6—8月份柳江水文站综合历时保证率98%的日均流量作为设计流量,虽然比红花水利枢纽出库日最小系列相同保证率的流量有较大提高,但在一般年份,汛期洪峰间的小流量不会是长时间、连续的,且后期可以通过协调上游梯级枢纽的水量联合调度和规范6—8月份红花水利枢纽电站的调峰,以满足设计流量的要求。然而,需要指出的是,由于受自然和人为活动的影响,近年来水文不确定性的问题比较突出[15-16],一些河流由于坝下河床下切或下游梯级蓄水位下降导致枯水位下降大幅超出预期,也带来了严重的通航问题[17-19];2006年红花水利枢纽建成运行以来,由于采砂等因素影响,坝下低水位也呈现下降态势,流量192 m3/s对应的水位由59.92 m下降至59.01 m,下降了0.91 m。因此,考虑到船闸作为百年工程,建议在航道工程影响的基础上,进一步充分考虑自然和人为活动导致的水文条件不确定性对船闸设计水位的影响。

7 结 论

(1)大藤峡水利枢纽正常运行后,红花—大藤峡两坝间航道为季节性回水衔接河段,柳江红花水利枢纽至石龙三江口枯水控制时段主要出现在大藤峡汛限水位运行的6—8月份,柳江红花水利枢纽下游近坝段航道的设计流量因此得以提高,由大藤峡枢纽运行前的192 m3/s提高到383 m3/s。

(2)两坝间季节性回水衔接河段的航道设计流量仅适用于枯水控制时段,考虑到山区河流长距离疏挖时设计流量的较小变化可能带来上游枯水位的较大差异,建议通过完善相关规范,要求梯级枢纽在枯水控制时段的瞬时下泄流量不能低于该时段保证率的98%,以实现水资源的综合利用。

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