王甫洲电厂水文站水位流量关系单值化分析研究

龙 翔，蒋四维

（长江水利委员会水文局 汉江水文水资源勘测局,湖北 襄阳 441000）

0 引言

自二十世纪五十年代以来,为了水文资料整编的实际需要,对非单一水位流量关系曲线定线推流提出了很多方法,其中包括连时序法、连实测流量过程线法以及考虑水力因素进行校正计算的等落差法、定落差法、落差开方根法、校正因素法、特征河长法、改正水位法等[1]。二十世纪七十年代,经过20年的实践,逐步发现上述一些方法存在适用性差、精度不高等缺陷,特别在实现电子计算机整编水文资料以后,以上方法难以利用计算机实现定线自动化。为确保定线精度,水文站测流次数多达上百次,大大增加外业水文测验的人力、财力、设备和时间重担。因此,水位流量单值化分析势在必行。

2019年全国水利工作会议把信息化工程列为四大工程短板之一,因此大力推广水文行业数字化转型,加强推进智慧水文建设,全面推广在线监测设备势在必行。在线监测设备不仅极大减少了水文工作者的外业工作量,同时收集数据量大大增加。基于大量的采集数据和实时监测数据,水文工作者对于水位～流量的关系分析更加细致、精确,率定出的关系线更加精准。对处于水工建筑物下游的水文站而言,水位流量主要受闸门启闭、发电调度的影响。因此王甫洲电厂水文站的水位～流量关系较为复杂,使用王甫洲电厂的在线监测数据可以减少流量测验的工作量,提升定线精度[2]。

“十四五”以来,我国水电事业在行业各方的共同努力下大步前行,乌东德、白鹤滩、两河口等一批重大水电工程相继投产发电。汉江作为长江最大的支流,流域内水能资源丰富,仅汉江干流就已经形成了16个梯级,其支流有陡岭子、鄂坪、南河等诸多水电站。汉江新集水利枢纽目前正在加紧建设,全面进入主体工程施工阶段。

为了研究新集水电站蓄水对王甫洲水电站的尾水渠水位流量关系的顶托,合理计算新集水电站建成运行后王甫洲水电站的发电量损失,初步选择王甫洲电厂站作为分析新集水电站对王甫洲水电站发电量影响分析的水文站,开展水文监测、数据分析。在王甫洲电厂下游530 m、入汇汉江口上游300 m处设立王甫洲电厂水文站。为下游新集水利枢纽建成后对王甫洲电厂发电效率的影响程度分析,提供技术支撑。

王甫洲电厂水文站单值化法通过率定、分析王甫洲电厂监测的发电流量与本站水位的关系,形成水位流量单一关系线。利用新集电站蓄水前、后的两条单一关系线可以便捷地推算出王甫洲电厂发电时的水头损失,从而得出具体的损失电量。

1 研究区域概况

汉江王甫洲水利枢纽是一个以发电为主,结合航运,兼有灌溉、养殖、旅游等综合效益的大型水利工程。位于湖北省老河口市汉江干流上,上距丹江口水利枢纽30 km,是汉江干流16个梯级开发中的第10个梯级。水库正常蓄水位86.23 m,相应库容1.495 亿m3,校核洪水位89.30 m,总库容3.095 亿m3。电站为低水头径流式电站,装有4台灯泡贯流式机组,总装机109 MW,年发电量5.81 亿kW·h。单机最大过流能力为420 m3/s。其中,枢纽主要水工建筑物为非一字型布置,泄水闸坝区布置在右岸大江主河道上,电厂及船闸坝区布置在小江（靠左岸）。泄水闸坝区在汉江上游,距离电厂约10 km。王甫洲电厂设置有坝上水位和坝下水位记录装置,坝下水位记录装置在坝下右岸电厂出水口右岸位置,位于水文站上游530 m[3-4]。

汉江新集水利枢纽上距已建成的王甫洲水利枢纽47.5 km,下距已建成的崔家营航电枢纽61.5 km,是汉江中下游河道综合治理、梯级开发的重要组成部分。正常蓄水位76.23 m,总库容4.22 亿m3,总装机容量120 MW,年发电量5.09 亿kW·h。

北河是汉江中游的支流,位于汉江右岸,发源于房县,干流全长103 km,流域面积1212 km3,流域内多年平均降水量997.5 mm,多年平均年径流量13 亿m3。由紫金镇彦家洲村入谷城县,至北河镇安家岗村汇入汉水。入汇口在王甫洲电厂尾水渠汉江入汇口上游约2.5 km。北河上建有北河水文站,建于2003年1月,距离汉江入汇口约13 km。

南河是汉江中游的支流,位于汉江右岸,干流全长303 km,流域面积6490 km3,流域内多年平均降雨量1031.7 mm,多年平均年径流量15.4 亿m3。由紫金镇玛瑙观村入谷城县,至城关镇格垒嘴村汇入汉水。入汇口在王甫洲电厂尾水渠汉江入汇口下游约7.5 km。南河上建有谷城水文站,建于1936年7月,距离汉江入汇口约8 km。

王甫洲水文站位于王甫洲电厂下游530 m、入汇汉江口上游300 m处,于2021年2月5日建成,并通过验收。根据汉江局下发的《王甫洲电厂水文测验任务书》要求,测验项目包括水位、流量、降水量。流量测验采用测船渡河、GNSS导航定位、GPS罗经测定测船航行方向配合走航式ADCP施测。水文站外业资料收集完成后,采用相关软件进行数据处理,经过一校、二校、审查等阶段,确认测量结果符合相关规范标准和要求,成果可靠[5-7]。

2 单值化分析

2.1 技术路线

对于一条水位～流量曲线,断面平均流量用Q表示,水位用Z表示,若选取有N个结点（N＞3）,水位Z对应的流量Q,用下式计算：

在水位流速曲线上通过一元三点插值法[8-9]求解低枯水位级流量进行验证。在端点附近与曲线曲率较大处,选择水位级呈梯级分布的最少不少于三个测点对低枯水位进行插值计算。

水电站电量计算公式：

式中：k为综合出力系数；E为电量,kW·h；Qi为日均流量,m3/s；Hi为日均毛水头,m；Ti为日发电小时数,h；ηi为机组效率。

为更好地分析新集电站对王甫洲电厂的影响,需要对影响因素进行分析。王甫洲电厂来水主要为丹江口水库下泄流量,根据下泄流量大小,其枢纽运行可分为有弃水和无弃水下泄两种情况。

（1）有弃水下泄,一般发生在汛期,汉江上游发生较大洪水时,丹江口水库开闸泄洪情况。其出流为泄水闸泄洪流量+电厂发电流量；此时,泄水闸下泄洪水,对电厂尾水渠产生顶托影响。该时间段,可不考虑新集水电站对王甫洲电厂的影响。

（2）在非洪水期,上游丹江口水库下泄为其枢纽发电出流,流量一般不超过1500 m3/s。另外,根据多年资料统计,非洪水期支流南、北河出流之和很少超过300 m3/s。

综上所述,新集水电站对王甫洲水电站的影响主要集中在非洪水期。因此,水文站水文测验资料收集及整理分析工作,亦主要针对此时段相关因素影响情况。

2.2 电厂发电流量成果精度分析

王甫洲电厂水文站流量测验断面在基下4 m处。在2021年7月后,汉江发生20年一遇的洪水,其间丹江口水库下泄最大流量10800 m3/s。洪水过程一直持续到11月上旬,其间王甫洲电厂一直保持1300 m3/s以上的发电流量。

洪水过后,下游河道内的杂物及植被冲刷殆尽,下游过水能力大幅度提高,水文站断面亦被冲刷下切。过流断面受冲淤变化影响时,水位面积关系曲线会发生变动,从而使水位流量关系曲线亦发生变化[10]。断面变化见图1。

流量测验要集中在2021年1月26日～7月28日和2022年3月9日～8月20日,其中2021年施测流量37次；2022年共施测26次,合计施测63次,除去泄水闸工作期测验流量共计54次有效测次。

依据水文站实测流量比测电厂发电流量数据精度,比测结果见图2。

图2 电厂发电流量与实测流量对比图

由图可知,电厂发电流量数据精度较高,成果可靠,发电流量可参与水文站水位流量关系的分析率定。

2.3 水位流量资料分析

水文站实测流量测验范围483 m3/s～1530 m3/s,基本覆盖王甫洲电厂正常发电期。

王甫洲电厂正常发电期间,电厂调机较为频繁,根据水力学原理,当上游来水发生变化时,由于洪水波传播所引起的附加比降不同,使断面上的流量与同水位稳定的流量相比产生有规律的增大或减小[11]。把水位流量过程点绘在水位流量关系图上,形成一条围绕着水位流量关系曲线旋转的逆时针绳套线[12-13]。以2022年2月6日10时电厂调机为例,3时至9时处于上一次调机后发电流量和水位减小的过程,由于时间过短,水位的变化明显滞后与流量变化,当流量稳定在740 m3/s时,水位保持下降趋势；10时左右电厂进行调机,13时前完成调机,发电流量由740 m3/s调整为1330 m3/s。过程变化见图3。

图3 2022年2月6日水位～流量关系时间序列变化过程图

从图4中可以看出,3时～9时处于上一次调机后发电流量和水位减小的过程,由于时间过短,水位的变化滞后于流量变化,当流量稳定在740 m3/s时,水位保持下降趋势,水位流量关系点据分布在稳定期水位流量关系线左侧；10时左右调机后,发电流量迅速上升,但水位变化很小,水位流量关系点迅速转移至关系线右侧；在23时左右水位达到稳定前,流量变换很小,水位持续上升,水位流量关系点保持在关系线右侧；在7日1时左右水位稳定后,水位流量关系点回归于关系线附近,随后流量变化很小,水位持续不变,并保持在关系线上[14]。

图4 2022年2月6日水位-流量变化过程与稳定流关系线图

由此可见,电厂调机后,在发电尾水渠水位稳定之前,水位流量关系点将明显偏离水位和流量均稳定不变时各流量级水位流量关系曲线。一般而言,流量变化越大,测验时机离稳定流越远,其偏离越大；发电流量由小调大时关系点向关系线右侧偏离,由大调小时关系点向关系线左侧偏离。

详尽分析洪水前、后电厂尾水渠水位流量关系,分析其稳定流关系线明显为两个系列。分析原因,主要是本年长历时较大流量泄洪,泄水闸至格垒咀河段长时间被冲刷,河段过水能力增强。图5为洪水前后稳定流关系线明显为两个系列关系。

图5 发电尾水渠流量、水位均稳定时水位流量关系图

定线精度信息见表1,定线精度满足水文资料整编规范中对于一类精度站的要求。

表1 实测流量与电厂流量对比表

由此可见,电站调机后发电尾水渠水位和流量均稳定时各流量级水位流量关系呈现稳定单一线型关系[15]。

综上分析,在泄洪闸不弃水且南、北河来水较小的情况下,电厂发电出流与尾水渠水位变化不同步是引起尾水渠水位流量关系点据分布散乱关键因素。该河段汉江河道相当于电厂尾水渠河段而言,江面宽阔,体量较大,对尾水渠来水具有明显的反调节作用。根据分析资料,电厂调节发电出流过程,不论是由小调大、还是由大调小,大江对尾水渠反调节制约作用较大,发电流量变率越陡,关系点越偏离稳定单一线（中心线）；只有当调机后尾水渠发电流量和水位均趋于稳定时,其水位流量关系点才回到稳定单一线附近。

鉴于此,采用电厂瞬时流量过程推算2021年2月以来的旬平均流量及月平均流量,与相应日平均水位、旬平均水位及月平均水位建立关系。可以看出,①其关系点更趋于稳定单一线上；②日平均关系点基本在稳定单一线附近；③月、旬平均的关系点基本与尾水渠流量和水位均稳定时各流量级瞬时水位流量关系点一致[16]。

除去产生弃水的2021年7月24日～11月5日、2022年2月17日至5月12日,采用稳定单一线推算的月平均流量与发电流量计算的旬平均和月平均流量对比见表2。从表中可知两者相对差较小,洪水前后分别推算的时段径流相差均为0.2 %[17]。

综上所述,采用稳定的水位流量单一关系线能够准确的反应出水文站的旬平均流量、月平均流量以及时段径流。

3 结论

（1）王甫洲电厂提供的发电流量数据精度较高,成果可靠。

（2）王甫洲水文站水位流量关系影响因素复杂,电站调机后发电尾水渠水位和流量均稳定后各流量级水位流量关系呈现稳定单一线型关系。

（3）王甫洲水文站在电厂调机期后的一段时间内,水位流量关系呈带状,其中心线与稳定单一线吻合；采用稳定单一线推算的日平均流量、旬平均流量、月平均流量与实际流量基本一致,时段径流基本一致；洪水后的稳定流关系线为王甫洲电厂尾水渠现状天然的稳定流关系线。

（4）汉江新集水利枢纽开始蓄水后,继续监测电厂尾水渠出流情况,分析水位流量相关关系变化情况。进一步收集蓄水前后不同流量级下汉江干流王甫洲至新集河段沿程水位流量同步监测资料,采用数模分析计算方法,推求蓄水前后新集回水末端的水位变化情况,并通过施测资料验证模型分析成果,确定新集电站蓄水对王甫洲电站出力影响程度。