枢纽分散泄流对下游河道通航水流条件的影响研究——以景洪电站为例

方 伟，蒋孜伟

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

0 引 言

随着经济的发展，我国建设了一大批大中型水利枢纽，工程建成后，由于装机容量大、引用流量多，电站汛期调度运行方式不同，大坝泄流以及电站引水可能使河道水流条件与天然情况相比发生较大变化.分散泄流属于电站运行较为普遍的一种工况，它是指电站机组发电、泄洪闸泄洪等工况组合在一起的泄流方式.采用分散泄流的方式，一方面是为了保证发电站的正常运行，在不同的入库流量下，要开启相应台数发电机组进行发电.二是满足大坝泄洪的需要，在不同的入库流量下，开启不同的孔口泄流.由于电站分散泄流在时间和空间上的分配不均匀，对下游引航道口门区域通航水流条件产生了极不利的影响，因此国内学者对大坝泄流下游水流特性做了广泛研究.乐培九等[1]根据电站日调节方式和非恒定流运动特性，提出了日调节对航深影响距离的估算方法；张绪进等[2]对澜沧江景洪电站进行了物理模型研究，提出了电站运行工况的流量最大日变幅以及小时变幅是影响下游水流变化的重要因素；杨文俊等[3]研究了三峡大坝泄洪及船闸充泄水非恒定流对上、下引航道通航影响；黄颖等[4]研究了三峡水电站日调节对下游河道水面比降的影响；舒荣龙等[5]研究了三峡调峰对两坝间通航条件影响；曹民雄等[6]在整理大量文献和资料的基础上，总结了电站泄流对坝下游航道产生的影响，提出了应对的策略和整治措施.

目前水工模型试验是优化泄水建筑物设计、研究河道水流特性的重要手段，上述研究亦是从物理模型试验方向展开，而本文研究泄流空间分布采用的工况较多，采用物理模型需进行大量周期性观测性试验，费时费工，结合数值模拟计算周期相对较短，地形易改动，时间和空间调整灵活等特点[7]，本文在前人研究的基础上，以景洪电站为例，对景洪水利枢纽分散泄流水流特性进行了数值模拟研究.

1 景洪电站枢纽概况

澜沧江流经我国西南边陲，是连接我国西南地区与南亚地区的国际性航运河流.景洪水利枢纽位于澜沧江干流下游，云南省西双版纳州景洪市北5 km处，电站距昆明公路里程约575 km，是云南省境内澜沧江中下游河段规划8个梯级电站中的第6级，枢纽布置(见图1)[8-9].景洪水利枢纽主体建筑物包括拦河大坝、泄洪冲沙建筑物、电站厂房及通航建筑物等.电站坝轴线全长约300 m，电站布置在左岸重力坝后，为坝后式地面厂房，电站厂房内安装有5台混流式水轮发电机组，装机容量为1 750 MW.溢洪道位于右岸，采用7个表孔泄流.

图1 景洪电站枢纽总平面布置

2 景洪电站分散泄流的模拟

2.1 数学模型建立与验证

采用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流的运动，基本控制方程为：

(1)水流连续方程

(1)

(2)x方向动量方程

(2)

(3)y方向动量方程

(3)

以上各式中：t—时间；

u、v—分别为x、y方向的流速；

h—水深；η—河床高程；

g—重力加速度；

εxx、εyy、εxy—紊动粘滞系数，取αu*h，α=3～5；u*—摩阻流速.

图2为景洪电站至下游景洪老大桥间的河段网格划分图，计算河段全长约4.0 km，共15 402个单元，31 597个节点，其中在引航道附近进行了局部加密处理，以更准确模拟航道水流效果.该河段率定糙率在0.025～0.045之间，水位验证偏差值最大为0.067 m，流速验证值大小、分布、最大值、最小值的位置均与实测资料较为一致，偏差基本控制在±10%以内.对比数模计算的流场与实测的浮标迹线，不论流迹线的收缩或扩散位置，流速值的大小及流向，数模计算结果与实测浮标迹线走向均达到了基本一致.二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理，能正确模拟河道的水流，可进行下一步工程前后河道流场的计算.

2.2 电站分散泄流工况

为全面模拟景洪电站不同时段的泄流情况，笔者选定了包括洪、中、枯在内的4级流量(Q=504 m3/s、1 500 m3/s、3 000 m3/s、8 967 m3/s)进行数值模拟研究.大坝轴线以60 m为一单位泄流宽，划分为5段，采用从左到右、从右到左、从中间到两边以及全断面泄流4种开启方式，试验工况(见表1).图3给出了全断面泄流(300)以及在一个泄流宽度下从左到右(L_60)、从右到左(R_60)、从中间到两边(M_60)的泄流位置作为参考，其它流量，泄流宽度对应的工况可类推.

图2 局部网格划分图

工况流量/(m3/s)泄流位置/m1504300工况流量/(m3/s)泄流位置/m141 500L_180工况流量/(m3/s)泄流位置/m273 000M_120工况流量/(m3/s)泄流位置/m408 967R_6021 500300153 000L_180288 967M_12041504R_12033 000300168 967L_18029504M_180421 500R_12048 96730017504L_240301 500M_180433 000R_1205504L_60181 500L_240313 000M_180448 967R_12061 500L_60193 000L_240328 967M_18045504R_18073 000L_60208 967L_24033504M_240461 500R_18088 967L_6021504M_60341 500M_240473 000R_1809504L_120221 500M_60353 000M_240488 967R_180101 500L_120233 000M_60368 967M_24049504R_240113 000L_120248 967M_6037504R_60501 500R_240128 967L_12025504M_120381 500R_60513 000R_24013504L_180261 500M_120393 000R_60528 967R_240

注：L表示从左往右开不同的泄流宽度，M表示从中间往两边开不同的泄流宽度，R表示从右往左开不同的泄流宽度，300表示全开.

图3 分散泄流位置

2.3 流场一致判别标准

泄流流量相同的情况下，大坝全断面泄流的流场与部分开闸泄流的流场有差异，但随着沿程距离的增加，两者之间的差异会逐渐减小.一般情况下，只要找到一个判别标准，其计算值在其允许范围之内则可视为部分开闸泄流的流场与天然河道流场趋于一致.而从概率论、统计学出发，我们可以采用变异系数判别指标，它是衡量资料中各个观测值变异程度差异的统计指标，描述了测定结果的偏差程度，在本文中即断面流速的均方差与全断面平均流速的比值.判别标准σ表达式如下：

(1)

流速统计点沿断面分布的间距为10 m.

σ的限值目前没有定论，本文认为对河道的影响程度而言，其允许范围值在5%以内为宜，此时σ=5%处距大坝泄流断面的距离即为所求的沿程距，用S表示.

2.4 计算结果分析

以该判别标准为依据，得到了各工况下沿程距与流量之间的关系，现加以分析.

(1)从左往右开，不同开口宽度，不同流量下的S值

由图4分析，4组流量在L_60 m开度情况下，沿程距最大.在同组流量下，随着开口宽度增加，沿程距逐渐减小.由此说明：在相同流量下，开口宽度越小，流态越紊乱，所需要的恢复到与全断面泄流流场一致的距离就越大，对下游流场影响范围越远.而当开口宽度相同，流量越大，沿程距S越大，对下游影响范围亦越大.

(2)从中间往两边开，不同开口宽度，不同流量下的S值

由图5为由中向两侧开启的方式，此种开口方式下沿程距变化趋势同图3一致，区别在于随着开口宽度增加，沿程距减小的趋势更为平缓.

(3)从右往左开，不同开口宽度，不同流量下的S值

图6为从右向左侧开启，此种开口方式下的沿程距与前两种情况不同之处是504 m3/s、1 500 m3/s、3 000 m3/s的流量下，开口宽度由60 m增加到120 m的情况下，所对应的沿程距的差值很小，原因在于右岸溢洪道出口处的底部高程为530 m，在下游140 m之后的地形高程增加到534 m，在流量不大的情况下，水流被阻挡，因而造成了不同组流量间沿程距差别不大的现象.随着开口宽度的增加，地形对水流的阻挡作用逐渐削弱，在沿程距为180 m时流量之间的差别又显现出来.

(4)同一流量下的最大沿程距S

由图4～图6比较分析可知，Q=504、1 500、3 000、8 967 m3/s沿程距的最大值分别为423.6 m、473.8 m、540.4 m、739.3 m，并且这四组流量沿程距S的最大值都出现在左岸.

(5)沿程距S与流量的关系拟合

通过以上的分析，采用指数衰减函数拟合，建立了最大沿程距S与流量Q之间的关系式(见图7).R2为相关系数，其值越接近于1，说明拟合程度越好.

图4 开口宽度与S的关系(左至右)

图5 开口宽度与S的关系(中间至两边)

图6 开口宽度与S的关系(右至左)

图7 S-Q的关系

4 结 语

以景洪电站为例，建立了平面二维水流数学模型，模拟了不同流量和泄流宽情况下大坝泄流对坝后流场影响的范围.为了定量分析分散泄流对下游流场影响范围，采用流场一致的判别指标计算，获得了不同流量分散泄流的沿程距，并对开口位置、宽度、流量与沿程距之间的关系进行了探讨.分析得到：流量越大，开口宽度越小，沿程距越大.同时，结合地形条件分析，开口位置对沿程距影响最大出现在左岸处.通过模型计算数据，拟合得到了沿程距和流量之间的关系式，为确保汛期船舶的行船安全情况下，为大坝孔口泄流提供了科学依据.

参考文献：

[1] 乐培九，王永成.电站日调节泄流对下游航运影响及其防治措施[J].水道港口，2004，25(S)：52-58.

[2] 刘亚辉，张绪进.低坝枢纽泄洪闸布置对引航道口门区通航条件的影响[J].水运工程，2004，9(9)：59-62.

[3] 杨文俊，孙尔雨，杨 伟，等.三峡水利枢纽工程非恒定流通航影响研究IV：上、下引航道[J].水力发电学报，2006，25(1)：45-49.

[4] 黄 颖，李义天，韩 飞.三峡电站日调节对下游河道水面比降的影响[J].水利水运工程学报，2004(3)：62-66.

[5] 舒荣龙，陈桂馥，杜宗伟，等.三峡电站汛期调峰对两坝间通航条件影响试验[J].重庆大学学报，2005，24(6)：125-128.

[6] 曹民雄，庞雪松.电站泄流对坝下航道影响研究进展[J].水利水运工程学报，2005，24(6)：94-104.

[7] 张明进，伍文俊.浅谈数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用[J].水道港口，2010，31(2)：102-107.

[8] 三结合编写组.山区航道整治[M].北京：人民交通出版社，1975.

[9] 许光详.澜沧江小白塔滩航道整治数学模型研究[R].重庆：重庆交通大学，2011.

信息启示

“河长制”考核让学生在实践中成长

“丁宅乡河道变化最大的就属这条扬沙河了.原来河道里生活垃圾、枯草烂叶飘浮长达10多米，现在河里垃圾少了，水清了.不信你闻闻，纯绿色生态泥土味.”浙江水利水电学院水利与环境工程学院(简称水环学院)学生魏宇雷面对着眼前扬沙河这汪清水高兴地和笔者打趣.

10月14日，魏宇雷和同伴们揣着活页夹、相机奔走在乡间小路上.正午的太阳和扬起的沙尘让魏宇雷的眼睛眯成一条线.自从今年4月水环学院承接了上虞区“河长制”管理考核工作，魏宇雷就跟随指导老师定期对绍兴市上虞区各乡镇进行“河长制”考核.今天是他第3次随同老师深入丁宅乡进行河道抽查.内页台帐资料、外页现场勘查，GPS定位留档，经过前期的老师指导，魏宇雷已经可以独立完成前期的考核工作.

根据水利厅要求，丁宅乡14条河道中需要随机抽取12条进行考核，每条河道抽出3个点进行检查.但魏宇雷和同伴们为了尽可能反映河道实情，总是多跑几百米，在源头、中段、下游取上4、5个点，并详细做好记录备案.“既然来了我们就不能走马观花，应该真真切切把成果反映出来，把问题找出来.”魏宇雷一脸认真地说，“所以每次我们都跑得比当地农办干部快，抢在他们前面把有问题的河道拍下来作为凭证.事实依据充分了，考核才会公平公正.”

如今魏宇雷已经跑了大半个上虞，不仅对上虞区多个乡镇的河道基本情况能说个二三四，而且对当前我省“五水共治”理解得更为透彻.“五水共治”是一项战略决策，但它必定落脚于一桩桩具体任务中.“以前我们把水环境保护概论等专业课只当作是故事听听，有了这次实践之后，我们真正体会到水环境保护的紧迫性.实践得真知呀.”他还不失幽默地套用一句广告词概括自己实习收获：“脸黑了，人精了，妈妈再也不用担心我学习了.”

水环学院党总支书记王俊萍说：“学院承接此项课题不仅减轻地方水利局压力，为‘河长制’管理考核客观公正发挥了作用，而且也为学生参与到实践活动中创造了机会.通过真刀真枪的实践，对提升学生的专业技能、团队合作、人际沟通等综合素质很有帮助.”

摘自浙江水利水电学院网