航电枢纽中小洪水的利用方法研究

陈宇婷，钟平安，徐　斌，刘　宇

航电枢纽中小洪水的利用方法研究

陈宇婷1，钟平安1，徐斌1，刘宇2

（1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；
2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

利用防洪库容拦蓄洪水尾是水库洪水资源化的重要措施。以低调节性能的航电枢纽为研究对象，提出中小洪水资源化方法。依据实时洪水预报过程，采用一维水力学模型，计算实时动态水面线，以库区淹没控制水面线为约束，确定淹没控制断面及坝址断面水位上限值，根据洪水退水规律确定关闸时机。以赣江某航电枢纽为背景开展实例研究，取得了较好的经济效益。

航电枢纽；洪水资源化；水面线；关闸时机；经济效益

0　引言

利用水库洪水预报调度技术，拦蓄洪尾、适度超蓄、减少水库的无效弃水，可以充分利用洪水资源，显著增加经济效益［1-5］。近年来，利用水库汛限水位动态控制技术实现洪水资源化的研究已广泛开展［6］，丁伟等［7］研究预蓄预泄的汛限水位动态控制方法，根据洪水预报信息，对尼尔基水库进行水位实时控制，实现了水库汛限水位的提高；刘招等［8］将预泄能力约束法运用到安康水库的洪水资源化调度中，取得了较大的经济效益；周惠成等［9］以碧流河水库为研究背景，运用综合信息模糊推理的方法，研究汛限水位动态控制的效益及风险；张艳平［10］针对水库汛限水位动态控制目标的矛盾性，采用决策调度法对大伙房水库进行水库调度。目前，洪水资源化研究主要集中于调节性能较高的大中型水库［11-14］。

航电枢纽一般属于调节能力较低的河道型枢纽工程，库区狭长，水面线随入库流量、坝前水位以及出库流量等变化，库区淹没问题成为制约水库蓄水的关键因素。由于航电枢纽的特殊性，针对其洪水资源化的研究较少。本文以赣江上某航电枢纽为研究背景，利用洪水涨落段水面线的差异，在不增加库区淹没的前提下，通过拦蓄洪水尾实现航电枢纽超蓄运行，以提高航电枢纽发电效益。

1　基本原理

1.1研究思路

由于河道型动库容水面线的影响，确定航电枢纽正常高水位时，一般需满足库区淹没控制的要求。水库库区回水水面线随着入库流量的变化而变化，当洪水处于涨洪段时，水面附加比降随入库流量的增加而加大，即水力坡度随入库流量的增加而加大，因此航电枢纽设计时，通常起控制作用的是涨洪段；当洪水进入退水段时，水面附加比降减小，维持淹没控制断面的淹没控制水位不变，水库坝前水位允许适当抬升。基于水面线的这一变化规律，可以考虑在洪水退水段拦蓄洪水尾部的部分水量，实现洪水资源化利用。图1为航电枢纽洪水资源化示意图，其中断面AA'为库区淹没控制断面，阴影部分表示超蓄水量。

图1　超蓄示意

综上所述，利用洪水涨落段动力特性差异，可以在不增加防洪风险的前提下，实现洪水资源化，提高水资源利用率。从技术层面看，实现航电枢纽洪水资源化需要解决以下三个问题：①洪水过程中实时动态水面线的模拟；②超蓄时机的确定；③超蓄水位的确定。

1.2洪水过程动态水面线计算

采用一维水力学模型计算洪水过程的动态水面线，描述一维明渠非恒定流的基本方程由连续方程和运动方程组成，表征水力要素与距离s和时间t的函数关系［15］

式中，A、Q、qL分别为过水面积、河道断面流量、旁侧入流当无旁侧入流时，qL为0；v、g、h、i、J分别为水流速度、重力加速度、水面至渠底的高度、明渠底坡以及水力坡度。

本文将预报入库流量过程作为上边界条件，根据不同的计算需要，分别选择水库坝前水位或出库流量作为下边界条件，采用四点线性隐式差分格式对微分方程进行离散化求数值解，输出各个断面的水位、流量，从而求得各时刻的河道瞬时水面线。

1.3蓄水时机和超蓄水位的确定

1.3.1考虑预报误差的淹没控制断面水位

在实际调度过程中，依据的流量过程为淹没控制断面的预报流量过程。由于预报模型的结构、参数等多重不确定性因素的存在，预报误差不容避免。为了防止预报误差导致实际淹没线超过设计淹没线，在实时调度中，库区淹没控制水位应在设计值基础上留有余地。通过对历史预报信息进行统计分析，得到预报流量误差ΔQ（ΔQ=Q预报-Q实测）的概率分布密度函数为f（ΔQ），对于防洪安全而言，只关注预报流量偏小的一侧（见图2）。

图2　预报流量误差密度函数

取α=5%确定相应预报流量误差值ΔQ*，通过淹没控制断面的水位流量关系，确定水位安全阈值ΔZ，在实际控制过程中淹没控制条件为

式中，Zm为库区设计淹没控制线在淹没控制断面处的水位值（见图1）；Zh为调度期内最高水面线在淹没控制断面处的水位值。

1.3.2超蓄时机与超蓄量确定

航电枢纽洪水资源化是在确保不增加库区淹没的前提下利用动库容实现超蓄运行，水库超蓄运行过程中，坝前水位的超高也必须限制在允许的范围内。在这种情况下，超蓄控制条件分别为：上游淹没控制断面水位不超过Zk、坝前水位不超过Ze，参见图3。

图3　超蓄控制条件

由于不同场次洪水的尾水形态不尽相同，对应水面线的形态也可能出现以下两种情形：其一，坝前水位率先达到水库允许超蓄的上限值Ze，此时淹没控制断面水位低于淹没控制断面实际允许水位上限值Zk，如图3中虚线所示；其二，淹没控制断面水位率先达到该断面实际允许水位上限值Zk，此时坝前水位低于水库允许超蓄的上限值Ze，如图3中实线所示。在退水过程中，这两种情形都可能会经过，但对于某场特定洪水的退水过程，难以预见何种情形首先出现。为了规避超蓄风险，在超蓄方式上应采用对防洪有利的晚蓄方案，尽可能推迟蓄水，因此宜采用后出现的时间作为超蓄时机（即实际操作中的关闸时机）。

超蓄时机选择是超蓄的关键，过早则会造成拦蓄过度，需要二次开闸泄洪，过晚则会造成拦蓄不足，不能达成理想的超蓄目标。为了尽量减少闸门启闭次数，应根据本次洪水的退水规律与出库流量过程选择适当的超蓄时机。主要计算步骤如下：

（1）设退水段预报流量过程为Q（t）（t=1，2，…，T）。

（2）以退水段预报流量过程Q（t）为上边界条件，以水库正常高水位Z0为下边界条件，得出相应的出库流量过程q（t）（t=1，2，…，T）。

（3）当超蓄时机τ一定时，水库出流过程^q（t）τ分为两段：在τ之前为步骤（2）的计算结果，此时水库处于防洪状态；在τ之后关闸蓄水，此时水库处于兴利蓄水状态，水库下泄流量为发电流量。即水库出流过程

式中，τ为关闸时机；qm为关闸蓄水后的发电流量。

（4）假定一组τ，以退水段预报流量过程Q（t）为上边界条件，以水库出流过程^q（t）τ为下边界条件，计算各个τ值对应的调度期内最高水面线，得到该水面线对应坝址断面处水位Zem以及淹没控制断面处水位Zkm与τ的相关关系图4。

图4　τ与Zem和Zkm的相关关系

（5）为了防洪安全，取水库关闸时机

（6）以退水段预报来水过程Q（t）为上边界条件，以水库正常蓄水位为下边界条件，得到不超蓄时期水面线；仍以Q（t）为上边界条件，下边界条件改为水库出流过程^q（t）τ*，得到超蓄时期水面线，此时两水面线之间的水量即为超蓄水量ΔW，即

式中，i为断面序号，i=1，2，…，n；Z1，i、Z2，i分别为超蓄水面线、不超蓄水面线在断面i处的水位值；li为断面i与断面i+1之间的距离；Bi为断面i与断面i+1之间的平均河宽。

2　实例研究

赣江某航电枢纽是一个以航运为主，兼顾发电等水资源综合利用的河道型航电枢纽，水库正常蓄水位56.5 m，最高允许超蓄水位57.0 m，电站总装机容量120 MW，年平均发电量为5.27亿kW·h。古樟树林断面为其上游淹没控制断面，设计淹没控制水位57.48 m，包括坝址与淹没控制断面在内共设置11个计算断面。某场预报小洪水退水段24 h预报流量过程见表1。关闸时机τ与调度期内最高水面线对应坝址断面处水位Zem以及淹没控制断面处水位Zkm的关系见图5。

表1　预报来水过程　m3/s

图5　τ与Zem和Zkm的关系

根据预报误差分析确定库区淹没控制断面水位安全阈值为0.2 m，即防洪控制断面处实际允许的最高水位值Zk为57.28 m，枢纽坝前超蓄水位的上限值Ze为57.00 m。由图5得出τ1为7，τ2为6；根据式（4），取τ=7，即此次洪水退水过程起控制作用的是坝前最高水位，淹没控制断面水位低于57.28 m。图6为不超蓄（即以水库正常高水位为下边界）水面线、τ=7时相应的超蓄水面线以及设计淹没水面线。

图6　超蓄与不超蓄水面线及设计淹没控制线

利用式（5）求得超蓄水量ΔW为9.05×106m3，01∶00～07∶00这一时段内水库的平均发电水头为6.48 m，相应的单耗为61.98 m3/kW·h，可增发电量14.60万kW·h。

3　结语

本文提出的利用洪水涨落段动力特性差异，以上游淹没控制断面水位、坝前水位作为超蓄控制条件，通过洪水过程动态水面线模拟，确定超蓄时机与超蓄水位。应用实例表明：通过拦蓄中小洪水洪尾，允许水库适当超蓄，可以在不扩大库区允许淹没范围、不降低枢纽设计防洪标准的前提下，有效减少航电枢纽汛期的无效弃水，显著提高航电枢纽的发电效益，从而提高了航电枢纽的经济效益。研究内容对航电枢纽中小洪水资源化具有参考价值。

［1］刘招.水库的洪水资源化理论和方法研究［D］.西安：西安理工大学，2008.

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（责任编辑陈萍）

猴子岩地下厂房洞室群高地应力条件下围岩稳定性施工跟踪专题通过验收

2015年12月24日，《猴子岩水电站地下厂房洞室群高地应力条件下围岩稳定性施工跟踪专题研究》报告通过验收。

参会单位的专家和代表听取了中国地质大学（武汉） 对猴子岩地下厂房洞室群高地应力条件下围岩稳定性施工跟踪专题专题报告主要内容的汇报，并进行了认真的讨论和审议。会议评审认为，中国地质大学（武汉） 完成的专题报告研究资料收集详实，分析合理，结论基本可靠，满足合同要求，同意通过验收。

猴子岩地下厂房洞室群地质条件复杂，地应力高，变形量大，地下厂房开挖至第四层时围岩变形量达162mm，其变形为当前世界最大，硐室群施工期围岩稳定性是工程安全的重大工程地质问题。地下厂房施工初期，围岩稳定问题突出，为此，我院委托中国地质大学（武汉） 开展了猴子岩水电站地下厂房洞室群高地应力条件下围岩稳定性施工跟踪专题研究。

跟踪专题研究由中国地质大学（ 武汉） 徐光黎教授带领的课题团队承担。2013年6月至2015年5月团队进行了猴子岩厂区三大硐室大量的资料收集和分析工作，对围岩稳定性进行预测评价。专题研究成果为保证猴子岩水电站地下厂房硐室群施工安全和设计处理提供了重要的地质资料。

该专题研究成果应用了最新的科研技术，结合工程实际，为解决现场工程技术问题，提供了重要的地质依据；专题报告创新点较多，初次提出了适合高地应力质量评价方法（GHC） 以及首次研究了地下硐室群围岩EDZ 演化规律及其划分标准等，具有推广应用价值，对后续工程具有重要的指导意义。

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司）

Study on the Method of Small and Medium Flood Utilization in Navigation Power Junctions

CHEN Yuting1，ZHONG Pingan1，XU Bin1，LIU Yu2
（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The intercepting and storing of flood tail by flood control capacity of reservoir is an important measure of flood resources utilization.Taking the navigation power junction project which has a low regulation performance as study object，the flood resources utilization method of small and medium floods is proposed.Based on real-time flood forecasting，the dynamic water line is calculated by one-dimensional unsteady flow mechanics model.Taking the submerged control water line of reservoir area as the constraint，the water level upper limit values of the flood control section and dam site section are determined respectively，and then the time of gate closing can be acquired according to the law of flood extinction.A navigation power junction in Ganjiang River is taken as the study case and it obtains substantial economic benefits.

navigation power junction；flood resources utilization；water surface line；time of closing gate；economic benefit

TV697.1

A

0559-9342（2016）02-0080-04

2015-08-10

国家自然科学基金资助项目（51179044；51379055）

陈宇婷（1991—），女，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为水资源规划与管理；钟平安（通讯作者）.