河道型水库洪水演进研究进展及存在的问题

2019-02-20

长江科学院院报 2019年10期

(长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

1 研究背景

本文拟通过总结河道型水库洪水演进问题研究现状，探讨现有研究的不足之处，为今后继续深入研究河道型水库洪水演进问题提供一些参考。

2 河道型水库洪水演进问题研究进展

自20世纪60年代以来，诸多专家学者围绕河道型水库洪水演进问题开展了大量的研究，并在大藤峡、水口、柘溪等水库开展了实践应用和试验研究[2-4]，取得了丰硕的成果。近20 a来，随着三峡、溪洛渡、向家坝等一批库容大、调节性能好的水库陆续建成，河道型水库洪水演进问题又成为研究热点，受到广泛关注。这些研究多聚焦于河道型水库洪水波特征、动库容特性、动库容调洪方法、水库中糙率分布及变化特性和近坝区水流特性等问题，并得到了一些非常有价值的结论。

2.1 洪水波特征分析

河道洪水演进的物理过程可以用圣维南方程组描述，对洪水波特征进行理论分析是建立合理的洪水演算方法的基础，洪水演算方法就是随着人们对洪水波特性的深入揭示而不断进步的[5]。Ponce[6]采用小扰动分析方法，基于圣维南方程组动量方程的各项对比关系进行洪水波分类，通过忽略动量方程中的部分项，得到了圣维南方程组的各种简化形式，即运动波、扩散波、准恒定动力波、惯性波和动力波。简化的洪水波模型也能够较好地描述洪水波的演进过程，运动波方程适合于模拟坡面流和缓慢上涨的洪水波，扩散波方程适合于天然河道缓流的模拟，惯性波方程被应用于惯性项起主要作用的洪水波演进[7]。

徐正凡[8]采用理论分析和水槽试验，研究发现：河道型水库洪水波不属于弹性波，闸门启闭不会从根本上改变洪水波的传播特性，仍然属于重力波范畴，可以看作明渠非恒定流进行模拟；在平水区，当通过人工调控长时间维持坝前水位微小变动时，可能会发生波的共振现象，在震荡过程中，长距离河段水位同升同降。Tsai等[9]采用小扰动分析方法研究了不同类型水面线的洪水波对流加速或减速对洪水波传播机制的影响，从水体黏性和河道阻力作用、重力作用、波的传播和衰减机制、回水效应在波的传输过程中的作用等方面，分析了存在回水效应下的洪水波动力特性，认为采用完全圣维南方程组形式的动力波方程可以更好地模拟河道型水库洪水波的传播过程。武周虎等[10]通过水槽试验分析了安康水库洪水波传播特性，发现洪水波在水库中的传播速度主要受惯性波速控制，洪水波传播时间与水库平水区水深及回水末端以下的河道长度有关。陈力等[11]基于MIKE11模拟分析了三峡库区内不同库段在多种来水条件下的洪水波特性以及变化规律。

2.2 河道型水库动库容特性

河道型水库库区水面线存在一定的比降，形成一个附加动库容的楔形水体，动库容大小直接与水面比降相关，受坝前水位、出库流量和入库流量影响呈动态变化，水库总库容与坝前水位不再具有单一关系。

袁秀娟等[4]系统性地总结了不同坝前水位、出库流量和入库流量条件组合下的河道型水库动库容特性，并进一步指出：动库容的大小及沿程分布还与库区地形有很大关系，对于库尾地形开阔的水库，动库容所占比重往往较大；涨水时动库容增大，部分洪水作为动库容滞蓄在库尾或库中部；退水时，受入库流量减小影响，动库容逐渐向坝前移动，库水位上升，动库容减少，原滞蓄在水库后部的水量逐渐向坝前转移。

基于对三峡水库动库容特性的分析，张俊等[12]认为在枯水期，三峡水库动库容所占比重较小，采用常规静库容调洪演算方法制定调度方案是可行的；而在洪水期，三峡水库动库容所占比重较大，要提高水库演算的精度，需要考虑解决水库的动库容影响。周建军等[13]通过分析三峡水库动库容特征发现：短期调度或大流量泄流时改变坝前水位不能带动离坝较远的库区水位变化，在短期内降低坝前水位需要的弃水量远小于相应的静态库容。利用坝前水位变化的灵敏性，采用动态汛限水位调度方法，根据未来洪水预报的情况，适时地调整汛限水位，有利于提高三峡防洪能力和发电效益[14]。

2.3 动库容调洪方法

河道型水库的调洪演算需要考虑动库容影响，动库调洪演算方法一般可分为以下2类：对动量方程进行概化处理的简化非恒定流计算方法(以下称简化方法)和采用水力学模型的非恒定流计算方法。

其中辐射场是取光学系统镜面上某个网格节点为球心建立的. 所有辐射半径都等于光学系统镜面所有节点到光学系统镜面延伸平面与流场网格相交节点里的距离最大值，即光学系统镜面外缘某节点到过光学系统镜面中心点延伸线与流场网格外缘相交的距离, 为一固定值, 以加快计算速度, 减少计算量, 用FORTRAN语言生成了辐射计算网格.

简化方法依据对动库容曲线的处理方式不同，又可分为化算流量法[15-16]和沿程分段变量流法[4]两类。简化方法是20世纪70—80年代主要使用的方法，简单易行，但精度有限。

当前河道型水库汛期调度主要采用水文预报模型和一维水动力模型耦合方法进行洪水演进计算制定调度方案[17]。入库洪水预报模型为水动力学模型提供水库周边汇入水流边界条件，水动力学模型结合历史洪水过程对区间入流水量进行反演，为洪水预报模型提供模型精度评估和参数调整依据[18-19]，二者之间存在密不可分的耦合关系。水动力学模型的模拟精度直接受边界条件制约，入库洪水预报尤其是区间入流的预报精度也直接制约着各种调度方案下水动力学模型的精度，提高水动力学模型的模拟精度可以直接改善水文水动力耦合模型的精度。

李光炽等[20]提出附加调蓄量的概念，采用附加滩地断面积的方法模拟附加调蓄量，使河道水流系统的蓄量等价于水库的实际蓄量，并通过反演方法确定区间入流过程，采用具有附加滩地的河道水流系统模拟水库调洪系统，在水口水库的洪水演进模拟中得到成功应用。

左广巍[21]在清江隔河岩水库洪水演进计算中，发现对于人为干扰较大的河道(如库区的河道)，其流量与水位往往不是单值对应关系(如大坝处的流量除与水位有关外，还与闸门的开度情况有关)，当对库区河道进行演算时，需要根据演算时刻的闸门情况计算水位-流量关系，即把流量-水位关系作为动态变化的关系进行处理。王妮等[22]在考虑中下游地区洪水易受变动回水顶托影响的基础上，提出了动态处理水位流量关系下边界的方法，在资水流域水动力洪水预报模型中的应用表明，该方法预报精度较高。

2.4 水库中糙率分布及变化特性

在明渠水流的水力计算中，糙率系数是一个非常重要且敏感的参数。明渠糙率系数不仅表征壁面粗糙程度，还受流量、水深等水力要素及其他水流特性的影响，是一个综合水力摩阻系数[23-25]。对于均匀流，何建京[26]的试验研究表明，在一定底坡下，糙率系数随水深、流量以及断面平均流速的增加而减小，而对于不同的底坡，糙率系数与水深的关系是不同的。Nirjharini[27]对复式断面糙率进行了试验研究，研究表明水流漫滩后，滩地的糙率随着水深的增大而增大，综合糙率随着滩槽糙率比值的增大而增大。

河道型水库中水流为M1型水面线明渠非均匀缓流，其水深沿程变化，水力特性不同于均匀流的水力特性，糙率的变化规律也有所不同。Simons等[28]和Hey[29]研究了大尺度粗糙明渠的阻力特性，比较了大尺度粗糙壁面和光滑壁面阻力系数的不同计算方法，发现:在相同底坡、相同流量条件下，大尺度颗粒层在空隙间可流水工况与空隙被细小沙子填满情况下具有完全不同的流动特性。前者水深是后者水深的2倍，相应地，前者的断面平均流速是后者的断面平均流速的一半，两者的糙率系数相差近一倍。这一现象表明水流流动型态对曼宁糙率系数也有较大影响。Depue等[30]通过水槽试验，研究了回水曲线对曼宁糙率系数的影响，试验结果显示，在发生M1型水面线的非均匀流时，糙率系数的相对变化量达到23%。何建京等[31]通过对M1型水面线中非均匀流糙率系数的研究，得出非均匀流糙率系数随水深、水力坡度的增大而增大的规律，拟合得到了相对糙率系数与相对水深及相对水力坡度之间的经验关系，提出了2步计算糙率的方法。张小峰等[32]采用数值模拟的方法对光滑壁面明渠非均匀流糙率进行了研究，发现壅水情况下，非均匀流能量损失沿程减小，但糙率系数却是沿程增大的；然后根据数值计算结果，拟合得到了较为实用的壅水情况下明渠非均匀流糙率的计算式，并通过算例表明，采用非均匀流糙率进行水库回水水面线计算是必要的。纪诗闻[33]采用数值模拟的方法，利用FLUENT中提供的三维标准湍流k-ε模型，研究了弗劳德数、渠底坡度、宽深比等水力要素对明渠均匀流糙率系数的影响，以及非均匀流糙率系数随相对水深的变化规律，发现:明渠非均匀流糙率系数受沿程断面水深的影响，雍水时糙率系数会随沿程断面水深的增加而增大，相对糙率系数与相对水深之间呈幂函数相关。

2.5 河道型水库近坝区水流特性

河道型水库坝前水位和出库流量是水库实时调度中非常重要的决策指标。在洪水演进模拟中，坝前区域断面常被作为内边界或直接被作为下边界条件使用，因此，河道型水库近坝区水流特性在洪水演进研究中应该受到重点关注。

近坝区水流受复杂地形边界、大坝雍水和水库调度运行影响，水流结构复杂多变，三维流特征显著[34]。多年来开展的模型试验和数值模拟研究成果对河道型水库近坝区的水流特性有了一定的了解，得到了一些有价值的认识，主要内容可概括如下：①水流进入库区宽阔水域后，受大坝孔口泄流牵引形成一定范围的主流区[35]，在邻近坝前段，主流区逐渐从四周向孔口区域收缩，由明渠流过渡为孔口出流，该河段被称为冲刷漏斗区[36]；在孔口顶至自由水面存在一定范围的横轴环流结构，冲刷漏斗区的近底水流受底坡坡降引起的流场分离影响，可能存在一定范围的底涡[37-38]。②主流区以外的范围受复杂地形边界和大坝雍水影响形成较大范围的滞流区和回流区[34]。③主流区与邻近范围的各种环流结构之间存在流速梯度相对较大的剪切掺混层，不停地进行着水体质量、动量和能量的交换。④水流运动受大坝机组闸门启闭影响，呈现显著的非恒定性[39]。

3 存在的问题及展望

3.1 水库调度对近坝区水流结构和断面过流能力的影响

一般水库坝前区域水深较大，从数值量级上看，较小的水位变幅往往对应着较大的流量变幅，分析坝前水位流量关系会发现：同一水位值往往对应多个流量值，反之亦然，这种复杂动态变化的水位流量关系反映了人工调控对库区洪水传播造成的影响。在明渠缓流数值模型中，下边界条件起着控制断面的重要作用。在水库实时调度过程中，由于要考虑下游防洪控制点对出库流量的约束，有时必须按指定出库流量过程进行控制，这时上下边界条件均为流量过程，在这种工况下，虽然模型预测水位与实测水位过程相位较接近，但是随着预测时段的延长，模拟坝前水位与实测坝前水位偏差一直较大[18，21,40]。当前河道型水库调度方案的制定多借助水文水动力耦合的洪水演进模型计算，坝前区域断面被作为内边界或直接被作为下边界条件使用，这种模型概化方式忽略了坝前区域水流从明渠流向孔口出流过渡的特性，把出库流量作为下边界流量来推算坝前水位，可能会引起系统性误差，进而导致坝前水位预测的错判。

近年来，围绕河道型水库近坝区泥沙淤积问题、水温分层问题和水质问题开展了很多研究，但是不同水位与出库流量条件下，河道型水库近坝区水流结构和横断面过流能力变化规律尚有待深入研究。

随着现代测流技术的发展，采用声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)的测流技术已经在长江口[41]、水库雍水区[42-43]、大型深水库[44]等复杂的天然水域得到成功应用。搭载ADCP测流速、多波束测水下地形等多种测量设备的智能控制测量无人船也已研发成功，并可在大型船只无法到达的水域或危险水域开展测量工作[45],该设备为开展汛期水库近坝区主流区水流测速提供了必要的技术支撑。随着计算机技术和三维紊流数值模拟软件技术的发展，一些专家学者已开始采用三维紊流数值模型研究天然河道水动力学问题，并用于解决一些实际工程问题[38,41,46-47]。

水库运行调度受调度规程、调度目标和来水条件的约束，在一定来水条件下，为达到特定的调度目标制定出库流量过程，按照调度规程和机组闸门工况拟定机组和闸门开启个数和时长。对于一个运行多年的水库来说，积累了大量的历史运行调度数据资料，从中可以总结出特定来水条件和调度目标下的典型水库调度模式，研究这些典型水库调度模式下水库近坝区水流特性，总结断面过流能力变化规律，有助于提高洪水演进模型模拟预测精度。

3.2 库区糙率率定问题

河道型水库回水区水流属于雍水下的非均匀缓流，糙率系数与天然河道的糙率系数不同，雍水下的非均匀流能量损失沿程减小，但糙率系数却是沿程增大的，如何确定断面各分区局部阻力系数随水深变化规律是将来要解决的另一个关键问题。

目前，河道糙率一般采用实测水文资料进行推算。随着空间信息技术的发展，遥感在内陆地表水监测中开始日益发挥其重要的作用，所获取的不同时间和空间分辨率的可用数据日趋丰富，数据精度也有望得到较大幅度的提升[48]。通过遥感获取的数据为空间信息密集的面域数据，它可有效地验证水流在空间上的分布特征，可以用于糙率参数的率定[49-50]。利用无人机群可得到较短时间间隔的近坝区高分辨率(厘米级)的正射遥感影像，提取影像水面范围可用于模型糙率参数率定，这将为库区河道糙率推算提供一种新的数据源。