渠珠水利枢纽工程建设水文情势变化分析

2020-05-09胡昊，茹彪

广西水利水电 2020年2期

胡昊，茹彪

（水利部珠江水利委员会水文局，广州 510610）

水利水电工程的建设会改变河道的天然状态，对河道的水文情势造成影响。水文情势的变化，将会对河道流态、流速、水温、水质、泥沙淤积、局地环境、气候、土地资源、水生生物、陆生生物、供水、灌溉等造成一系列的影响，这些影响有可能是有利的，也可能是不利的[1]。因此，水文情势的变化分析在水利水电工程环境影响评价中有着十分重要的意义。本文以渠珠水利枢纽为例，模拟分析了工程建设对坝址上下游水文情势的影响。

1 渠珠水利枢纽概况

崇左市渠珠水利枢纽工程项目是将现状位于崇左市城区上游的崇左先锋水利枢纽工程下移至城区下游重新规划建设，是经修编后的左江干流综合利用规划五个梯级中的第四个梯级，尚处于规划阶段。设计坝址位于崇左市区江州区太平街道长期村左江长期渡口附近河段，上游距离崇左市左江二桥27.4 km，距原先锋水电站47.2 km，距左江水利枢纽51.9 km，下游距扶绥县山秀水利枢纽83.0 km。坝址以上流域面积为27 065 km2，多年平均流量545 m3/s，多年平均径流量172亿m3。水库正常蓄水位97 m，相应库容1.94亿m3，水库总库容4.02亿m3；电站总装机容量72 MW，多年平均发电量2.50亿kW·h。船闸级别为Ⅲ级，设计最大船舶为2000 t级。渠珠水利枢纽功能定位以航运、改善崇左市城市环境和水环境、解决山秀水电站至左江电站河段航运衔接问题为主，是结合发电、兼顾旅游于一体的综合性水利工程，工程建设对崇左市的城市发展意义重大。

2 一维水面线模拟

2.1 MIKE11模型[2]

MIKE11模型是由丹麦水力研究所DHI开发的河网一维数学模型，广泛应用于河口区河网水动力-水质耦合模型的研究领域。MIKE11模型具有算法可靠、计算稳定、前后处理方便、水工建筑物调节功能强大等优点。

2.2 河网概化

为了满足计算机硬件及运算时间的要求，节省工作量，提高计算效率，有必要对河网中规模较小的河道进行概化处理。河网概化的基本原则是突出河网主干河道，保留需要重点研究的河道支流。河网概化要反映天然河网的基本水动力特性，且概化后的河网在河道输水能力和调蓄能力上必须与实际河网尽量保持基本一致。

在收集河网水文资料的基础上，河道断面采用2017年10月的实测数据。左江从左江水电站至山秀水电站，总长约134.44 km，共94个水位计算点和94个流量计算点。研究区河系概化见图1。

图1 左江河道一维水系概化示意图

2.3 糙率率定

水动力模型的参数率定主要考虑的是河道糙率n。糙率n是衡量河床边壁粗糙程度对水流运动影响并进行相应水文分析的一个重要系数，其取值是河道一维数值模拟的关键，糙率n取值准确与否直接影响着水动力模型的计算精度。天然河道的糙率的确定很复杂，实际中与很多影响因素有关，如河床砂、砾石粒径的大小和组成，河道断面形状的不规则性，河道的弯曲程度，沙地上的草木，河槽的冲积以及河道中设置的人工建筑物等。考虑模型计算稳定性与计算时间的要求，时间步长设定为30 s，河道断面平均间距为1315 m。率定时间从2015年7月12日0时～10月28日0时，共计109 d。先假定一个糙率值计算水位，然后通过不断调整河道各段糙率值，使监测点的水位计算值与实测值差值逐渐缩小，水位过程线充分吻合。

2.4 水面线过程模拟分析

在工程建设前，按上游左江水利枢纽与下游的山秀水电站的调节方式，模拟计算不同流量条件下的沿程水面线。工程建设后的水面线模拟按渠珠水利枢纽规划的调度方式进行控制，上游边界（先锋水电站）给几个典型的入流流量，从200～5000 m3/s变化，下游边界（山秀水电站）按工程前对应的上游流量条件下的坝前水位给值。工程建设前后模拟结果见图2。

由模拟结果可知，在工程建设前，沿程水面线的坡度分布不均匀，这主要跟沿程的水下地形变化剧烈有关。最大水面坡度主要集中在0～28 500 m里程段，随着下泄流量的增加，水面坡度也不断增大。28 500～70 000 m里程的河道，水面坡度相对减缓，随着下泄流量的增加，水面坡度也会缓慢增加。而大于70 000 m里程的河道水面坡降又有所增加。

工程建设后，低流量条件下，渠珠水利枢纽的坝上坝下水位落差较大，水头在9.6 m左右，坝上游及坝下游的水面线相对平缓；而高流量时，由于开闸放水，坝址上下的水头降低，坝址上游及下游河段的水面坡降增大，水面线陡峭。渠珠水利枢纽的建设，将极大地改变山秀水电站至左江水利枢纽之间的水面线过程，渠珠水利枢纽坝址及坝址上游水位、水深、河宽增加，将对河道通航以及崇左市的水生态、水景观产生较好的改善作用。

图2 渠珠水利枢纽建设前后不同流量条件的水面线过程图

3 工程河道二维模型模拟

3.1 MIKE21模型[3]

MIKE21是丹麦水力研究所（简称DHI）开发的系列水动力学软件之一，属于平面二维自由表面流模型。DHI采用MIKE21作为研究手段，不断在应用中发展和改进该软件。20多年来，MIKE21在世界范围内大量应用经验的基础上持续发展，在平面二维自由表面数值模拟方面具有强大的功能。

3.2 二维模型的建立

根据2017年10月测量的1∶2000的渠珠水利枢纽设计坝址附近河道水下地形，基于MIKE21建立了工程河道的二维水动力模型。水下地形的测量范围大致在拟建设的渠珠水利枢纽的上、下游各5.2 km。模型采用非结构网格，可以对复杂的岸线及水利工程形态有较好地拟合。

根据一维模型计算的成果，可以给二维模型提供边界条件。二维模型可以反映工程河道水动力的平面分布，模拟区域为一山区弯曲河道，模拟时考虑河道次生环流，以反映弯道环流效应。

3.3 水利工程建设对河道流速的影响

以来水1000 m3/s流量的情况为例，工程建设前后河道流场模拟情况见图3。可以看出，与工程建设前的流态比较，工程对局部河段的流场改变较大。工程建设前工程位置局部河槽流速为0.6 m/s左右，且流速分布较为均匀。工程建设后在坝址上游库区，平均流速较小，在0.15 m/s以下，可能会产生泥沙淤积问题，水库运行时应注意库区合理排沙；坝址处由于跌水效应，流速存在明显的突变，且坝址位置及下游一段距离内流速横向分布不均匀，可能对水生生物造成一定的影响。