天生桥一级水电站河道滞时研究

2021-07-29林广洪

水电站机电技术 2021年7期

关键词：出库水电站河道

林广洪

（天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州兴义 562400）

1 概述

天生桥一级水电站是红水河梯级电站的第一级，水库总库容102.6亿m3，坝址以上流域面积50 139 km3，多年平均流量612 m3/s，年径流量193亿m3，为不完全多年调节水库，电站装机容量1 200 MW（4×300 MW）。

云鹏水电站位于云南省境内的南盘江干流中、下游河段上，电站坝址控制流域面积28 082 km2，装机容量21万kW，设计多年平均发电量8.48亿kW·h，正常蓄水位以下库容3.74亿m3。

当前，天生桥一级水电站入库流量预报以云鹏水电站、鲁布革水电站、马岭水文站、猫街水文站4个断面出库流量为主要预报参考依据，其中云鹏水库集水面积28 082 km2，占天生桥一级水电站坝址集水面积的55.9%，多年平均流量为天生桥一级水电站的35.6%，对天生桥一级水电站入库流量预报影响巨大。由于水流存在滞时影响，云鹏水电站出库流量并不能直接作为天生桥一级水电站对应时段的入库流量，为进一步提高天生桥一级水电站的入库流量预报精度，需要对云鹏水电站出库流量传播至天生桥一级水电站时间进行研究分析，得到较为精确的云鹏水电站至天生桥一级水电站河道传播时间。

2 研究方法

2.1 研究思路

早期对天生桥一级水电站上游断面（电站）流量传播时间进行的研究仅停留在水文站相应洪峰流量出现计时上，且多年过去，水库已蓄水，河道自然特性已发生改变、植被已发生变化等。为了得到较为精确的流量传播时间，故需要利用科学的方法进行计算。

考虑到上游断面的流量过程为非恒定流流量过程，为保证河道传播时间成果的计算精度，本文拟基于地形资料、积累的天生桥一级水电站及云鹏水电站运行资料、河道断面特性等基础资料，采用一维非恒定流计算模型，计算上游断面（云鹏水电站坝址断面）流量过程演进至天生桥一级水电站坝址的流量过程，统计传播时间，对天生桥一级水电站不同库水位、不同上游断面流量情况下演进至天生桥一级水电站坝址的传播时间进行计算，为天生桥一级水电站入库洪水预报工作提供依据。

2.2 模型方法

本次一维非恒定流计算采用HEC-RAS软件计算。一维洪水基本方程组可用圣维南方程组描述如下：

式中x为流程(m)；Q为流量(m3/s)；Z为水位(m)；g为重力加速度；B为河宽(m)；t为时间(s)；ql为侧向单位长度注入流量m2/s；A为过水断面面积(m2)；R为断面水力半径；β为动能修正系数；n为糙率系数。

上述方程采用Preissmann四点偏心法进行差分离散。其特点是围绕矩形网格中的一点来取偏导数并进行差商逼近。其网格的距离步长Δs可以是不等距的，而时间步长一般是等间距的。方程离散如下：

连续方程：

运动方程：

3 云鹏水电站至天生桥一级水电站河道滞时分析

3.1 基础资料

本次研究将云鹏水电站坝址处作为上断面，天生桥一级坝址处作为下断面，选取2009年3月2日10:00～2019年12月31日23：00云鹏水电站逐小时出库流量资料、2000年12月1日00:00～2019年12月31日23:00天生桥一级水电站逐小时水位、南盘江干流云鹏水电站出库至天生桥坝址河段的纵横剖面资料以及云鹏水电站不同洪峰量级下的出库流量过程等作为本次计算的基本资料[1]。

3.2 计算条件

（1）初始条件

非恒定流计算时须给出初始时刻（t=0）各断面的水位或流量值。该模型在计算非恒定流过程前，先假设恒定流计算得到的各断面水位作为非恒定流计算的初始条件。具体操作上，本次挑选了上游断面第一个时段的流量，相应单一河道下游断面的流量直接采用其值，河段交汇点下游断面流量值采用相邻上游断面的流量叠加值，在此基础上进行恒定流推水面线计算，从而计算各个断面的水位，作为初始条件[2]。

（2）边界条件

上边界条件：采用云鹏水电站不同洪峰量级下的出库流量过程为模型的上边界。

下边界条件：各上游断面流量过程河道演进计算的下边界条件均采用天生桥一级水电站水库的水位过程，分别为恒定的780 m、765 m、750 m及735 m水位过程。

计算参数：非恒定流模型计算的参数主要为断面糙率，本次断面糙率取值0.06～0.08；河道演进距离为163 km，平均坡度为1.1%。

3.3 计算成果

依据前文基础资料、计算条件和计算方法，本文利用HEC-RAS软件分析计算了上游云鹏断面出库流量过程的河道传播时间，计算成果见下图1（本文仅展示下边界条件为天生桥一级水电站库水位765 m时的结果）

图1 天生桥一级水电站库水位765 m，云鹏水电站300 m3/s洪峰量级下流量过程河道演进成果（上图云鹏出库断面、下图天生桥坝址断面）

根据以上河道演进计算成果，可统计出各上游控制断面在不同天生桥一级水库库水位条件下的河道传播时间。不同天生桥一级水库库水位条件下，上游控制断面各流量峰值演进至天生桥一级水库坝址的河道传播时间成果见表1所示。

表1 云鹏出库流量河道传播时间计算成果

从表1可看出，在天生桥一级水库库水位不变情况下，随着云鹏水电站出库流量洪峰增加，河道传播时间缩短；在云鹏水电站出库流量洪峰不变情况下，随着天生桥一级水库库水位抬高，河道传播时间缩短。

在天生桥一级水库库水位780 m条件下，云鹏水电站出库流量各流量峰值的河道传播时间为4～6 h；在天生桥一级水库库水位765 m条件下，云鹏水电站出库流量各流量峰值的河道传播时间为5～7 h；在天生桥一级水库库水位750 m条件下，云鹏水电站出库流量各流量峰值的河道传播时间为7～12 h；在天生桥一级水库库水位735 m条件下，云鹏水电站出库流量各流量峰值的河道传播时间为8～14 h。

4 成果合理性分析

本文采用经验公式方法进行成果合理性分析。由水动力学可知，在水库蓄水情况下，当河道变成水库后，洪水波由运动波转化为扩散波，波速明显加大。库区水流波速w计算的经验公式如5所示：

式中：h为水库平均水深，m；g为重力加速度，m/s2；v为断面平均流速，一般设为 0，m/s。

另从南盘江干流小龙潭水文站至江边街水文站、三江口水文站至巴结水文站洪水传播时间和传播距离分析，天然河道情况下，流量在300～2 200 m3/s之间，河道平均流速在1.8～3.5 m/s之间。

绘制天生桥一级水电站不同库水位下的云鹏水电站出库断面至天生桥一级水库坝址的河道纵剖面图（库水位765 m时河道剖面图如图2所示），可量算出库区河段长度和天然河段长度。根据本河段水文站实测流速，并结合天然河段曼宁公式计算流速，可估计天然河段流速为1.8～3.5 m/s。在此基础上，采用式（5）计算库区传播时间，叠加天然河道传播时间后，即得总的河道传播时间。根据前文表1中的结果，通过经验方法计算，在天生桥一级水库库水位780 m、765 m、750 m及735 m条件下，云鹏水电站出库流量平均传播时间分别为4.0～7.1 h、4.6～8.3 h、6.5～12.5 h及 7.0～13.6 h，成果与本次计算是基本符合的，可判断本次计算成果是合理可靠的[3]。