金沙江下游梯级电站区间径流特性

2021-11-16王方方唐绪锋王二朋

水电与新能源 2021年10期

王方方，李鹏，唐绪锋，许浩，王二朋

(1. 三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北宜昌 443133；2. 中国电建昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650000)

金沙江下游有四个梯级电站，从上游往下游依次为乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝电站，呈串联形式。其中溪洛渡和向家坝电站已在2014年陆续投产，乌东德和白鹤滩电站分别在2020年和2021年投产。

梯级各电站之间距离相近，均约200 km，流域水系组成复杂，支流众多，水系结构拓扑图见图1。根据金沙江下游梯级电站的拓扑关系分成四个区间，即三-乌区间(三堆子-乌东德)、乌-白区间(乌东德-白鹤滩)、白-溪区间(白鹤滩-溪洛渡)、溪-向区间(溪洛渡-向家坝)。鉴于电站均分布于金沙江干流且两站之间距离较短，区间流域面积接近，因此，乌东德和白鹤滩成库后，拟参考溪洛渡-向家坝梯级电站的预报策略来实施预报。

图1 金沙江下游水系结构拓扑图

参考传统预报方法[1-2]和梯级电站区间径流分析模式[3-4]，枯水期，上站出库直接作为下站入库，对于三堆子水文站至白鹤滩流域范围，考虑三堆子站作为乌东德入库站，乌东德下泄作为白鹤滩预报入库，白鹤滩下泄作为溪洛渡预报入库。然而，溪洛渡和向家坝区间较大支流只有1条且区间流域面积在四个梯级之间最小，而上游梯级区间较大支流有3～4条且区间流域面积较大，因此，需根据上游区间的具体情况进一步分析原预报模式的适用性，为梯级水库预报提供指导。

1 金沙江下游径流传播时间分析

1.1 建库后河道汇流变化

河道修建水库后，在水库蓄水的淹没范围内，改变了原来河道的水力要素与水文特性。如水深和水面面积大大增加，水面比降变缓，流速减慢，糙率减小；原河道两岸的部分陆地变为水面，使径流系数增大，地下水位抬升；水库淹没区的汇流规律也与天然河道不同。

根据水力学原理[5]，建库前河道水流属于扩散波，建库后水库水流属于惯性波，波速明显增大，库区水流波速计算公式为：

式中：C为波速，m/s；v为断面平均流速，m/s；h为库区平均水深，m；g为重力加速度，m/s2。

洪水传播时间计算公式为：

τ=L/3.6C

其中L为库区回水长度，km。

由上式可知，因建库后水深h值大大增加，波速增大很多，使库区洪水传播时间大大缩短。

1.2 乌东德-白鹤滩梯级成库后径流传播时间预测

1.2.1 乌东德成库前后传播时间变化分析

乌东德水电站于2020年正式投产运行，以2020年为时间节点对乌东德区间传播时间进行分析预测。

乌东德坝址布设有乌东德水文站，其上游水文控制站为三堆子站，距坝址约210 km。挑选2015-2020年10场洪水过程分析发现，乌东德建库前三堆子至乌东德坝址传播时间约12 h。

乌东德成库后，受河道水位抬升影响，库区内水文情势变化显著。三堆子水文站将处在乌东德水库变动回水区以上16 km。根据波速公式对乌东德成库后回水区内传播时间进行预测。根据长江勘测设计研究院研究成果可知，乌东德成库后各断面平均流速分布为0.3～0.5 m/s；对于参数h，统计三-乌区间深泓点高程数据，平均水深约为67 m，计算得径流传播时间为2.2 h。进一步考虑回水区范围外，即三堆子至变动回水区上游边界传播时间为1～2 h，因此，成库后三堆子至乌东德坝址洪水传播时间约3～4 h左右。

1.2.2 白鹤滩成库后传播时间变化分析

白鹤滩电站规划2021年投产，分别对2021年前后白鹤滩区间传播时间进行分析和预测。

白鹤滩坝址代表站为白鹤滩水文站，选取8场洪水过程分析发现，乌东德站至白鹤滩坝址洪水传播时间为12～16 h。白鹤滩成库后，乌东德恰处于白鹤滩变动回水区末端。两坝间水力要素的变化将同样导致洪水传播时间缩短，采用上述方法对白鹤滩成库后区间传播时间进行预测计算，传播时间为2～3 h。

综上分析可知，金沙江下游梯级成库后两坝间传播时间较为接近，乌-白区间传播时间预计为2～3 h，三-乌区间因为存在一段天然河段，传播时间略长，预计为3～4 h。

需要注意的是本次预估的传播时间未对不同流量情况做具体分析，传播时间可能会在此基础上有一定浮动，枯期的传播时间比汛期会有一定增长。

2 金沙江下游区间径流特性

本次研究旨在为乌东德、白鹤滩梯级电站投产后的预报工作作指导，因此主要分析三-溪区间流域范围内的径流特性。

区间径流组成包括有控区间和无控区间，一般布设有效控制站的流域范围为有控区间，但干支流控制站控制流域面积往往不能覆盖流域所有区域，即还存在一定无控区间。在水库来水预报过程中除了要考虑上游有控区域的报汛流量，还要考虑无控区间的产汇流影响。因此本次首先分析有控区间径流特性，在此基础上进一步分析无控区间的径流占比以及对下游的影响。

首先依据支流控制站分析支流有控区间的径流特性，支流选取长度超过100 km且布有控制水文站的主要支流，各控制站资料系列长度为20～50年，包括一个完整的丰平枯周期(对资料不足的站点采用相关分析插补延长)，进一步从两坝间总径流扣去上述有控计算成果，即得无控区间径流。在此基础上对两部分径流组成以及对下游坝址流量的影响进行比较分析。

2.1 三-乌区间

三乌区间上游以三堆子水文站为控制站，下游以乌东德水文站为控制站，通过分析两站多年月均实测流量差，即得三-乌区间总径流。进一步分别对三-乌有控区间和无控区间特性分类分析。

2.1.1 三-乌有控区间

三-乌区间分布有3条主要支流，右岸主要支流为龙川江，龙川江设有小黄瓜园水文站。在小黄瓜园站与金沙江汇合口之间有蜻蛉河汇入，布有多克站。左岸主要支流为鲹鱼河，设有可河站(见图1)。根据处理后的水文资料计算上述站点的多年月均流量，结果如图2。

图2 三-乌区间有控区间年内径流分布

通过对各站逐月平均流量进行分析发现，三-乌区间支流的径流主要集中于汛期7～9月，占全年的83%，连续最小三个月(2～4月)径流量不足5%。各支流流量差距较大，龙川江小黄瓜园站和鲹鱼河可河站流量相对较大，最大月均流量接近100 m3/s；多克站流量最小。

2.1.2 三-乌无控区间

三-乌无控区间流域面积为11 044 km2，占区间流域总面积的40%。

三-乌无控区间分析中，首先求得三堆子站和乌东德站各月多年平均流量差值(2006～2016年)，扣除有控区间计算的相应流量，即得三-乌无控区间多年月均流量。在此基础上，量化比较有控和无控区间径流量及其在下游坝址径流中所占比例(见图3)。

图3 三-乌区间径流组成及在下游坝址占比

由图3可知，三-乌区间总径流表现为汛期较集中的形式。7～9月区间流量最大，在年度占比70%～80%，月均流量范围为250～300 m3/s，在下游坝址流量中占比4%左右。在对下游影响的年度分配中，发现区间径流在枯水期所占坝址径流比例略偏大，在消落期和汛期偏小，分析原因为消落期乌东德坝址流量受上游水库消落影响相比天然流量有所增加，而区间流量几乎为天然流量，因此区间流量所占比例偏小；汛期由于坝址流量大幅增加，主汛期集中于7～9月，区间流量与坝址流量差距更大，因此汛期比例偏小。

在区间径流组成中，由于无控区间流域面积相比有控区间控制流域面积较小，因此有控区间流量较大，两者年径流比例约为3∶2，有控区间在区间总径流中占比60%左右。

2.2 乌-白区间

乌-白区间上游以乌东德水文站为控制站，下游以六城站为控制站，通过上下控制站流量之差得出乌-白区间流量，进一步分析区间流量组成。

2.2.1 乌-白有控区间

乌-白区间支流从上游至下游依次为普渡河、小江和黑水河，分别设有尼格站、小江站和宁南站(见图1)。各支流多年月均流量如图4。

图4 乌-白区间支流年内径流分布

通过对乌-白区间各站逐月月均流量分析发现，乌-白区间支流流量较三-乌区间较大。控制站最大流量发生在7月和9月，接近400 m3/s，全年平均流量约200 m3/s。三条支流中普渡河尼格站流量最大，汛期接近200 m3/s，年均流量约90 m3/s；其次为宁南站，汛期接近150 m3/s，年均流量约70 m3/s；小江站流量最小。

2.2.2 乌-白无控区间

乌东德至白鹤滩区间，考虑干流上下控制站控制流域面积差，以及支流控制站控制流域面积，无控区间面积为10 615 km2。

根据六城站和乌东德站多年平均流量差，即得乌-白区间总径流，进一步结合上述有控区间流量计算成果，计算乌-白无控区间流量。以此量化分析两者在下游坝址径流中所占比例(见图5)。

图5 乌-白区间径流组成及在坝址中占比

由图5可知，整体来看，相对于三-乌区间，乌-白区间总流量在下游坝址流量组成中占比较大。丰水期流量值和占比均较为突出，占比约6%，在主汛期7～9月月均流量为450 m3/s；枯期则相对较少，1～5月月均仅150 m3/s。纵观全年区间流量在乌东德坝址中占比，发现汛期和消落期偏少，枯水期偏大，分析原因同三-乌区间，主要由于上游水库消落以及汛期流量剧增的缘故。

在区间流量组成中，无控区间呈现出较有控区间流量偏小且时间分配更均匀的特征。

2.3 白-溪区间

白溪区间上游以六城站为控制站，下游以溪洛渡水文站为控制站，通过分析两干流控制站多年月均流量差，推求白溪区间总径流，进一步分析区间径流组成。

2.3.1 白-溪有控区间

白溪区间支流从上游至下游依次为西溪河，牛栏江和美姑河。右岸牛栏江出口控制站为大沙店水文站。左岸西溪河控制站为昭觉站，美姑河靠近溪洛渡坝址，控制站为美姑站(见图1)。根据收集处理的水文资料计算得多年月平均流量，如图6所示。

图6 白—溪区间支流年内径流分布

分析白-溪区间各站月均流量发现，白-溪有控区间主汛期月均总流量约340 m3/s。各支流流量差距较大，牛栏江大沙店流量位于金沙江下游梯级间各支流之首，主汛期月均流量在200 m3/s以上，其次为美姑河，西溪河月均流量最小。

2.3.2 白-溪无控区间

考虑干流六城站和溪洛渡水文站的流域控制面积差，支流昭觉站、美姑站以及大沙店站共16 773 km2的流域控制面积，无控区间面积7 292 km2。

结合干流站径流情况和有控区间径流计算成果来计算白-溪无控区间月均径流，并量化分析径流组成以及对下游坝址径流的影响，方法同前两个区间，结果见图7。

图7 白-溪区间径流组成及在坝址中占比

由图7可知，白溪区间径流同样集中于汛期，7～9月月均流量接近800m3/s，枯期约200m3/s。在下游溪洛渡坝址径流占比中，所占比例位于金沙江下游梯级各区间之首，全年平均接近10%，汛期占比约9%。在各月比例分布中，同样受上游水库调蓄以及汛期集中降水影响，表现出消落期和汛期占比较小的特征。

在区间流量组成中，有控和无控比例约5∶4，两者相差不大。

2.4 区间综合比较结果

通过对各区间径流特性进行比较发现，白-溪区间径流量最大，其次为乌-白区间，三-乌区间最小。白-溪区间流量在下游坝址中占比接近10%，汛期流量约800 m3/s，非汛期200 m3/s左右；乌-白区间流量在下游坝址中占比接近7%，汛期流量约450 m3/s，非汛期150 m3/s左右；三-乌区间流量较小，在下游坝址中占比约4%，汛期流量约300 m3/s，非汛期60 m3/s左右。

在区间径流组成中，各区间无控区间流域面积相比有控区域较小，无控区间在下游径流中占比较有控区间较小，约占区间总径流的30%～50%。各个区间的月均宏观分析可为后期枯期预报提供指导，为汛期预报提供一定参考。

需要注意的是，月均流量仅反映月内整体水平，汛期区间暴雨频繁，洪水多峰高量大，对下游的影响主要体现在洪水过程中。因此，在汛期场次洪水预报中尚需根据洪水暴雨特性进一步详细分析。

3 结论和展望

3.1 结论

本次研究通过对金沙江下游梯级区间径流特性进行分析，为后期梯级水库预报工作提供宏观参考。

在洪水传播时间分析中，以库区波速计算公式为依据分析计算乌东德和白鹤滩成库后径流传播时间的变化。研究结果表明，乌-白区间传播时间为2～3 h；三-乌区间由于区间长度大于水库回水区，传播时间分布在3～4 h。实际运行中传播时间可能会随流量大小以及水库运行时期有一定浮动。

在径流分析中，对有控区间和无控区间进行划分，并分别分析了两个组成部分在下游坝址径流中的占比。结果显示，金下梯级区间径流在下游坝址中占比为4%～10%；汛期较集中，占比达年度的80%左右。在金-下区间中，白溪区间径流量最大，在下游坝址来水中占比也最大，其次为乌-白区间，三-乌区间次之。在区间径流组成中，无控区间占比小于有控区间，占区间总径流的30%～50%。

金沙江下游枯期来水较为稳定，区间月均径流分析可为梯级水库枯期预报提供指导，为汛期中长期预报提供参考，但在支流发生强降水时，尚需结合洪水过程对其进行详细过程分析，对下游水库来水预报提供更详尽的支持。