白鹤滩蓄水期向家坝控泄对下游航道影响分析*

2022-04-18毕明亮唐玉川陈忠贤孙志峰

水运工程 2022年4期

毕明亮，潘增，邢龙，唐玉川，陈忠贤，孙志峰

(中国长江三峡集团有限公司，湖北武汉430010)

白鹤滩水电站开发任务是以发电为主，兼顾防洪、航运，并促进地方经济社会发展[1]的巨型水电工程。根据白鹤滩水电站发电计划安排，电站于2021年4月初下闸蓄水，5月底蓄至760 m，对应蓄水量77.35亿m3，7月1日实现首批机组投产发电，经对电站坝址历史同期入库径流分析测算，仅靠拦蓄坝址天然入库径流无法满足电站蓄水要求。根据白鹤滩水电站批复蓄水计划[2]，白鹤滩蓄水须考虑上游雅砻江梯级及乌东德水库，下游溪洛渡、向家坝水库配合运用，且最小下泄流量不低于下游河段最小生态承载基流。溪洛渡水库库尾上接白鹤滩水电站，《金沙江白鹤滩水电站水库蓄水论证专题报告》[3]指出，当溪洛渡水库库水位高于580 m时，库尾尾水可衔接至白鹤滩坝址；《白鹤滩水电站环境影响报告书》批复意见[4]要求，溪洛渡梯级水库衔接时，白鹤滩最小下泄流量为1 160 m3/s，不衔接时最小下泄流量为640 m3/s。向家坝水库作为溪洛渡水电站反调节水库，3—5月期间基本维持出入库平衡状态；为最大限度配合白鹤滩蓄水，2021年3—5月，在满足向家坝水电站下游过机船舶正常航行情况下，溪洛渡、向家坝水电站须逐步减少下泄流量，以实现尽可能延长溪洛渡580 m以上衔接库水位时间的目的。

本文在结合前期有关研究成果的基础上，利用最新地形数据，建立了向家坝—泸州河段一维非恒定流数学模型，模拟计算向家坝水电站下游最低通航水位对应最小下泄流量，并根据向家坝水电站实际日调节出库流量运行特点，制定对应日调节出库流量方案，初步分析白鹤滩蓄水期间向家坝水电站控泄对下游航道的影响，可为白鹤滩蓄水期或向家坝水电站特枯年份的出库调度提供参考。

1 向家坝下游航道及水流条件概况

1.1 航道概况

水富—宜宾是长江航道的上游延伸段，为Ⅴ级航道并按IV级标准维护，规划航道等级为Ⅲ级，匹配设计的向家坝升船机为IV级航道标准。“十一五”期间，通过对宜宾—重庆30余处碍航险滩整治处理，目前已达到Ⅲ级标准，维护尺度为2.7 m×50 m×560 m(水深×航宽×弯曲半径，下同)，保证率为98%，航道维护等级、航标配布类别均为一类[5]。叙渝航道实行分月维护尺度，分别按12—4月的2.7 m×50 m×560 m、5和11月的3.2 m×60 m×600 m、6和10月的3.5 m×60 m×600 m、7—9月的3.7 m×80 m×700 m执行[6]。2017年起，叙渝航道维护尺度进一步提升，最低航道水深由2.7 m提升至2.9 m，为全力配合白鹤滩蓄水，白鹤滩蓄水期间，交通运输部长江航务管理局临时调整叙渝航道最低通航水位至2.7 m，对应宜宾合江门水位257.27 m。

1.2 河道非恒定流特征

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级，下游约3.5和31.5 km处有横江和岷江两条支流汇入。文献[7-10]的研究结果表明，电站日调节产生的非恒定流使下游河道水位变幅、流速、流态等较天然条件均变化巨大，且叙泸段水流条件受向家坝水电站日调节、岷江来水共同影响，波幅、波形与向家坝水电站下泄调节过程符合度更高，并随着传播距离增加而衰减，至合江波形基本完全坦化；电站满发运行时调峰、切机等会引起下游河道水位剧烈变化，并呈以下规律：切机台数越多，下游水位变幅越剧烈，需补水量越大，时间越短，当切机台数超过2台时，水位变幅将超过航运允许水位最大时变幅。

2 向家坝下游非恒定流数学模型构建

《金沙江向家坝水电站水库运用和电站运行调度规程(试行)》[11]规定，向家坝水电站下游最低通航水位为265.8 m，相应流量为1 200 m3/s。实际上，电站下游水位受横江、岷江顶托，河道冲刷下切等因素影响，最低通航水位相应流量呈持续上升趋势，吴垠等[12]采用长系列法，结合2009—2012年整编资料分析岷江、横江来水对向家坝下游水位顶托影响，得出岷江、横江来水与下游河道水位顶托呈正相关关系，来水越大，顶托量越大，反之越小；刘勇等[13]采用保证频率法、反推流量法、天然入汇分配法等分析向家坝电站最小下泄流量为1 296 m3/s；潘增等[14]采用一维非恒流模型定量分析向家坝水电站相同出库流量条件下，得出2015—2017年期间河床下切使向家坝专用水文站汛期、枯期平均水位分别下降了0.25、0.15 m。

鉴于向家坝水电站下游最低通航水位对应最小下泄流量受岷江、横江来水和地形冲刷影响，且呈持续发展变化趋势。本文以最新地形测量数据，向家坝—宜宾江段采用2020年1:2 000实测地形数据，宜宾—泸州江段采用2019年实测固定断面数据建立向家坝—泸州一维非恒定流数学模型。

2.1 控制方程

山区一维非恒流运动过程遵循圣维南方程组原理，具体可表述为求解圣维南方程组连续性方程和动量方程，形式如下[15-18]：

(1)

式中：A为过流断面面积(m2)；t为时间(s)；Q为流量(m3/s)；x为水流方向的水平距离(m)；q为单位河长侧向入流流量(m3/s)；α为动量校正系数；h为水位(m)；C为谢才系数(m0.5/s)；R为水力半径(m)。

2.2 计算范围与边界条件

王立杰等[19]的研究结果表明，向家坝水电站日调节非恒定流最远影响至合江段，结合电站下游沿程站点分布和实测地形数据情况，本次计算河段范围为向家坝坝址—泸州水位站，计算河段全场约165 km。坝址—宜宾河段以2020年1:2 000实测地形数据为基础，以200 m间隔剖取典型代表断面；宜宾—泸州河段采用2019年实测河道断面数据，断面间距根据沿程河床走势间隔500～2 700 m不等，模型断面总计302个，河道断面地形资料良好，能较好反映河道沿程变化情况。计算断面分布情况如图1所示。

图1 向家坝—泸州一维非恒定流断面布设

由图1可看出，模型上边界为向家坝坝址处，并以日调节出库流量过程为控制条件，下边界为泸州水位站处，并以水位流量关系为控制条件；模型考虑岷江、横江、沱江河口处侧向流量汇入，并以入汇流量过程作为控制条件。

2.3 模型率定与验证

模型参数准确性是模型能否真实反映非恒定流演进过程的关键，向家坝水电站配合白鹤滩蓄水调节时段为3—5月，处于枯水期。本文旨在探索向家坝水电站在此期间减少下泄流量对下游河道航运影响。向家坝调节出库流量影响范围主要集中在水富—宜宾江段，对宜宾—泸州江段影响较小。因此，选取同期2020年最枯时段2—3月，2021年最枯时段2月长系列实测水位、流量数据进行参数率定，并以沿程向家坝、三块石、普安、大雪滩、宜宾、沙坪、李庄等站点实测数据进行参数率定。

根据向家坝—泸州区间各验证站点位置关系分段设置河床糙率，并按率定、验证期各站点实际水位过程分别赋予高、中、低水位3个区间糙率，经率定计算河段低、中、高水位糙率值分别介于0.043～0.069、0.037～0.062、0.036～0.060，河床糙率总体呈低水位高于中水位、中水位高于高水位趋势。向家坝站和普安站率定期和验证期水位对比见图2、3。可以看出，在率定期2020年2—4月，向家坝站和普安站实测水位与模拟值对比良好，向家坝站在率定期模拟最大误差为0.334 m，普安站在率定期模拟最大误差为0.296 m；验证期的时间选择为2021年2—3月，向家坝站在验证期模拟最大误差为0.391 m，普安站在率定期模拟最大误差为0.424 m。

图2 率定期模拟结果

图3 验证期模拟结果

向家坝—李庄各监测站点2020、2021年枯水期最枯时段平均模拟误差见表1，结合图2、3的长系列模拟结果可知，各监测站模拟平均误差随水流演进呈增大趋势，即下游水位站点的模拟平均误差大于上游模拟站点平均误差，在宜宾站平均误差达到最大值，最大值不足0.2 m，相比于该处水深而言，误差占比较小。分析原因可能是受到河道断面地形、河道断面布设以及河网概化等原因的影响。总体而言，除极少数点水位突变情况外，其他时间以及站点水位误差基本满足要求，因此可以认为向家坝—泸州一维非恒定流数学模型模拟效果较好，满足计算精度要求。

表1 各监测站水位模拟平均误差

3 向家坝控泄非恒定流模拟与分析

3.1 工况拟定

3.1.1工况制定原则

向家坝水电站以发电为主，制定电站出库流量计划时，原则上应以发电需求为主，王永强等[20]基于此提出向家坝水电站枯水期可兼顾下游航运要求的发电运行方式。本文则是基于白鹤滩水库蓄水期各有关部门批复的有关溪洛渡、向家坝水库调度要求，即溪向水电站应在满足自身发电、通航等正常需求前提下，逐步减少下泄流量配合白鹤滩水库蓄水。《金沙江向家坝水电站水库运用和电站运行调度规程(试行)》规定，电站运行初期下游升船机最低通航水位为265.8 m，日调峰运行时下游水位最大日变幅暂按不超过4.5 m/d控制；经对向家坝水电站下游通航水流条件进一步研究论证，交通运输部办公厅关于《金沙江向家坝水电站升船机运行期(初期)航运调度方案》的复函[21]规定，正常情况下，电站下游水位最大日变幅按不超过3 m/d控制，最大小时变幅按不超过1 m/h控制，特殊情况下，电站下游最大日变幅按不超过4.5 m/d控制。本文按有关部委最新批复蓄水要求和向家坝水电站航运调度规定原则执行，优化白鹤滩蓄水期间向家坝水电站出库调度方式。

3.1.2边界条件拟定

叙渝航段航道等级为Ⅲ级，维护尺度为2.7 m×50 m×560 m，保证率为98%。横江、岷江支流入汇流量按相同98%保证率考虑，通过对向家坝水电站投产运行后的横江、岷江同期3—5月径流系列分析测算，支流横江98%保证率对应流量为70 m3/s，支流岷江98%保证率对应流量为700 m3/s。向家坝水电站下游实际航运调度运行及文献[12]的结果表明，下游航运除受电站日调节形成的非恒定流影响外，还受岷江非恒定流洪水顶托影响。因此，本文横江入汇流量按恒定70 m3/s考虑，岷江入汇流量按恒定700 m3/s和同期遭遇典型洪水两种工况考虑。

《金沙江向家坝水电站水库运用和电站运行调度规程(试行)》规定，下游升船机最低通航水位为265.8 m，相应流量为1 200 m3/s。文献[14]的结果表明，向家坝水电站最低通航水位对应最小下泄流量受河床冲刷影响，呈持续发展变化趋势；为满足下游通航需求，向家坝水电站实际运行过程中，按最小下泄流量不低于1 700 m3/s控制。本文分别按恒定1 700、1 600、1 500、1 400、1 300、1 200 m3/s逐级递减假定向家坝出库流量。

事实上，水富—宜宾江段行驶船只，除过机船舶外，存在部分翻坝转运船舶。若持续按研究确定的最小下泄流量下泄，可能导致翻坝船舶减载，对下游航运造成不利影响。本文在确定最小下泄流量后，根据电站日调峰运行规律，通过白天加大下泄按1 700 m3/s恒定下泄，夜间减少下泄按最小通航流量出流，对向家坝出库流量进行优化。数值模型恒定输入流量以及优化方案输入流量随时间变化过程线见图4，优化方案在白天时段按照1 700 m3/s恒定下泄，夜间按照最小通航流量进行下泄。支流岷江流量输入过程线见图5，即按照700 m3/s流量恒定下泄和按照同期典型遭遇过程下泄两个方案进行研究计算。

图4 向家坝水电站拟定出库流量工况

图5 岷江拟定侧向入汇流量工况

3.2 结果分析

3.2.1拟定工况下游河道非恒定流特征分析

通过对向家坝水电站各级恒定出流，支流横江70 m3/s、支流岷江700 m3/s恒定侧向入流工况模拟计算，得出向家坝、三块石、普安、大雪滩、宜宾、沙坪、李庄各站点稳定计算水位如图6所示。

由图6可看出，各监测站点水位与向家坝出库流量呈明显线性关系，即出库流量越大，水位越高；向家坝下游最低通航水位265.8 m对应流量约为1 520 m3/s；且当向家坝水电站按1 520 m3/s出库流量稳定下泄时，宜宾合江门水位约257.30 m，高于零点水位257.27 m。因此，向家坝水电站最低通航流量约为1 520 m3/s。

为减缓因电站减少下泄对翻坝转运船舶的影响。根据拟定工况，夜间按确定的最小通航流量下泄，白天按1 700 m3/s下泄，支流横江按恒定70 m3/s汇入，支流岷江按恒定700 m3/s和向家坝加大下泄时遭遇岷江典型流量过程两种工况汇入。计算得出沿程各监测站点水位变化过程如图7所示。

图7 向家坝水电站调节出库后沿程监测电站水位变化情况

由图7可看出，当向家坝水电站按白天加大下泄，夜间减少下泄方式调节出库流量时，向家坝下游最大水位变幅为0.31 m；电站调峰引起的水波波形前锋大约2 h后传播至合江门，并且整个起涨过程可持续大约16 h，期间合江门最大水位日变幅约0.3 m，对下游船舶影响较小。当电站调峰遭遇岷江典型流量过程时，合江门上下游附近水域受岷江来水作用顶托明显，最大可致使合江门接近1 m水位的日变幅，对下游船舶航行存在一定影响，船舶可根据向家坝、岷江来水情况在水富港或宜宾港靠泊。

3.2.2沿程断面最小航道宽度分析

水富—宜宾江段是长江航道的上游延伸段，属IV级航道，规划航道等级为Ⅲ级，宜宾—重庆江段属Ⅲ航道。本文按最高等级Ⅲ级进行分析，根据《长江干流通航标准》[22]对长江干线航道尺度要求，Ⅲ级航道吃水在2.4～3.0 m，对于1 000吨级升船机过机船舶，航宽不小于80 m。目前，向家坝升船机实际过机吃水按2.2 m控制，并按不低于0.3 m富余水深考虑；通过对向家坝水电站最小下泄流量工况下，沿程断面2.5 m水深宽度统计分析发现，除下游烧瓦沱码头附近水域对应的2.5 m水深航道宽度接近80 m外，其余断面水深宽度均满足过机船舶航行需要。

通过对烧瓦沱码头上下游水域水下地形研究分析发现，该区域河道属于宽浅型河道，电站白天按1 700 m3/s下泄时，对应水位约263.85 m，可较最小计算通航流量1 520 m3/s对应的水位263.6 m抬升约0.25 m，可扩宽对应2.5 m水深宽度约20 m，能适当缓解翻坝转运船舶减载压力。烧瓦沱码头附近水域最窄断面水深宽度见图8。