富春江水電站黑啟動運行下游水動力條件分析

摘 要：富春江水電站是華東電網非常重要的黑啟動電源。本文利用二維數學模型分析電站黑啟動任務時，其下游水位、流速變化特征。計算結果表明，電站黑啟動后下游河道水位和流速急劇變化，壩下左側河道內水位高于右側航道內水位，且河道最大水位變幅達0.28m/min。左側主河道最大流速為2.68m/s，右側航道最大流速為0.74m/s。因此，需要采取工程措施和航運管理措施保證電站事故備用和黑啟動的能力及通航安全。

關鍵詞：富春江；水電站；黑啟動；航道；數學模型

1 富春江電站概況

富春江水電站位于浙江省桐廬富春江上，見圖1，壩址控制流域面積31485km2[1]，富春江水電站開發任務以發電為主、兼有航運、灌溉、水產養殖、城市供水、旅游等綜合效益，是華東電網的骨干水電站之一，工程擔負華東電網的調峰、調頻、事故備用等重要任務，對華東電網的安全穩定起著重要作用。富春江水電站目前裝機容量357.2MW，共6臺機組，滿發流量約3000m3/s，電站從開機到滿發需要3～5分鐘，電站具備黑啟動功能，是華東電網非常重要的黑啟動電源[1]。富春江船閘位于富春江水電站及其下游，航道位于下游河道右側。富春江船閘擴建改造后，按船Ⅳ級船閘標準建設，船閘尺度能夠兼顧1000噸級船舶的過閘要求[2-4]。

當電網發生事故需要電站預出力運行時，電廠將在極短時間內帶滿負荷。電廠短時間內增荷或者卸荷運行，出力和下泄的發電流量都集中在短時段內激烈變化，將使下游河道的水位、流速等水動力條件在短時間內有較大的波動，對下游航運有一定影響。本文主要研究電站黑啟動運行時下游河道水動力條件變化情況，供電網與交通航運管理部門決策時參考。

2 黑啟動運行工況下游水動力條件分析

本文采用二維水動力數學模型具體分析電站黑啟動運行工況下游河道水位、流速、流態變化。計算區域采用正交曲線網格，控制方程離散時，變量在網格上采用交錯布置，水位定義在網格節點上，單寬流量定義在各自方向的相鄰網格的中部，采用交替方向隱格式（ADI）求解方程，方程矩陣采用Double Sweep算法求解，該格式具有二階精度[5-6]。

2.1 計算條件

2.1.1 模型范圍及網格

二維模擬的范圍為壩址下游-航道疏浚末端桐廬分水江匯入口的河道，計算范圍河道總長度約10.71km，計算范圍內包括4座橋梁（杭新景高速公路富春江大橋、渡濟大橋、富春江大橋以及富春江二橋）。計算采用的地形資料由1：1000地形圖及1：500地形圖拼接而成。

計算域采用正交曲線網格劃分，網格步長x方向網格步長最小為2m，最大網格步長約為15m，y方網格步長最小5，最大約為30m。

2.1.2 開邊界條件

根據富春江水電站在華東電網中所承擔的事故備用和黑啟動任務，充分考慮黑啟動運行對下游河道的影響，則上邊界條件為富春江電站黑啟動運行時發電流量過程線，電站在3min之內發電流量由0負增加至3000m3/s。下邊界水位采用電站不發電時候的實測水位。根據實測資料2008年7月9日不發電時下邊界分水江匯入口水位為3.75m[7]。

2.1.3 計算參數

糙率系數根據富春江電廠發電流量下游河道實測流速資料進行率定，比較順直河段取0.020～0.030，個別阻水嚴重或有挑流建筑物的河段取0.030～0.035。

為保證模型計算的連續性，采用“干濕判別”來確定計算區域由于水位漲落產生的動邊界、當計算區域水深小于0.2m時，該計算區域記為“干”，不參加計算；當水深大于0.3m時，該計算區域記為“濕”，重新參加計算。根據Smagorinsky公式確定渦粘系數，Cs取為0.25。

2.1.4 模型率定

驗證計算采用2008年7月11日，電站發電流量500m3/s下游河道流速進行驗證，計算模型驗證結果見文獻[8]，本模型滿足精度要求，可以用于黑啟動運行工況二維水動力計算。

2.2 下游河道水動力計算成果

根據二維計算成果，當富春江電站事故備用（黑啟動）運行時，即電站在3分鐘內從0流量至滿發流量工況，受流量沿程傳播影響，壩下游河道和航道水位在較短時間內呈上升變化，隨著向下游距離的增加，其影響逐漸減小。右側航道內水位變化遲于且小于左側主河道。根據富春江壩下航道和通航樞紐布置特點，分析影響范圍內8個斷面（見圖2），左側河道和右側航道內水位和流速變化。

2.2.1 水位變化

富春江電站壩下3017m范圍受船閘下游導航墻和沙洲的影響，分左側主河道和右側航道兩個部分，電站黑啟動后壩下各斷面水位隨時間變化過程見表1和圖3、4。電站黑啟動后水位呈現逐漸升高的趨勢，影響范圍至壩下9.0km。黑啟動后1h47min、1h48min、1h49min、1h47min、1h44min、1h45min、1h49min、1h57min后壩下各斷面水位基本穩定，其穩定時水位相對于電站啟動開始時間左側主河道1#、1#++、2#和4#斷面水位漲幅分別為：5.47m、5.26m、4.05m、3.86m；右側航道水位漲幅分別為4.02m、4.02m、4.05m、3.86m、2.95m、2.55m、1.91m、1.44m。右側航道內水位主要受下游分流的影響，故水位穩定后左側河道水位高于右側航道，且右側航道在斷面2向斷面1形成倒比降。

在電站啟動后的3分鐘時間內，水位僅影響到壩下485m（1#斷面），左側主河道水位急劇變化，3min內水位上升0.84m，右側航道由于受船閘下游導航墻影響，電站下泄非恒定流還未影響到下閘首，1#斷面航道內水位沒有變化；在電站啟動后的3～15min時間內，水位影響到壩下1332m（2#斷面），左側主河道受影響的1#、1#++、2#斷面水位變幅分別為：2.87m、3.16m、2.25m，右側航道在電站啟動約13min后，電站下泄非恒定流部分通過分水閘，繞過下游導航墻繞流影響至1#斷面，水位才開始逐漸上升，且水位升高的速率平均為0.02m/min，3～15min內水位變幅為0.07m；在電站啟動后的15～45min時間內，水位影響到壩下9029m（8#斷面），左側主河道受影響各斷面水位變幅分別為：1.11m、1.37m、1.97m、3.61m、0.48m、0.29m、0.11m、0.04m。右側航道在電站啟動約18min后，電站下泄非恒定流在4#斷面分流至右側航道，右側航道內水位升高的速率增加，1#至4#斷面水位變幅為1.09m、1.10m、1.13m、0.83m。

2.2.2 流速變化

電站黑啟動工況時，壩下各斷面流速隨時間變化過程見表2和圖5、6。壩下左側主河道1#至4#斷面和壩下右側航道1#、1#++、2#斷面內流速呈現“增加—減小—穩定”的過程；壩下右側航道4#和5#斷面流速呈現“增加—減小—增加—穩定”的過程；壩下6#、7#、8#斷面航道流速呈現“緩慢增加—快速增加—穩定”的過程。其穩定流速相對于電站啟動開始時左側主河道流速漲幅分別為：1.73m/s、1.58m/s、1.58m/s、0.58m/s；右側航道流速漲幅分別為：0.0m/s、0.0m/s、0.53m/s、0.70m/s、0.99m/s、1.52m/s、1.52m/s、1.36m/s。期間左側河道各斷面最大流速分別為2.18m/s、2.68m/s、2.40m/s、1.20m/s；對應的右側航道各斷面最大流速分別為0.03m/s、0.11m/s、0.74m/s、0.70m/s，其余河道斷面最大流速分別為0.99m/s、1.52m/s、1.52m/s、1.36m/s。右側航道內流速變化要遲于且小于左側主河道。

在電站啟動后的3min時間內，水流影響到壩下950m（1#++斷面），左側主河道流速急劇變化，3min內流速增加1.27m/s，右側航道由于受擴建船閘下游導航墻影響，電站下泄非恒定流還未影響到右側航道，航道內流速沒有變化；在電站啟動后的3～15min時間內，水流影響到壩下1332m（2#斷面），左側主河道受影響的1#、1#++、2#斷面流速增加分別為：0.43m/s、1.94m/s、2.39m/s，右側航道在電站啟動約13min后，電站下泄非恒定流部分通過分水閘，繞過下游導航墻繞流影響至1#斷面，右側航道內流速增加，1#、1#++、2#斷面右側航道內流速增加分別為0.03m/s、0.10m/s、0.18m/s，相對左側主河道流速增加較小；在電站啟動后的15～45min時間內，水流影響到壩下9029m（8#斷面），1#、1#++、2#斷面左側主河道流速降低，降低幅度分別為0.16m/s、0.39m/s、0.59m/s；1#、1#++斷面右側航道內流速降低，降低幅度分別為0.01m/s、0.05m/s；其他斷面流速仍在增加。

3 結論

（1）文中利用平面二維數學模型分析電站黑啟動工況下游河道水位、流速變化情況，計算結果表明富春江電站在承擔電網事故備用和黑啟動任務時，其下游水位、流速在短時間內產生較大的波動。

（2）黑啟動1h45min河道內各斷面水位基本穩定，且左側主河道內水位變幅及變化速率都高于右側航道。水位平衡后，左側主河道水位高出右側航道內水位最大為1.45m。左側主河道水位最大變化速率為0.28m/min，右側航道水位最大變化速率0.06m/min。

（3）電站黑啟后動壩下左側主河道和右側航道內流態變化呈“增加—減小—穩定”、“增加—減小—增加—穩定”及緩慢增加—快速增加—穩定”3種不同的過程。右側航道內流速變化要遲于且小于左側主河道。左側主河道最大流速為2.68m/s，右側航道最大流速為0.74m/s。

（4）富春江水電站在承擔電網事故備用和黑啟動任務時，其下游水位、流速在短時間內發生較大的波動，需要采取工程措施和航運管理措施保證不影響電站事故備用和黑啟動的能力及通航安全[9]。

參考文獻

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[8]楊娟，黃靖，程開宇.富春江船閘擴建改造工程影響分析[J].浙江水利科技，2012（7）：8-12.

[9]張公略、李君濤，吳世東.富春江船閘擴建改造后電站黑啟動對下游航運安全影響分析[J].水道港口，2011（10）：341-345.

（作者單位：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司）