航電樞紐中小洪水的利用方法研究

陳宇婷，鐘平安，徐　斌，劉　宇

航電樞紐中小洪水的利用方法研究

陳宇婷1，鐘平安1，徐斌1，劉宇2

（1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098；
2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014）

利用防洪庫容攔蓄洪水尾是水庫洪水資源化的重要措施。以低調節性能的航電樞紐為研究對象，提出中小洪水資源化方法。依據實時洪水預報過程，采用一維水力學模型，計算實時動態水面線，以庫區淹沒控制水面線為約束，確定淹沒控制斷面及壩址斷面水位上限值，根據洪水退水規律確定關閘時機。以贛江某航電樞紐為背景開展實例研究，取得了較好的經濟效益。

航電樞紐；洪水資源化；水面線；關閘時機；經濟效益

0　引言

利用水庫洪水預報調度技術，攔蓄洪尾、適度超蓄、減少水庫的無效棄水，可以充分利用洪水資源，顯著增加經濟效益［1-5］。近年來，利用水庫汛限水位動態控制技術實現洪水資源化的研究已廣泛開展［6］，丁偉等［7］研究預蓄預泄的汛限水位動態控制方法，根據洪水預報信息，對尼爾基水庫進行水位實時控制，實現了水庫汛限水位的提高；劉招等［8］將預泄能力約束法運用到安康水庫的洪水資源化調度中，取得了較大的經濟效益；周惠成等［9］以碧流河水庫為研究背景，運用綜合信息模糊推理的方法，研究汛限水位動態控制的效益及風險；張艷平［10］針對水庫汛限水位動態控制目標的矛盾性，采用決策調度法對大伙房水庫進行水庫調度。目前，洪水資源化研究主要集中于調節性能較高的大中型水庫［11-14］。

航電樞紐一般屬于調節能力較低的河道型樞紐工程，庫區狹長，水面線隨入庫流量、壩前水位以及出庫流量等變化，庫區淹沒問題成為制約水庫蓄水的關鍵因素。由于航電樞紐的特殊性，針對其洪水資源化的研究較少。本文以贛江上某航電樞紐為研究背景，利用洪水漲落段水面線的差異，在不增加庫區淹沒的前提下，通過攔蓄洪水尾實現航電樞紐超蓄運行，以提高航電樞紐發電效益。

1　基本原理

1.1研究思路

由于河道型動庫容水面線的影響，確定航電樞紐正常高水位時，一般需滿足庫區淹沒控制的要求。水庫庫區回水水面線隨著入庫流量的變化而變化，當洪水處于漲洪段時，水面附加比降隨入庫流量的增加而加大，即水力坡度隨入庫流量的增加而加大，因此航電樞紐設計時，通常起控制作用的是漲洪段；當洪水進入退水段時，水面附加比降減小，維持淹沒控制斷面的淹沒控制水位不變，水庫壩前水位允許適當抬升。基于水面線的這一變化規律，可以考慮在洪水退水段攔蓄洪水尾部的部分水量，實現洪水資源化利用。圖1為航電樞紐洪水資源化示意圖，其中斷面AA'為庫區淹沒控制斷面，陰影部分表示超蓄水量。

圖1　超蓄示意

綜上所述，利用洪水漲落段動力特性差異，可以在不增加防洪風險的前提下，實現洪水資源化，提高水資源利用率。從技術層面看，實現航電樞紐洪水資源化需要解決以下三個問題：①洪水過程中實時動態水面線的模擬；②超蓄時機的確定；③超蓄水位的確定。

1.2洪水過程動態水面線計算

采用一維水力學模型計算洪水過程的動態水面線，描述一維明渠非恒定流的基本方程由連續方程和運動方程組成，表征水力要素與距離s和時間t的函數關系［15］

式中，A、Q、qL分別為過水面積、河道斷面流量、旁側入流當無旁側入流時，qL為0；v、g、h、i、J分別為水流速度、重力加速度、水面至渠底的高度、明渠底坡以及水力坡度。

本文將預報入庫流量過程作為上邊界條件，根據不同的計算需要，分別選擇水庫壩前水位或出庫流量作為下邊界條件，采用四點線性隱式差分格式對微分方程進行離散化求數值解，輸出各個斷面的水位、流量，從而求得各時刻的河道瞬時水面線。

1.3蓄水時機和超蓄水位的確定

1.3.1考慮預報誤差的淹沒控制斷面水位

在實際調度過程中，依據的流量過程為淹沒控制斷面的預報流量過程。由于預報模型的結構、參數等多重不確定性因素的存在，預報誤差不容避免。為了防止預報誤差導致實際淹沒線超過設計淹沒線，在實時調度中，庫區淹沒控制水位應在設計值基礎上留有余地。通過對歷史預報信息進行統計分析，得到預報流量誤差ΔQ（ΔQ=Q預報-Q實測）的概率分布密度函數為f（ΔQ），對于防洪安全而言，只關注預報流量偏小的一側（見圖2）。

圖2　預報流量誤差密度函數

取α=5%確定相應預報流量誤差值ΔQ*，通過淹沒控制斷面的水位流量關系，確定水位安全閾值ΔZ，在實際控制過程中淹沒控制條件為

式中，Zm為庫區設計淹沒控制線在淹沒控制斷面處的水位值（見圖1）；Zh為調度期內最高水面線在淹沒控制斷面處的水位值。

1.3.2超蓄時機與超蓄量確定

航電樞紐洪水資源化是在確保不增加庫區淹沒的前提下利用動庫容實現超蓄運行，水庫超蓄運行過程中，壩前水位的超高也必須限制在允許的范圍內。在這種情況下，超蓄控制條件分別為：上游淹沒控制斷面水位不超過Zk、壩前水位不超過Ze，參見圖3。

圖3　超蓄控制條件

由于不同場次洪水的尾水形態不盡相同，對應水面線的形態也可能出現以下兩種情形：其一，壩前水位率先達到水庫允許超蓄的上限值Ze，此時淹沒控制斷面水位低于淹沒控制斷面實際允許水位上限值Zk，如圖3中虛線所示；其二，淹沒控制斷面水位率先達到該斷面實際允許水位上限值Zk，此時壩前水位低于水庫允許超蓄的上限值Ze，如圖3中實線所示。在退水過程中，這兩種情形都可能會經過，但對于某場特定洪水的退水過程，難以預見何種情形首先出現。為了規避超蓄風險，在超蓄方式上應采用對防洪有利的晚蓄方案，盡可能推遲蓄水，因此宜采用后出現的時間作為超蓄時機（即實際操作中的關閘時機）。

超蓄時機選擇是超蓄的關鍵，過早則會造成攔蓄過度，需要二次開閘泄洪，過晚則會造成攔蓄不足，不能達成理想的超蓄目標。為了盡量減少閘門啟閉次數，應根據本次洪水的退水規律與出庫流量過程選擇適當的超蓄時機。主要計算步驟如下：

（1）設退水段預報流量過程為Q（t）（t=1，2，…，T）。

（2）以退水段預報流量過程Q（t）為上邊界條件，以水庫正常高水位Z0為下邊界條件，得出相應的出庫流量過程q（t）（t=1，2，…，T）。

（3）當超蓄時機τ一定時，水庫出流過程^q（t）τ分為兩段：在τ之前為步驟（2）的計算結果，此時水庫處于防洪狀態；在τ之后關閘蓄水，此時水庫處于興利蓄水狀態，水庫下泄流量為發電流量。即水庫出流過程

式中，τ為關閘時機；qm為關閘蓄水后的發電流量。

（4）假定一組τ，以退水段預報流量過程Q（t）為上邊界條件，以水庫出流過程^q（t）τ為下邊界條件，計算各個τ值對應的調度期內最高水面線，得到該水面線對應壩址斷面處水位Zem以及淹沒控制斷面處水位Zkm與τ的相關關系圖4。

圖4　τ與Zem和Zkm的相關關系

（5）為了防洪安全，取水庫關閘時機

（6）以退水段預報來水過程Q（t）為上邊界條件，以水庫正常蓄水位為下邊界條件，得到不超蓄時期水面線；仍以Q（t）為上邊界條件，下邊界條件改為水庫出流過程^q（t）τ*，得到超蓄時期水面線，此時兩水面線之間的水量即為超蓄水量ΔW，即

式中，i為斷面序號，i=1，2，…，n；Z1，i、Z2，i分別為超蓄水面線、不超蓄水面線在斷面i處的水位值；li為斷面i與斷面i+1之間的距離；Bi為斷面i與斷面i+1之間的平均河寬。

2　實例研究

贛江某航電樞紐是一個以航運為主，兼顧發電等水資源綜合利用的河道型航電樞紐，水庫正常蓄水位56.5 m，最高允許超蓄水位57.0 m，電站總裝機容量120 MW，年平均發電量為5.27億kW·h。古樟樹林斷面為其上游淹沒控制斷面，設計淹沒控制水位57.48 m，包括壩址與淹沒控制斷面在內共設置11個計算斷面。某場預報小洪水退水段24 h預報流量過程見表1。關閘時機τ與調度期內最高水面線對應壩址斷面處水位Zem以及淹沒控制斷面處水位Zkm的關系見圖5。

表1　預報來水過程　m3/s

圖5　τ與Zem和Zkm的關系

根據預報誤差分析確定庫區淹沒控制斷面水位安全閾值為0.2 m，即防洪控制斷面處實際允許的最高水位值Zk為57.28 m，樞紐壩前超蓄水位的上限值Ze為57.00 m。由圖5得出τ1為7，τ2為6；根據式（4），取τ=7，即此次洪水退水過程起控制作用的是壩前最高水位，淹沒控制斷面水位低于57.28 m。圖6為不超蓄（即以水庫正常高水位為下邊界）水面線、τ=7時相應的超蓄水面線以及設計淹沒水面線。

圖6　超蓄與不超蓄水面線及設計淹沒控制線

利用式（5）求得超蓄水量ΔW為9.05×106m3，01∶00～07∶00這一時段內水庫的平均發電水頭為6.48 m，相應的單耗為61.98 m3/kW·h，可增發電量14.60萬kW·h。

3　結語

本文提出的利用洪水漲落段動力特性差異，以上游淹沒控制斷面水位、壩前水位作為超蓄控制條件，通過洪水過程動態水面線模擬，確定超蓄時機與超蓄水位。應用實例表明：通過攔蓄中小洪水洪尾，允許水庫適當超蓄，可以在不擴大庫區允許淹沒范圍、不降低樞紐設計防洪標準的前提下，有效減少航電樞紐汛期的無效棄水，顯著提高航電樞紐的發電效益，從而提高了航電樞紐的經濟效益。研究內容對航電樞紐中小洪水資源化具有參考價值。

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（責任編輯陳萍）

猴子巖地下廠房洞室群高地應力條件下圍巖穩定性施工跟蹤專題通過驗收

2015年12月24日，《猴子巖水電站地下廠房洞室群高地應力條件下圍巖穩定性施工跟蹤專題研究》報告通過驗收。

參會單位的專家和代表聽取了中國地質大學（武漢） 對猴子巖地下廠房洞室群高地應力條件下圍巖穩定性施工跟蹤專題專題報告主要內容的匯報，并進行了認真的討論和審議。會議評審認為，中國地質大學（武漢） 完成的專題報告研究資料收集詳實，分析合理，結論基本可靠，滿足合同要求，同意通過驗收。

猴子巖地下廠房洞室群地質條件復雜，地應力高，變形量大，地下廠房開挖至第四層時圍巖變形量達162mm，其變形為當前世界最大，硐室群施工期圍巖穩定性是工程安全的重大工程地質問題。地下廠房施工初期，圍巖穩定問題突出，為此，我院委托中國地質大學（武漢） 開展了猴子巖水電站地下廠房洞室群高地應力條件下圍巖穩定性施工跟蹤專題研究。

跟蹤專題研究由中國地質大學（ 武漢） 徐光黎教授帶領的課題團隊承擔。2013年6月至2015年5月團隊進行了猴子巖廠區三大硐室大量的資料收集和分析工作，對圍巖穩定性進行預測評價。專題研究成果為保證猴子巖水電站地下廠房硐室群施工安全和設計處理提供了重要的地質資料。

該專題研究成果應用了最新的科研技術，結合工程實際，為解決現場工程技術問題，提供了重要的地質依據；專題報告創新點較多，初次提出了適合高地應力質量評價方法（GHC） 以及首次研究了地下硐室群圍巖EDZ 演化規律及其劃分標準等，具有推廣應用價值，對后續工程具有重要的指導意義。

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司）

Study on the Method of Small and Medium Flood Utilization in Navigation Power Junctions

CHEN Yuting1，ZHONG Pingan1，XU Bin1，LIU Yu2
（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The intercepting and storing of flood tail by flood control capacity of reservoir is an important measure of flood resources utilization.Taking the navigation power junction project which has a low regulation performance as study object，the flood resources utilization method of small and medium floods is proposed.Based on real-time flood forecasting，the dynamic water line is calculated by one-dimensional unsteady flow mechanics model.Taking the submerged control water line of reservoir area as the constraint，the water level upper limit values of the flood control section and dam site section are determined respectively，and then the time of gate closing can be acquired according to the law of flood extinction.A navigation power junction in Ganjiang River is taken as the study case and it obtains substantial economic benefits.

navigation power junction；flood resources utilization；water surface line；time of closing gate；economic benefit

TV697.1

A

0559-9342（2016）02-0080-04

2015-08-10

國家自然科學基金資助項目（51179044；51379055）

陳宇婷（1991—），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向為水資源規劃與管理；鐘平安（通訊作者）.