雅口航電樞紐水庫運行方式及回水研究

賈函 鄢軍軍 陶亮

【摘要】隨著內河水運的發展及水電開發的深入，各大水系多結合高等級航道規劃建設適當規模的航電樞紐。航電梯級往往位于河道中、下游平原地帶，人口密集，社會經濟發展水平較高，涉河的港口、橋梁等公共設施眾多，流域防洪形勢嚴峻。航電樞紐承擔渠化河道，提高庫區航道等級，抬高水頭發電等任務，水庫運行方式及回水計算較復雜。本文以漢江干流雅口航電為例，結合回水設計過程，提出流量分級水位控制運行方式，分析內河航電樞紐水庫運行方式及回水計算的一些關鍵點。

【關鍵詞】航電樞紐；回水計算；水位控制

1、雅口航電梯級概述

雅口航電樞紐是漢江干流航道規劃及梯級水電開發的重要樞紐工程，樞紐壩址位于湖北襄陽宜城市境內，樞紐建成后與上、下游梯級聯合運行，可使漢江丹江口以下航道標準由近期的Ⅳ級提升至Ⅲ級。雅口水庫正常蓄水位55.22m，死水位54.72m，電站裝機容量74.2MW，機組最大水頭為8.72m，最小發電水頭為2.0m，為低水頭日調節電站。

2、水庫回水分析計算

2.1 水庫淹沒回水分析

漢江干流下游河段地形開闊，兩岸耕地、人口眾多，對水庫回水比較敏感。雅口樞紐庫容較小，不承擔下游防洪任務，但庫區防洪形勢較為嚴峻。為減少庫區淹沒并緩解庫區防洪壓力；雅口航運樞紐遭遇洪水時，電站停止發電，泄洪閘全部打開，庫區基本恢復天然河道，保證壩前水位壅高值小于30cm，頻率洪水回水在壩前即可尖滅。因此，影響水庫淹沒范圍的主要是非汛期正常蓄水位運行時，電站停機流量以下的常年淹沒。為避免影響庫區防洪，入庫流量大于臨界流量5000m3/s時，電站即逐步開啟閘門，逐步降低壩前水位，遭遇頻率洪水時，基本可恢復天然河道。水庫淹沒及庫區防護設計回水線取相應頻率洪水回水及正常蓄水位與臨界流量5000m?/s及以下各級流量的對應回水的外包線。

2.2 航道設計回水分析

雅口庫區航道等級為Ⅲ級，航道最高設計水面線取如下兩條回水線外包線：① 20年一遇洪水壩前最高水位53.82m，與相應洪峰流量17000m3/s對應回水；②正常蓄水位與降低水位臨界流量5000m?/s對應回水。庫區航道最低設計水面線取如下兩種情況內包線：①發電工況：壩前水位為死水位，考慮上游崔家營不下泄流量；②敞泄工況：2年一遇壩前最高水位52.38m與相應洪峰流量8710m?/s對應回水。

3、水庫運行方式研究

3.1 水庫運行約束條件分析

結合雅口航電樞紐的特點，水庫運行方式主要從庫區淹沒控制、庫區防洪安全、機組發電及下游航運要求等方面進行分析研究。

（1）庫區淹沒及防洪對水庫運行方式的要求

根據調查，雅口庫區無較大的支流匯入，漢江干流兩岸大部分河段由堤防防護，沿程堤腳高程54.03m～63.7m。樞紐壩址上距宜城市區15.3km，宜城市防洪控制水位為55.47m，市區內漢江大橋橋底高程為67.2m，通航凈空不宜低于10m。雅口水庫正常發電運行及逐步降低水位過程中，需保障庫區水位不超過淹沒回水線，不影響宜城市防洪及庫區通航。

（2） 機組發電對水庫運行方式的要求

雅口樞紐為低水頭電站，水頭價值較高，水庫運行過程中盡量抬高發電。另一方面，雅口航運樞紐設計最小發電水頭為2.0m，當水庫入庫流量較大，上、下游發電水頭低于2m時，機組停止運行。

（3）下游航運對水庫運行方式的要求

雅口航運樞紐下游碾盤山梯級未建成前，需要下泄航運基荷流量。

3.2 分級流量控制運行水位研究

各類約束條件是航電樞紐運行方式設計需要考慮的主要因素，正常運行過程中壩前運行水位與庫區沿程對應的流量推算的回水位不能超過各類制約因素的高程。

本文在進行庫區回水計算時，考慮天然河道槽底地形復雜性，先將整段河道用斷面劃分成小的河段，設某段河流長為△L，上游、下游斷面分別命名為斷面1和斷面2，則兩斷面滿足明渠恒定流的能量方程：

根據模型流程框圖，編制水庫按流量分級控制水位計算模塊，計算平臺給定所需的壩前水位、入庫流量、預報流量等信息，進行不同壩前水位及分段的回水迭代計算，當任一斷面的回水位與控制約束高程接近相等時，相應的壩前水位即為該流量下的分級控制水位（即為允許的最高蓄水位或安全運行水位）。

應用開發軟件對雅口航電樞紐運行水位進行計算及分析，雅口航電樞紐降低水位臨界流量的取值主要由宜城市防洪控制水位確定（表1）。雅口水庫正常蓄水位運行時，入庫流量5000m?/s對應宜城水位站水位達到55.47m，此時雖上、下游水位差仍有3.84m，為庫區防洪計，仍需降低水位運行。根據庫區各類約束分析雅口航運樞紐各流量對應壩前最高水位隨入庫流量增加而降低（圖2），可見，依據該運行圖，入庫流量逐步增大到2年一遇洪水洪峰8710m?/s時，閘門全開，基本已恢復天然河道行洪能力。

3.3 水庫運行方式研究

結合雅口航電樞紐開發任務，水庫運行需兼顧航運與發電兩方面需求，為改善庫區航運條件及增加電站發電效益，電站運行過程中水庫盡量維持在較高水位運行，但從防洪和控制庫區淹沒角度考慮，汛期預報來水大于5000m3/s時，可分級控制以逐步降低庫水位。水庫運行方式如下：①當入庫流量小于450m3/s（下游航運基荷流量）時，通過機組發電泄放航運基荷流量，水庫水位自然下降；②當入庫流量大于等于450 m3/s，但小于2291m3/s（機組最大過機流量）時，入庫水量通過機組發電，水庫維持正常蓄水位運行；③當入庫流量大于2291m3/s但小于5000 m3/s，機組全開發電，水庫維持正常蓄水位運行，多余棄水通過閘門下泄；④當入庫流量大于等于5000 m3/s但小于8710 m3/s（時，根據洪水預報情況，通過泄水閘控制預泄，分級控制逐步降低庫水位；水頭小于2m時，電站停止發電，啟用備用電源，船閘正常運行；⑤當入庫流量大于等于8710m3/s但小于10年一遇洪峰流量13500m3/s時，泄水閘敞泄；⑥當入庫流量大于13500m3/s時，船閘停止運行；洪水退去后，入庫流量小于13500m3/s時，船閘恢復通航；當入庫流量小于8710m3/s時，水庫開始分級逐步回蓄到正常蓄水位55.22m。

4 結論與建議：

（1）庫區淹沒對水庫水位十分敏感，在經濟合理的前提下，應盡量加大樞紐泄流能力，保證頻率洪水可在壩前尖滅，減少庫區淹沒影響及相關投資。

（2）樞紐運行受庫區防洪約束，臨界流量相對較小，為增加發電效益，改善庫區航運條件，宜在不增加淹沒及影響庫區的前提下適當提高水位運行方式。

（3）建議利用流域水情測報系統，采用預報預泄方式根據預報流量及水庫運行圖進行水庫運行調度。

參考文獻：

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