渠珠水利樞紐工程建設水文情勢變化分析

胡 昊，茹 彪

（水利部珠江水利委員會水文局，廣州 510610）

水利水電工程的建設會改變河道的天然狀態(tài)，對河道的水文情勢造成影響。水文情勢的變化，將會對河道流態(tài)、流速、水溫、水質(zhì)、泥沙淤積、局地環(huán)境、氣候、土地資源、水生生物、陸生生物、供水、灌溉等造成一系列的影響，這些影響有可能是有利的，也可能是不利的[1]。因此，水文情勢的變化分析在水利水電工程環(huán)境影響評價中有著十分重要的意義。本文以渠珠水利樞紐為例，模擬分析了工程建設對壩址上下游水文情勢的影響。

1 渠珠水利樞紐概況

崇左市渠珠水利樞紐工程項目是將現(xiàn)狀位于崇左市城區(qū)上游的崇左先鋒水利樞紐工程下移至城區(qū)下游重新規(guī)劃建設，是經(jīng)修編后的左江干流綜合利用規(guī)劃五個梯級中的第四個梯級，尚處于規(guī)劃階段。設計壩址位于崇左市區(qū)江州區(qū)太平街道長期村左江長期渡口附近河段，上游距離崇左市左江二橋27.4 km，距原先鋒水電站47.2 km，距左江水利樞紐51.9 km，下游距扶綏縣山秀水利樞紐83.0 km。壩址以上流域面積為27 065 km2，多年平均流量545 m3/s，多年平均徑流量172億m3。水庫正常蓄水位97 m，相應庫容1.94億m3，水庫總庫容4.02億m3；電站總裝機容量72 MW，多年平均發(fā)電量2.50億kW·h。船閘級別為Ⅲ級，設計最大船舶為2000 t級。渠珠水利樞紐功能定位以航運、改善崇左市城市環(huán)境和水環(huán)境、解決山秀水電站至左江電站河段航運銜接問題為主，是結(jié)合發(fā)電、兼顧旅游于一體的綜合性水利工程，工程建設對崇左市的城市發(fā)展意義重大。

2 一維水面線模擬

2.1 MIKE11模型[2]

MIKE11模型是由丹麥水力研究所DHI開發(fā)的河網(wǎng)一維數(shù)學模型，廣泛應用于河口區(qū)河網(wǎng)水動力-水質(zhì)耦合模型的研究領域。MIKE11模型具有算法可靠、計算穩(wěn)定、前后處理方便、水工建筑物調(diào)節(jié)功能強大等優(yōu)點。

2.2 河網(wǎng)概化

為了滿足計算機硬件及運算時間的要求，節(jié)省工作量，提高計算效率，有必要對河網(wǎng)中規(guī)模較小的河道進行概化處理。河網(wǎng)概化的基本原則是突出河網(wǎng)主干河道，保留需要重點研究的河道支流。河網(wǎng)概化要反映天然河網(wǎng)的基本水動力特性，且概化后的河網(wǎng)在河道輸水能力和調(diào)蓄能力上必須與實際河網(wǎng)盡量保持基本一致。

在收集河網(wǎng)水文資料的基礎上，河道斷面采用2017年10月的實測數(shù)據(jù)。左江從左江水電站至山秀水電站，總長約134.44 km，共94個水位計算點和94個流量計算點。研究區(qū)河系概化見圖1。

圖1 左江河道一維水系概化示意圖

2.3 糙率率定

水動力模型的參數(shù)率定主要考慮的是河道糙率n。糙率n是衡量河床邊壁粗糙程度對水流運動影響并進行相應水文分析的一個重要系數(shù)，其取值是河道一維數(shù)值模擬的關鍵，糙率n取值準確與否直接影響著水動力模型的計算精度。天然河道的糙率的確定很復雜，實際中與很多影響因素有關，如河床砂、礫石粒徑的大小和組成，河道斷面形狀的不規(guī)則性，河道的彎曲程度，沙地上的草木，河槽的沖積以及河道中設置的人工建筑物等。考慮模型計算穩(wěn)定性與計算時間的要求，時間步長設定為30 s，河道斷面平均間距為1315 m。率定時間從2015年7月12日0時～10月28日0時，共計109 d。先假定一個糙率值計算水位，然后通過不斷調(diào)整河道各段糙率值，使監(jiān)測點的水位計算值與實測值差值逐漸縮小，水位過程線充分吻合。

2.4 水面線過程模擬分析

在工程建設前，按上游左江水利樞紐與下游的山秀水電站的調(diào)節(jié)方式，模擬計算不同流量條件下的沿程水面線。工程建設后的水面線模擬按渠珠水利樞紐規(guī)劃的調(diào)度方式進行控制，上游邊界（先鋒水電站）給幾個典型的入流流量，從200～5000 m3/s變化，下游邊界（山秀水電站）按工程前對應的上游流量條件下的壩前水位給值。工程建設前后模擬結(jié)果見圖2。

由模擬結(jié)果可知，在工程建設前，沿程水面線的坡度分布不均勻，這主要跟沿程的水下地形變化劇烈有關。最大水面坡度主要集中在0～28 500 m里程段，隨著下泄流量的增加，水面坡度也不斷增大。28 500～70 000 m里程的河道，水面坡度相對減緩，隨著下泄流量的增加，水面坡度也會緩慢增加。而大于70 000 m里程的河道水面坡降又有所增加。

工程建設后，低流量條件下，渠珠水利樞紐的壩上壩下水位落差較大，水頭在9.6 m左右，壩上游及壩下游的水面線相對平緩；而高流量時，由于開閘放水，壩址上下的水頭降低，壩址上游及下游河段的水面坡降增大，水面線陡峭。渠珠水利樞紐的建設，將極大地改變山秀水電站至左江水利樞紐之間的水面線過程，渠珠水利樞紐壩址及壩址上游水位、水深、河寬增加，將對河道通航以及崇左市的水生態(tài)、水景觀產(chǎn)生較好的改善作用。

圖2 渠珠水利樞紐建設前后不同流量條件的水面線過程圖

3 工程河道二維模型模擬

3.1 MIKE21模型[3]

MIKE21是丹麥水力研究所（簡稱DHI）開發(fā)的系列水動力學軟件之一，屬于平面二維自由表面流模型。DHI采用MIKE21作為研究手段，不斷在應用中發(fā)展和改進該軟件。20多年來，MIKE21在世界范圍內(nèi)大量應用經(jīng)驗的基礎上持續(xù)發(fā)展，在平面二維自由表面數(shù)值模擬方面具有強大的功能。

3.2 二維模型的建立

根據(jù)2017年10月測量的1∶2000的渠珠水利樞紐設計壩址附近河道水下地形，基于MIKE21建立了工程河道的二維水動力模型。水下地形的測量范圍大致在擬建設的渠珠水利樞紐的上、下游各5.2 km。模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以對復雜的岸線及水利工程形態(tài)有較好地擬合。

根據(jù)一維模型計算的成果，可以給二維模型提供邊界條件。二維模型可以反映工程河道水動力的平面分布，模擬區(qū)域為一山區(qū)彎曲河道，模擬時考慮河道次生環(huán)流，以反映彎道環(huán)流效應。

3.3 水利工程建設對河道流速的影響

以來水1000 m3/s流量的情況為例，工程建設前后河道流場模擬情況見圖3。可以看出，與工程建設前的流態(tài)比較，工程對局部河段的流場改變較大。工程建設前工程位置局部河槽流速為0.6 m/s左右，且流速分布較為均勻。工程建設后在壩址上游庫區(qū)，平均流速較小，在0.15 m/s以下，可能會產(chǎn)生泥沙淤積問題，水庫運行時應注意庫區(qū)合理排沙；壩址處由于跌水效應，流速存在明顯的突變，且壩址位置及下游一段距離內(nèi)流速橫向分布不均勻，可能對水生生物造成一定的影響。

圖3 渠珠水利樞紐建設前后河道流場分布圖（Q=1000 m3/s）

4 結(jié)論

（1）渠珠水利樞紐的建設，將改變山秀水電站至左江水利樞紐之間的水面線過程，渠珠水利樞紐壩址及壩址上游水位、水深、河寬增加，將對設計壩址以上河道通航以及上游崇左市的水生態(tài)、水景觀產(chǎn)生較好的改善作用。

（2）工程建設將較大程度地改變局部河段的流場。壩址及壩址上游處流速將變緩，水庫運行時應注意庫區(qū)合理排沙；壩址處由于跌水效應，流速存在明顯的突變，且壩址位置及下游一段距離內(nèi)，橫向流速分布不均，可能對水生生物造成一定的影響。