胡 昊，茹 彪

（水利部珠江水利委員會(huì)水文局，廣州 510610）

水利水電工程的建設(shè)會(huì)改變河道的天然狀態(tài)，對(duì)河道的水文情勢(shì)造成影響。水文情勢(shì)的變化，將會(huì)對(duì)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(shì)的變化分析在水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(shè)對(duì)壩址上下游水文情勢(shì)的影響。

1 渠珠水利樞紐概況

崇左市渠珠水利樞紐工程項(xiàng)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(shè)，是經(jīng)修編后的左江干流綜合利用規(guī)劃五個(gè)梯級(jí)中的第四個(gè)梯級(jí)，尚處于規(guī)劃階段。設(shè)計(jì)壩址位于崇左市區(qū)江州區(qū)太平街道長(zhǎng)期村左江長(zhǎng)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(kù)正常蓄水位97 m，相應(yīng)庫(kù)容1.94億m3，水庫(kù)總庫(kù)容4.02億m3；電站總裝機(jī)容量72 MW，多年平均發(fā)電量2.50億kW·h。船閘級(jí)別為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)最大船舶為2000 t級(jí)。渠珠水利樞紐功能定位以航運(yùn)、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(yùn)銜接問(wèn)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(shè)對(duì)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(kāi)發(fā)的河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型，廣泛應(yīng)用于河口區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型的研究領(lǐng)域。MIKE11模型具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、前后處理方便、水工建筑物調(diào)節(jié)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 河網(wǎng)概化

為了滿足計(jì)算機(jī)硬件及運(yùn)算時(shí)間的要求，節(jié)省工作量，提高計(jì)算效率，有必要對(duì)河網(wǎng)中規(guī)模較小的河道進(jìn)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(diǎn)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(dòng)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(shí)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(chǔ)上，河道斷面采用2017年10月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。左江從左江水電站至山秀水電站，總長(zhǎng)約134.44 km，共94個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)和94個(gè)流量計(jì)算點(diǎn)。研究區(qū)河系概化見(jiàn)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(dòng)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(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響并進(jìn)行相應(yīng)水文分析的一個(gè)重要系數(shù)，其取值是河道一維數(shù)值模擬的關(guān)鍵，糙率n取值準(zhǔn)確與否直接影響著水動(dòng)力模型的計(jì)算精度。天然河道的糙率的確定很復(fù)雜，實(shí)際中與很多影響因素有關(guān)，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(shè)置的人工建筑物等?？紤]模型計(jì)算穩(wěn)定性與計(jì)算時(shí)間的要求，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為30 s，河道斷面平均間距為1315 m。率定時(shí)間從2015年7月12日0時(shí)～10月28日0時(shí)，共計(jì)109 d。先假定一個(gè)糙率值計(jì)算水位，然后通過(guò)不斷調(diào)整河道各段糙率值，使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值逐漸縮小，水位過(guò)程線充分吻合。

2.4 水面線過(guò)程模擬分析

在工程建設(shè)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(jì)算不同流量條件下的沿程水面線。工程建設(shè)后的水面線模擬按渠珠水利樞紐規(guī)劃的調(diào)度方式進(jìn)行控制，上游邊界（先鋒水電站）給幾個(gè)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(duì)應(yīng)的上游流量條件下的壩前水位給值。工程建設(shè)前后模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

由模擬結(jié)果可知，在工程建設(shè)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(guān)。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(duì)減緩，隨著下泄流量的增加，水面坡度也會(huì)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(shè)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(duì)平緩；而高流量時(shí)，由于開(kāi)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(shè)，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(guò)程，渠珠水利樞紐壩址及壩址上游水位、水深、河寬增加，將對(duì)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(shè)前后不同流量條件的水面線過(guò)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(jiǎn)稱DHI）開(kāi)發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)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(yīng)用中發(fā)展和改進(jìn)該軟件。20多年來(lái)，MIKE21在世界范圍內(nèi)大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(qiáng)大的功能。

3.2 二維模型的建立

根據(jù)2017年10月測(cè)量的1∶2000的渠珠水利樞紐設(shè)計(jì)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(dòng)力模型。水下地形的測(cè)量范圍大致在擬建設(shè)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(duì)復(fù)雜的岸線及水利工程形態(tài)有較好地?cái)M合。

根據(jù)一維模型計(jì)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(dòng)力的平面分布，模擬區(qū)域?yàn)橐簧絽^(qū)彎曲河道，模擬時(shí)考慮河道次生環(huán)流，以反映彎道環(huán)流效應(yīng)。

3.3 水利工程建設(shè)對(duì)河道流速的影響

以來(lái)水1000 m3/s流量的情況為例，工程建設(shè)前后河道流場(chǎng)模擬情況見(jiàn)圖3。可以看出，與工程建設(shè)前的流態(tài)比較，工程對(duì)局部河段的流場(chǎng)改變較大。工程建設(shè)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(shè)后在壩址上游庫(kù)區(qū)，平均流速較小，在0.15 m/s以下，可能會(huì)產(chǎn)生泥沙淤積問(wèn)題，水庫(kù)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意庫(kù)區(qū)合理排沙；壩址處由于跌水效應(yīng)，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(duì)水生生物造成一定的影響。

圖3 渠珠水利樞紐建設(shè)前后河道流場(chǎng)分布圖（Q=1000 m3/s）

4 結(jié)論

（1）渠珠水利樞紐的建設(shè)，將改變山秀水電站至左江水利樞紐之間的水面線過(guò)程，渠珠水利樞紐壩址及壩址上游水位、水深、河寬增加，將對(duì)設(shè)計(jì)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(shè)將較大程度地改變局部河段的流場(chǎng)。壩址及壩址上游處流速將變緩，水庫(kù)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意庫(kù)區(qū)合理排沙；壩址處由于跌水效應(yīng)，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(duì)水生生物造成一定的影響。