錢 紅 露，尹 維 清，程 穩(wěn)，鄧 先 喬

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

我國西南諸河多流經高山峽谷地帶，河道彎曲狹窄、水流湍急、灘險眾多且岸坡高陡，天然條件下難以通航。隨著西部水電大開發(fā)的推進，高山峽谷河流上也逐步建設了多個梯級樞紐，河流渠化后具備了一定的通航條件[1-2]。然而，樞紐建成后調峰運行產生的非恒定流過程會顯著改變下游河道的各水力要素，其中水位變化尤為明顯[3]。有別于普通山區(qū)河流(普通山區(qū)河流與高山峽谷河流區(qū)別見表1)，高山峽谷河段電站下泄的非恒定流往往導致較大的水位變幅，給航道運行維護、船舶航行及碼頭作業(yè)帶來巨大困難，極大地影響航運安全[4-6]。因此，研究高山峽谷河段樞紐運行影響下的水位變幅特性、適航區(qū)域、控制措施等，對此類河段的航運開發(fā)和通航安全保障均具有重要意義。

表1 高山峽谷河流與普通山區(qū)河流特點Tab.1 Characteristics of high mountain canyon river and ordinary mountain river

目前，關于樞紐運行引起水位變幅的研究成果較多。鄭守仁等[7]根據三峽工程設計各階段的物理、數學、船模試驗等成果，總結分析了長江三峽電站調峰產生的非恒定流對兩壩間通航水流條件的影響，并提出了萬噸級船隊的通航要求；龍啟建等[8]采用非恒定流數學模型，模擬了嘉陵江亭子口樞紐至沙溪樞紐河段在中間蒼溪反調節(jié)樞紐興建前后的非恒定流條件，從而分析梯級水庫聯合調度對航運安全的影響；張波等[9]通過數學模型計算，研究了烏江的烏江渡樞紐調峰對下游河道水位漲落的影響；母德偉等[10]根據物理模型試驗和水動力數值模擬成果，分析了金沙江向家壩水電站日調節(jié)非恒定流對下游航運條件的影響，進而提出了水位日變幅和小時變幅的控制指標。然而，目前絕大部分研究成果都是針對普通山區(qū)河流，對高山峽谷河段水位變幅的研究較少。近年來隨著金沙江、瀾滄江、怒江、大渡河等高山峽谷河流梯級渠化的推進，此類河段樞紐運行影響下的水位變幅問題更為突出，亟待研究解決。

本文以金沙江烏東德水電站為例，通過一維非恒定流數學模擬，重點研究未來金沙江烏東德水電站調峰運行影響下，烏東德水電站下游近壩段的水位變幅大小和分布規(guī)律，并從水位變幅的角度劃分適航區(qū)域、提出控制措施，為高山峽谷梯級渠化河段的水位變幅研究提供參考。

1 工程樞紐及河段概況

1.1 工程樞紐概況

烏東德水電站是金沙江下游4個梯級電站中的第一級，是一座位于高山峽谷河段的高壩大庫樞紐。水電站以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運和促進地方經濟社會發(fā)展。水庫正常蓄水位975 m，防洪限制水位952 m，死水位945 m。電站總裝機容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.3億kW·h。烏東德水電站主體工程于2015年12月24日開工建設，2020年1月15日開始下閘蓄水，2020年6月29日首批機組投產發(fā)電。烏東德水電站主要送電廣東、云南兩省，在非汛期來水不大、電站平均出力較小時，參與系統(tǒng)調峰；在汛期來水較豐、電站平均出力較大時，主要在基荷運行，不參與系統(tǒng)調峰。

白鶴灘水電站是烏東德水電站的下一梯級，距離烏東德水電站183 km，水庫回水最遠可至烏東德壩址。水庫正常蓄水位825 m，防洪限制水位785 m，死水位765 m。汛期6～7月間，水庫水位保持在防洪限制水位785 m附近；非汛期，水庫水位在死水位765 m至正常蓄水位825 m之間。白鶴灘水電站主體工程于2017年8月3日開工建設，預計2021年7月首臺機組投產發(fā)電。

1.2 河段概況

烏東德樞紐至白鶴灘樞紐河段全長183 km。其中，烏東德壩址-四斗種為白鶴灘水庫變動回水區(qū)，全長38 km；四斗種-白鶴灘壩址為白鶴灘水庫常年回水區(qū)，全長145 km。本文主要關注受烏東德電站調度運行影響較大的下游近壩段，即烏東德壩址-普渡河口河段，長約41 km。該河段為典型的高山峽谷河段，河道彎曲、狹窄、岸坡高陡、河床底坡大、灘險眾多，平均2.6 km一處灘險，著名的“灘王”——老君灘即位于該河段內(見圖1)。由于該河段灘多流急，在天然條件下難以通航，未來烏東德和白鶴灘兩樞紐建成運行后，該河段將表現出“水庫”與“河道”雙重屬性，通航條件與烏、白樞紐調度運行方式息息相關。尤其是在烏東德電站調峰運行時，下泄流量陡升陡降，將會導致下游河道水位陡漲陡落，嚴重影響航運安全。

圖1 烏東德水電站下游近壩段Fig.1 The near-dam reach of the Wudongde Hydropower Station

2 烏東德電站日調節(jié)非恒定流數學模擬

2.1 數學模型

2.1.1控制方程組及求解方法

采用圣維南方程組進行一維非恒定流模擬：

(1)

(2)

式中：Q為通過控制體的流量；A為過流面積；ql為側向單寬入流量；t為時間；x為沿著水流方向的距離；z為水面高程；Sf為x方向的阻力坡降。

圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，采用隱式有限差分法對上述控制方程組進行離散，并根據Newton-Raphson迭代方法求解水面線[11]。

2.1.2計算區(qū)域

計算區(qū)域在研究河段的基礎上適當拓展，選擇烏東德壩址-革勒坪約93 km的河段，其間布置了234個河道大斷面，斷面平均間距為398 m，最大斷面間距為6 060 m，最小斷面間距為39 m。河道寬度在90～250 m之間，河底高程起伏變化大，烏東德壩址至黃草坪段平均比降1.3‰，黃草坪至普渡河口段比降達5.5‰。

2.1.3參數率定

模型需要率定的參數主要為河道的糙率。采用2009年2月18日實測水面線(流量1 660 m3/s)數據對烏東德下游河段的糙率進行分段率定，結果顯示計算河段糙率在0.03～0.06之間。為滿足烏東德水電站工程建設需要，烏東德壩址下游約5.0 km處建有烏東德水文站，采用烏東德水文站2020年2月1～29日的最新實測水文資料進一步驗證計算模型，結果如圖2所示，可見計算與實測水位吻合較好，模型精度較高。

圖2 模型水位驗證Fig.2 Model validation by water level

2.2 計算條件

烏東德水電站共布置了12臺發(fā)電機組，左右岸各6臺，單臺發(fā)電機組啟閉將會引起流量的增減值在672.5 m3/s左右。為滿足南方電網負荷要求，烏東德水電站通常在非汛期承擔調峰任務，通過開關發(fā)電機組調節(jié)流量和發(fā)電量。

烏東德電站主要送電云南和廣東兩省，廣東省用電季節(jié)性特征明顯，夏季日負荷曲線表現為三峰三谷，冬季為兩峰兩谷；云南省由于水電占比較大，存在豐枯水差異，豐水期日負荷曲線表現為三峰三谷，枯水期則為兩峰兩谷。日調節(jié)非恒定流計算時，充分考慮電網日負荷特性、生態(tài)基流900 m3/s的下泄要求和可能的發(fā)電機組啟閉組合方式，擬定了4種典型的烏東德日調峰運行過程，如圖3所示。其中，第①、③種流量過程反映了三峰三谷用電特性，第②、④種流量過程則代表兩峰兩谷用電特性。從調峰幅度看，第①、②種日調峰過程相對極端，流量小時變幅分別為7 393 m3/s和5 833 m3/s；第③、④種日調峰過程較為典型，流量最大小時變幅分別為4 430 m3/s和2 776 m3/s。

圖3 烏東德水電站典型日調節(jié)下泄流量過程Fig.3 Discharge process under the typical daily regulation of the Wudongde Hydropower Station

計算下邊界革勒坪位于白鶴灘水庫常年回水區(qū)內，水面近乎水平，且近似等于白鶴灘庫水位。因此下邊界計算水位在白鶴灘水庫死水位至正常蓄水位之間取值，重點考慮死水位765 m，防洪限制水位785 m，庫水位800 m以及正常蓄水位825 m 4種特征水位。

普渡河口匯入流量取非汛期多年平均流量281 m3/s。

2.3 計算結果分析

2.3.1非恒定流傳播特性

為分析非恒定流在烏東德電站下游河道的傳播規(guī)律，以烏東德電站日下泄流量過程④、白鶴灘死水位765 m的計算條件為例，分析烏東德電站下游多個典型斷面水位隨時間的變化過程。在該日調節(jié)過程中，烏東德下泄流量在最初的1～7 h保持為恒定基流900 m3/s，之后7～12 h，15～23 h為兩個用電高峰時段，電站調峰運行，且11 h和19 h分別達到峰值流量3 987，5 127 m3/s。白鶴灘死水位765 m回水至四斗種，該工況下烏東德壩址至四斗種河段為天然河道。

從圖4顯示的下游典型斷面水位變化過程來看，烏東德壩址斷面水位變化與流量同步，且日內水位變化幅度最大可達到7.78 m；下游其它典型斷面非恒定流傳播所需的時間在0～3 h之間，具體而言，非恒定流傳播到施期(距壩5.5 km)、魯家村(距壩15.5 km)、黃草坪(距壩31.5 km)、四斗種(距壩38.5 km)、普渡河口(距壩41.0 km)所需的時間分別約為20 min，1 h，2 h，3 h，3 h。此外，非恒定流在烏東德下游河道傳播時總體呈現出衰減和坦化的規(guī)律，即距離烏東德壩址越遠的斷面，非恒定流影響越小、水位變化幅度越小。然而，在下游局部斷面，非恒定流影響并沒有表現為衰減反而增強，如黃草坪斷面，雖然距離烏東德壩址較遠，但日內水位變化仍然較大，達7.45 m，接近烏東德壩址斷面。經分析是由于黃草坪斷面位于黃草坪灘附近，河道狹窄、地形高凸、水深較淺，是天然卡口河段，相同流量變化帶來的水位變化明顯。整個烏東德下游河段還有多處類似卡口斷面。非恒定流傳播到四斗種和普渡河口處影響已經很小，水位變化不大，日水位變幅分別僅2.27 m和1.20 m。

圖4 典型斷面水位變化過程Fig.4 Water variation level at typical cross sections

2.3.2烏東德水電站調峰對水位變幅的影響

烏東德水電站調峰運行期間，下泄非恒定流在下游河道的傳播易引發(fā)水位陡漲陡落[12]。為研究電站調峰對下游河道水位變幅的影響，分別在白鶴灘電站死水位765 m(近壩段為天然河道)和正常蓄水位825 m(近壩段為庫區(qū)河道)兩種邊界條件下，改變?yōu)鯑|德電站日調節(jié)流量過程進行計算分析，相應的水位變幅分布見圖5。計算結果表明：烏東德水庫壩址下游河段的水位變幅與電站調峰流量變幅直接相關。通常而言，烏東德電站調峰幅度越大，即下泄的流量變幅越大，下游各斷面水位變幅就越大，反之亦然。以白鶴灘水庫死水位765 m控制為例，烏東德電站日調節(jié)流量過程由①～④，流量最大小時變幅依次減小(分別為7 393，5 833，4 430 m3/s和2 776 m3/s)，對應的各斷面水位變幅也依次減小(見表2)，如對應的烏東德水庫壩址斷面水位最大小時變幅分別為9.23，6.72，5.15，4.04 m/h，四斗種斷面相應的水位最大小時變幅分別為3.04，1.90，1.00，0.70 m/h。顯然，控制烏東德電站的泄流變化幅度對下游水位變幅控制十分有效。

圖5 不同日調節(jié)過程下水位變幅沿程分布Fig.5 Distribution of water level variation along the river under different daily regulations

從烏東德下游河段水位變幅沿程分布特點來看，在白鶴灘水庫保持死水位765 m運行時，烏東德水庫壩址至四斗種河段表現為天然河道，水位變幅劇烈(最大小時變幅在9.00 m/h以上，日變幅在13.00 m/h以上)，且沿程分布極不規(guī)則，壩下魯家村、黃草坪多個斷面出現劇烈起伏，見圖5(a)，這與高山峽谷河道灘多、水淺、卡口河段眾多、水位漲落大的特點有關。而當白鶴灘庫水位抬升至正常蓄水位825 m時，烏東德水庫壩下河段全部被回水淹沒，卡口河段消失，水位變幅沿程逐漸減小，見圖5(b)，這與平原地區(qū)或普通山區(qū)河流的水位變化規(guī)律基本一致。

表2 烏東德水電站不同日調節(jié)過程下典型斷面水位變幅Tab.2 Variation of water level at typical cross section under different daily regulations of Wudongde Hydropower Station m

2.3.3白鶴灘水庫水位變化對水位變幅的影響

烏東德水庫壩址至四斗種河段為白鶴灘水庫的變動回水區(qū)，因白鶴灘水庫水位的高低而表現出天然河道或庫區(qū)河道的屬性。因此，在烏東德水電站下泄流量過程保持不變的條件下(以日調峰過程④為例)，計算比較白鶴灘水庫水位分別取死水位765 m、防洪限制水位785 m、庫水位800 m以及正常蓄水位825 m 4種水位邊界下的水位變幅，水位變幅分布如圖6所示。顯然，隨著白鶴灘水庫水位的抬升，回水范圍向上延伸，計算河段由下而上逐步受到淹沒，被淹沒河段較之淹沒前水位變幅明顯減小，未被淹沒的河段水位變幅保持不變(見表3)。例如，當白鶴灘水庫水位在765，785 m和800 m時，回水末端尚未到壩下，壩下水位變幅在4.00 m/h左右，而當白鶴灘水庫以正常蓄水位825 m運行時，烏東德水庫下游全河段都被白鶴灘水庫回水淹沒，壩下水位最大小時變幅減小至2.20 m/h。

從水動力原理上來說，水位變幅除了受流量變幅直接影響外，還與河道基礎水深(或初始過流斷面面積)有關[13-14]。當烏東德電站下游某一河段受白鶴灘水庫回水淹沒后，河道水深或過流斷面面積增大，相同流量變化引起的水位變化較淹沒前減小。此外，水位變幅還與非恒定流波能耗散有關[7]。如白鶴灘水庫水位由800 m抬升至825 m時，黃草坪至普渡河口段水位變幅并沒有減小，反之略有增大(見表3)。這是由于白鶴灘庫水位在800 m時，烏東德水庫壩下22 km左右河段屬于天然河道，水深小、流速大、河床阻力大，非恒定流波能耗散快；而當白鶴灘水庫水位抬升至825 m時，烏東德水庫下游河段均被白鶴水庫灘回水淹沒，水深大、流速平緩、河床阻力小，波能耗散慢。雖然在黃草坪以上河段由于基礎水深顯著增大，825 m工況對應的水位變幅小于800 m水位工況，但在黃草坪及以下河段，水深因素不再占據主導，波能差異導致825 m工況對應的水位變幅反而略大于800 m水位工況。

圖6 白鶴灘水庫不同庫水位條件下水位變幅沿程分布 (烏東德水庫日調峰過程④ )Fig.6 Distribution of water level variation along the river under different Baihetan Reservoir level conditions (based on the Daily Regulation 4)

表3 白鶴灘水庫不同庫水位條件下典型斷面水位變幅Tab.3 Variation of water level at typical cross section under different reservoir water level conditions Baihetan Reservoir m

2.4 高山峽谷河段水位變幅特點

通過對烏東德電站下游河段水位變幅規(guī)律的分析，可以得知，與平原或普通山區(qū)河流相比，高山峽谷河段在電站運行影響下的水位變幅具有如下特點：

(1) 水流非恒定性強，水位變幅大。對于平原或普通山區(qū)河流而言，由于地勢平坦、水面寬闊，電站調峰運行在下游河道產生的水位變幅通常不大，如三峽-葛洲壩兩壩間河段水位日變幅最大在3.0～4.0 m/d，小時變幅最大在1.2 m/h以內[7]；烏江渡樞紐下游水位小時變幅最大約4.0 m/h[9]；金沙江向家壩水電站下游水位日變幅最大約4.5 m/d，小時變幅最大在1.5 m/h左右[10]。而烏東德水庫下水位日變幅最大超過13.0 m/d，小時變幅最大達9.0 m/h以上，水位變幅遠大于平原或普通山區(qū)河流。這主要是由于高山峽谷河段河道狹窄、灘險眾多、岸坡高陡的地形特點，也與電站調峰容量大有一定關系[15]。

(2) 水位波動整體沿河段衰減和坦化，但局部增強。非恒定流在平原或普通山區(qū)河流的傳播過程中，一般會隨著能量消耗而表現出波形逐漸坦化、衰減的現象，直至最后影響消失，水位不再變化[16]。但在高山峽谷河段，由于急流、險灘等卡口斷面較多，非恒定流傳播至此類河段時不會按預期衰減，反而影響會大大增強，局部水位變幅顯著增大。

3 適航區(qū)域分析

3.1 水位變幅控制指標

對電站樞紐下游河段而言，為了防止非恒定流引發(fā)的水位變幅對航運帶來的不利影響，通常采用水位變幅指標進行控制。當河段內實際水位變幅超出相應的控制指標時，要求該河段停航；或者為了保證某一河段航運安全，要求水位變幅不超過相應的限制，從而對電站運行提出反要求。常用的水位變幅指標有兩個：水位最大日變幅和最大小時變幅，由于小時變幅指標更靈活，對航運的影響更直接，本文采用水位最大小時變幅作為適航區(qū)域的劃分指標。從長江三峽、金沙江向家壩和溪洛渡、嘉陵江亭子口等已建樞紐下游通航河段的運行實踐來看，平原及普通山區(qū)河流航運安全通常要求水位最大小時變幅不超過1.0 m/h[8-10]。對于烏東德水電站下游河段而言，考慮高山峽谷河段水位陡漲陡落的特性以及設計代表船型對水位變幅的適應性，適當放寬水位變幅限制，采用水位小時變幅不超過1.5 m/h作為控制指標。

3.2 適航區(qū)域分析

由烏東德電站日調節(jié)非恒定流計算結果可知，烏東德水庫壩址至四斗種河段(即白鶴灘水庫變動回水區(qū))受非恒定流影響顯著，水位變幅劇烈，尤其是在白鶴灘水庫低水位運行時。為進一步研究四斗種處是否適合通航，將烏東德水庫泄流過程①～④和白鶴灘水庫4種水位邊界(由低到高分別為765，785，800 m和825 m)進行組合，計算出16種組合工況下四斗種處的水位變幅，見表4。由表4可知，除了個別極端工況外(如白鶴灘水庫以死水位765 m運行、烏東德水庫以極端調峰流量過程①和②下泄)，四斗種處的水位最大小時變幅均在1.5 m/h以內。并且，根據白鶴灘水庫初步設計階段擬定的水位運行規(guī)則，白鶴灘水庫只有在每年6月初才會在死水位附近短暫運行，水位在765～770 m之間運行的時間僅為全年的2.8%左右，換言之，四斗種處水位變幅超過1.5 m/h的時間很短，四斗種處通航保證率較高。結合四斗種以下非恒定流逐漸坦化和消減的規(guī)律可知，四斗種及以下河段可常年滿足船舶安全航行的水位變幅要求。

綜上所述，從水位變幅的角度，初步認為四斗種以下河段(即白鶴灘水庫常年回水區(qū))受烏東德電站日調節(jié)非恒定流影響較小，為適航區(qū)域。

表4 四斗種處水位最大小時變幅Tab.4 Maximum hourly variation of water level at Sidouzhong m/h

4 水位變幅控制措施

4.1 上游電站調峰泄流控制

樞紐渠化河段的水位變幅通常是由上游電站日調節(jié)運行產生的非恒定流引起的，因此水位變幅與電站下泄流量變化息息相關。研究表明，烏東德水電站單機容量大、下游河道狹窄，電站每開關一臺機組，下游河道水位變幅為1.0～1.5 m。若短時間內水輪機開關機頻繁，則下游水位就會出現陡漲陡落。為了使下游通航河段內水位變幅滿足船舶通航安全要求，應控制烏東德水電站下泄流量的變幅和變率(小時變幅)。根據表4結果推算，在白鶴灘水庫以死水位765 m運行時，若要求四斗種以下河段水位變幅不超過1.0 m/h，則烏東德日調節(jié)下泄流量的最大小時變幅不能超過4 430 m3/s；若水位小時變幅以1.5 m/h作為控制標準，則烏東德泄流變幅應控制在5 100 m3/s以內。隨著白鶴灘水庫水位的抬升，四斗種以下河段安全通航對烏東德電站泄流變幅控制要求可逐步放寬。但若通航范圍延伸至四斗種以上，則需加強烏東德電站泄流變幅控制。

4.2 下游樞紐反調節(jié)

除流量變化直接影響外，河段水位變幅還受下游樞紐反調節(jié)運行的影響。研究表明：當白鶴灘水庫以低水位(如死水位765 m)運行時，烏東德水庫壩下河段不受回水影響，表現為天然河道屬性，水位變幅劇烈；隨著白鶴灘水庫水位的抬升，回水范圍向上延升，回水淹沒河段水流條件得以優(yōu)化，水位變幅逐步減小，最大降幅約5.0 m/h。因此，從保障航運安全、延長通航范圍的角度，建議白鶴灘水庫枯水期盡量以高水位運行。

4.3 河道整治

烏東德水電站下游近壩段水位變幅劇烈，除了電站裝機容量大、調峰幅度大之外，獨特河道地形也是水位陡漲陡落的重要原因。烏東德電站所在的金沙江下游河段屬于高山峽谷地帶，河道彎曲、狹窄、灘險眾多，較小的流量變化易引發(fā)明顯的水位變幅。從水位變幅沿程分布來看，烏東德壩址附近(0～2 km)、魯家村附近(12～18 km)、黃草坪附近(32～34 km)為水位變幅較大的3處位置，經核查這些位置均分布有大型灘體，地形高凸、河寬較窄，過流斷面較小。若對這些卡口段進行適當的河道拓挖和整治，增大過流斷面面積，將有效減小局部河段的水位變幅。

5 結 論

本文以金沙江烏東德水電站為例，通過一維非恒定流數學模擬，研究了樞紐運行對下游河段的水位變幅規(guī)律的影響、劃分了適航區(qū)域以及提出了水位變幅控制措施等。研究結果表明：

(1) 水電站日調節(jié)產生的非恒定流過程影響強烈，下游河段水位變幅巨大；水位波動整體沿河段衰減和坦化，但局部增強。

(2) 就烏東德水電站下游河段而言，烏東德壩址至四斗種河段水位變幅較大，小時變幅最大可達9.0 m/h，遠大于普通山區(qū)河流的水位變幅，不適宜通航；四斗種以下河段水位變幅較小，通常在1.5 m/h以下，可作為適航區(qū)域。

(3) 為減小水位變幅，可采取減小電站調峰幅度、建立反調節(jié)樞紐實行水位反調節(jié)、對局部卡口河段進行河道疏挖等措施。

(4) 樞紐建成運行后，還需加強下游河段非恒定流觀測，根據實際水位變幅情況和船舶航行特性，進一步優(yōu)化樞紐調度方案、完善適航區(qū)域的劃分。