方 偉，蔣孜偉

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國建設(shè)了一大批大中型水利樞紐，工程建成后，由于裝機(jī)容量大、引用流量多，電站汛期調(diào)度運(yùn)行方式不同，大壩泄流以及電站引水可能使河道水流條件與天然情況相比發(fā)生較大變化.分散泄流屬于電站運(yùn)行較為普遍的一種工況，它是指電站機(jī)組發(fā)電、泄洪閘泄洪等工況組合在一起的泄流方式.采用分散泄流的方式，一方面是為了保證發(fā)電站的正常運(yùn)行，在不同的入庫流量下，要開啟相應(yīng)臺(tái)數(shù)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電.二是滿足大壩泄洪的需要，在不同的入庫流量下，開啟不同的孔口泄流.由于電站分散泄流在時(shí)間和空間上的分配不均勻，對(duì)下游引航道口門區(qū)域通航水流條件產(chǎn)生了極不利的影響，因此國內(nèi)學(xué)者對(duì)大壩泄流下游水流特性做了廣泛研究.樂培九等[1]根據(jù)電站日調(diào)節(jié)方式和非恒定流運(yùn)動(dòng)特性，提出了日調(diào)節(jié)對(duì)航深影響距離的估算方法；張緒進(jìn)等[2]對(duì)瀾滄江景洪電站進(jìn)行了物理模型研究，提出了電站運(yùn)行工況的流量最大日變幅以及小時(shí)變幅是影響下游水流變化的重要因素；楊文俊等[3]研究了三峽大壩泄洪及船閘充泄水非恒定流對(duì)上、下引航道通航影響；黃穎等[4]研究了三峽水電站日調(diào)節(jié)對(duì)下游河道水面比降的影響；舒榮龍等[5]研究了三峽調(diào)峰對(duì)兩壩間通航條件影響；曹民雄等[6]在整理大量文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電站泄流對(duì)壩下游航道產(chǎn)生的影響，提出了應(yīng)對(duì)的策略和整治措施.

目前水工模型試驗(yàn)是優(yōu)化泄水建筑物設(shè)計(jì)、研究河道水流特性的重要手段，上述研究亦是從物理模型試驗(yàn)方向展開，而本文研究泄流空間分布采用的工況較多，采用物理模型需進(jìn)行大量周期性觀測性試驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算周期相對(duì)較短，地形易改動(dòng)，時(shí)間和空間調(diào)整靈活等特點(diǎn)[7]，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以景洪電站為例，對(duì)景洪水利樞紐分散泄流水流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.

1 景洪電站樞紐概況

瀾滄江流經(jīng)我國西南邊陲，是連接我國西南地區(qū)與南亞地區(qū)的國際性航運(yùn)河流.景洪水利樞紐位于瀾滄江干流下游，云南省西雙版納州景洪市北5 km處，電站距昆明公路里程約575 km，是云南省境內(nèi)瀾滄江中下游河段規(guī)劃8個(gè)梯級(jí)電站中的第6級(jí)，樞紐布置(見圖1)[8-9].景洪水利樞紐主體建筑物包括攔河大壩、泄洪沖沙建筑物、電站廠房及通航建筑物等.電站壩軸線全長約300 m，電站布置在左岸重力壩后，為壩后式地面廠房，電站廠房內(nèi)安裝有5臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為1 750 MW.溢洪道位于右岸，采用7個(gè)表孔泄流.

圖1 景洪電站樞紐總平面布置

2 景洪電站分散泄流的模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

采用沿水深平均的封閉淺水方程組描述二維水流的運(yùn)動(dòng)，基本控制方程為：

(1)水流連續(xù)方程

(1)

(2)x方向動(dòng)量方程

(2)

(3)y方向動(dòng)量方程

(3)

以上各式中：t—時(shí)間；

u、v—分別為x、y方向的流速；

h—水深；η—河床高程；

g—重力加速度；

εxx、εyy、εxy—紊動(dòng)粘滯系數(shù)，取αu*h，α=3～5；u*—摩阻流速.

圖2為景洪電站至下游景洪老大橋間的河段網(wǎng)格劃分圖，計(jì)算河段全長約4.0 km，共15 402個(gè)單元，31 597個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中在引航道附近進(jìn)行了局部加密處理，以更準(zhǔn)確模擬航道水流效果.該河段率定糙率在0.025～0.045之間，水位驗(yàn)證偏差值最大為0.067 m，流速驗(yàn)證值大小、分布、最大值、最小值的位置均與實(shí)測資料較為一致，偏差基本控制在±10%以內(nèi).對(duì)比數(shù)模計(jì)算的流場與實(shí)測的浮標(biāo)跡線，不論流跡線的收縮或擴(kuò)散位置，流速值的大小及流向，數(shù)模計(jì)算結(jié)果與實(shí)測浮標(biāo)跡線走向均達(dá)到了基本一致.二維水流數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理，能正確模擬河道的水流，可進(jìn)行下一步工程前后河道流場的計(jì)算.

2.2 電站分散泄流工況

為全面模擬景洪電站不同時(shí)段的泄流情況，筆者選定了包括洪、中、枯在內(nèi)的4級(jí)流量(Q=504 m3/s、1 500 m3/s、3 000 m3/s、8 967 m3/s)進(jìn)行數(shù)值模擬研究.大壩軸線以60 m為一單位泄流寬，劃分為5段，采用從左到右、從右到左、從中間到兩邊以及全斷面泄流4種開啟方式，試驗(yàn)工況(見表1).圖3給出了全斷面泄流(300)以及在一個(gè)泄流寬度下從左到右(L_60)、從右到左(R_60)、從中間到兩邊(M_60)的泄流位置作為參考，其它流量，泄流寬度對(duì)應(yīng)的工況可類推.

圖2 局部網(wǎng)格劃分圖

工況流量/(m3/s)泄流位置/m1504300工況流量/(m3/s)泄流位置/m141 500L_180工況流量/(m3/s)泄流位置/m273 000M_120工況流量/(m3/s)泄流位置/m408 967R_6021 500300153 000L_180288 967M_12041504R_12033 000300168 967L_18029504M_180421 500R_12048 96730017504L_240301 500M_180433 000R_1205504L_60181 500L_240313 000M_180448 967R_12061 500L_60193 000L_240328 967M_18045504R_18073 000L_60208 967L_24033504M_240461 500R_18088 967L_6021504M_60341 500M_240473 000R_1809504L_120221 500M_60353 000M_240488 967R_180101 500L_120233 000M_60368 967M_24049504R_240113 000L_120248 967M_6037504R_60501 500R_240128 967L_12025504M_120381 500R_60513 000R_24013504L_180261 500M_120393 000R_60528 967R_240

注：L表示從左往右開不同的泄流寬度，M表示從中間往兩邊開不同的泄流寬度，R表示從右往左開不同的泄流寬度，300表示全開.

圖3 分散泄流位置

2.3 流場一致判別標(biāo)準(zhǔn)

泄流流量相同的情況下，大壩全斷面泄流的流場與部分開閘泄流的流場有差異，但隨著沿程距離的增加，兩者之間的差異會(huì)逐漸減小.一般情況下，只要找到一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算值在其允許范圍之內(nèi)則可視為部分開閘泄流的流場與天然河道流場趨于一致.而從概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)出發(fā)，我們可以采用變異系數(shù)判別指標(biāo)，它是衡量資料中各個(gè)觀測值變異程度差異的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，描述了測定結(jié)果的偏差程度，在本文中即斷面流速的均方差與全斷面平均流速的比值.判別標(biāo)準(zhǔn)σ表達(dá)式如下：

(1)

流速統(tǒng)計(jì)點(diǎn)沿?cái)嗝娣植嫉拈g距為10 m.

σ的限值目前沒有定論，本文認(rèn)為對(duì)河道的影響程度而言，其允許范圍值在5%以內(nèi)為宜，此時(shí)σ=5%處距大壩泄流斷面的距離即為所求的沿程距，用S表示.

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

以該判別標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，得到了各工況下沿程距與流量之間的關(guān)系，現(xiàn)加以分析.

(1)從左往右開，不同開口寬度，不同流量下的S值

由圖4分析，4組流量在L_60 m開度情況下，沿程距最大.在同組流量下，隨著開口寬度增加，沿程距逐漸減小.由此說明：在相同流量下，開口寬度越小，流態(tài)越紊亂，所需要的恢復(fù)到與全斷面泄流流場一致的距離就越大，對(duì)下游流場影響范圍越遠(yuǎn).而當(dāng)開口寬度相同，流量越大，沿程距S越大，對(duì)下游影響范圍亦越大.

(2)從中間往兩邊開，不同開口寬度，不同流量下的S值

由圖5為由中向兩側(cè)開啟的方式，此種開口方式下沿程距變化趨勢同圖3一致，區(qū)別在于隨著開口寬度增加，沿程距減小的趨勢更為平緩.

(3)從右往左開，不同開口寬度，不同流量下的S值

圖6為從右向左側(cè)開啟，此種開口方式下的沿程距與前兩種情況不同之處是504 m3/s、1 500 m3/s、3 000 m3/s的流量下，開口寬度由60 m增加到120 m的情況下，所對(duì)應(yīng)的沿程距的差值很小，原因在于右岸溢洪道出口處的底部高程為530 m，在下游140 m之后的地形高程增加到534 m，在流量不大的情況下，水流被阻擋，因而造成了不同組流量間沿程距差別不大的現(xiàn)象.隨著開口寬度的增加，地形對(duì)水流的阻擋作用逐漸削弱，在沿程距為180 m時(shí)流量之間的差別又顯現(xiàn)出來.

(4)同一流量下的最大沿程距S

由圖4～圖6比較分析可知，Q=504、1 500、3 000、8 967 m3/s沿程距的最大值分別為423.6 m、473.8 m、540.4 m、739.3 m，并且這四組流量沿程距S的最大值都出現(xiàn)在左岸.

(5)沿程距S與流量的關(guān)系擬合

通過以上的分析，采用指數(shù)衰減函數(shù)擬合，建立了最大沿程距S與流量Q之間的關(guān)系式(見圖7).R2為相關(guān)系數(shù)，其值越接近于1，說明擬合程度越好.

圖4 開口寬度與S的關(guān)系(左至右)

圖5 開口寬度與S的關(guān)系(中間至兩邊)

圖6 開口寬度與S的關(guān)系(右至左)

圖7 S-Q的關(guān)系

4 結(jié) 語

以景洪電站為例，建立了平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬了不同流量和泄流寬情況下大壩泄流對(duì)壩后流場影響的范圍.為了定量分析分散泄流對(duì)下游流場影響范圍，采用流場一致的判別指標(biāo)計(jì)算，獲得了不同流量分散泄流的沿程距，并對(duì)開口位置、寬度、流量與沿程距之間的關(guān)系進(jìn)行了探討.分析得到：流量越大，開口寬度越小，沿程距越大.同時(shí)，結(jié)合地形條件分析，開口位置對(duì)沿程距影響最大出現(xiàn)在左岸處.通過模型計(jì)算數(shù)據(jù)，擬合得到了沿程距和流量之間的關(guān)系式，為確保汛期船舶的行船安全情況下，為大壩孔口泄流提供了科學(xué)依據(jù).

參考文獻(xiàn)：

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信息啟示

“河長制”考核讓學(xué)生在實(shí)踐中成長

“丁宅鄉(xiāng)河道變化最大的就屬這條揚(yáng)沙河了.原來河道里生活垃圾、枯草爛葉飄浮長達(dá)10多米，現(xiàn)在河里垃圾少了，水清了.不信你聞聞，純綠色生態(tài)泥土味.”浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院(簡稱水環(huán)學(xué)院)學(xué)生魏宇雷面對(duì)著眼前揚(yáng)沙河這汪清水高興地和筆者打趣.

10月14日，魏宇雷和同伴們揣著活頁夾、相機(jī)奔走在鄉(xiāng)間小路上.正午的太陽和揚(yáng)起的沙塵讓魏宇雷的眼睛瞇成一條線.自從今年4月水環(huán)學(xué)院承接了上虞區(qū)“河長制”管理考核工作，魏宇雷就跟隨指導(dǎo)老師定期對(duì)紹興市上虞區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行“河長制”考核.今天是他第3次隨同老師深入丁宅鄉(xiāng)進(jìn)行河道抽查.內(nèi)頁臺(tái)帳資料、外頁現(xiàn)場勘查，GPS定位留檔，經(jīng)過前期的老師指導(dǎo)，魏宇雷已經(jīng)可以獨(dú)立完成前期的考核工作.

根據(jù)水利廳要求，丁宅鄉(xiāng)14條河道中需要隨機(jī)抽取12條進(jìn)行考核，每條河道抽出3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢查.但魏宇雷和同伴們?yōu)榱吮M可能反映河道實(shí)情，總是多跑幾百米，在源頭、中段、下游取上4、5個(gè)點(diǎn)，并詳細(xì)做好記錄備案.“既然來了我們就不能走馬觀花，應(yīng)該真真切切把成果反映出來，把問題找出來.”魏宇雷一臉認(rèn)真地說，“所以每次我們都跑得比當(dāng)?shù)剞r(nóng)辦干部快，搶在他們前面把有問題的河道拍下來作為憑證.事實(shí)依據(jù)充分了，考核才會(huì)公平公正.”

如今魏宇雷已經(jīng)跑了大半個(gè)上虞，不僅對(duì)上虞區(qū)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的河道基本情況能說個(gè)二三四，而且對(duì)當(dāng)前我省“五水共治”理解得更為透徹.“五水共治”是一項(xiàng)戰(zhàn)略決策，但它必定落腳于一樁樁具體任務(wù)中.“以前我們把水環(huán)境保護(hù)概論等專業(yè)課只當(dāng)作是故事聽聽，有了這次實(shí)踐之后，我們真正體會(huì)到水環(huán)境保護(hù)的緊迫性.實(shí)踐得真知呀.”他還不失幽默地套用一句廣告詞概括自己實(shí)習(xí)收獲：“臉黑了，人精了，媽媽再也不用擔(dān)心我學(xué)習(xí)了.”

水環(huán)學(xué)院黨總支書記王俊萍說：“學(xué)院承接此項(xiàng)課題不僅減輕地方水利局壓力，為‘河長制’管理考核客觀公正發(fā)揮了作用，而且也為學(xué)生參與到實(shí)踐活動(dòng)中創(chuàng)造了機(jī)會(huì).通過真刀真槍的實(shí)踐，對(duì)提升學(xué)生的專業(yè)技能、團(tuán)隊(duì)合作、人際溝通等綜合素質(zhì)很有幫助.”

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)