徐軍輝，鄧 偉

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

近年來(lái)，我國(guó)水電事業(yè)蓬勃發(fā)展，按照“流域、梯級(jí)、滾動(dòng)、綜合”開(kāi)發(fā)方針，正在形成以黃河、烏江、瀾滄江等為代表的規(guī)模巨大的梯級(jí)水庫(kù)群，梯級(jí)水庫(kù)群的形成極大地改變了河川徑流的自然規(guī)律。其中水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)受上游電站泄流及下游電站壩前水位的雙重影響，航道條件時(shí)好時(shí)壞，而影響航道條件的主要因素為河道水位，設(shè)計(jì)最低通航水位的確定對(duì)變動(dòng)回水區(qū)航道整治工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

目前天然河流的設(shè)計(jì)最低通航水位確定方法較為成熟，一般對(duì)多年水位資料采用綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法進(jìn)行計(jì)算，而變動(dòng)回水區(qū)河段設(shè)計(jì)最低通航水位確定方法可供參考研究成果[1-6]較少，設(shè)計(jì)最低通航水位保證率主要以流量為指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而且一般流量保證率無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)，各家均根據(jù)研究水庫(kù)特點(diǎn)選擇保證率，取值不一，無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[7]和《港口與航道水文規(guī)范》[8]關(guān)于通航河流樞紐上游河段設(shè)計(jì)通航水位的確定，采用多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，得出多組回水曲線，取其下包絡(luò)線作為沿程各點(diǎn)的最低通航水位。同時(shí)，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》條文補(bǔ)充說(shuō)明了確定通航水位時(shí)，應(yīng)充分考慮壩前特征水位與相應(yīng)入庫(kù)流量的不同組合，以可能出現(xiàn)的最低水位作為設(shè)計(jì)最低通航水位。

規(guī)范考慮了庫(kù)區(qū)水位受壩前水位及入庫(kù)流量的雙重影響，以其中一個(gè)因素作為控制，對(duì)另外一個(gè)因素進(jìn)行多種組合，選擇最低水位作為設(shè)計(jì)最低通航水位。然而在設(shè)計(jì)工況的選取中，多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合中相應(yīng)壩前消落水位，以及壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合中相應(yīng)的入庫(kù)流量難以確定，因?yàn)樘菁?jí)電站入庫(kù)流量與壩前水位完全受人為調(diào)控，且兩者并無(wú)直接關(guān)系，若取多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與歷史上出現(xiàn)過(guò)的最低壩前消落水位，或者壩前死水位或最低運(yùn)行水位與歷史上出現(xiàn)最小下泄流量進(jìn)行組合，可能出現(xiàn)代表性不足的情況。規(guī)范未考慮兩個(gè)因素的組合概率，工況組合的選取具有一定的偶然性。

部分項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中選取極端工況，即多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與壩前死水位或最低運(yùn)行水位進(jìn)行組合，但實(shí)際該工況組合出現(xiàn)的概率很小，最終可能出現(xiàn)為了確保很小概率工況通航而投入大量資金進(jìn)行整治的問(wèn)題，這將造成投資的重大浪費(fèi)，而且對(duì)于多年歷時(shí)保證率入庫(kù)流量很小的庫(kù)區(qū)，航道整治工程實(shí)施難度很大。

本文以烏江梯級(jí)電站中沙陀變動(dòng)回水區(qū)為例，對(duì)入庫(kù)流量、壩前水位及其組合進(jìn)行分析，探討梯級(jí)電站變動(dòng)回水區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位確定方法。

1 烏江沙陀庫(kù)區(qū)概況

烏江流域規(guī)劃有白馬、銀盤樞紐、彭水、沙陀、思林、構(gòu)皮灘、烏江渡、索風(fēng)營(yíng)、東風(fēng)、洪家渡、引子渡、普定等11級(jí)水利樞紐(其中洪家渡位于北源六沖河，引子渡、普定位于南源三汊河)，兩源交匯口以下梯級(jí)見(jiàn)圖1。

圖1 烏江梯級(jí)電站(兩源交匯口以下)

沙陀水電站位于貴州省沿河縣上游約7 km處，是烏江干流上貴州省境內(nèi)最后一個(gè)梯級(jí)，距上游思林水電站116 km。沙陀樞紐工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、防洪、灌溉等綜合效益。沙陀樞紐屬日周調(diào)節(jié)水庫(kù)。沙陀水電站于2013年5月11日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2013年6月13日4臺(tái)機(jī)組相繼全部投產(chǎn)發(fā)電。

思林樞紐位于沙陀樞紐上游，擔(dān)負(fù)發(fā)電、航運(yùn)、防洪、灌溉等綜合利用任務(wù)。思林樞紐具備季調(diào)節(jié)性能，按日、周調(diào)節(jié)運(yùn)行。思林電站2006年11月開(kāi)工建設(shè)，2009年全部機(jī)組發(fā)電。

2 入庫(kù)流量及壩前水位分析

2.1 入庫(kù)流量

沙陀庫(kù)區(qū)上一級(jí)樞紐為思林電站，思林電站出庫(kù)流量即為沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量。思林電站2014年5月—2017年5月日均出庫(kù)流量見(jiàn)圖2。沙陀庫(kù)區(qū)月平均入庫(kù)流量年內(nèi)分配見(jiàn)表1。汛期5—10月入庫(kù)流量較大，汛期月平均入庫(kù)流量為944 m3s，枯期11—次年5月月平均入庫(kù)流量為445 m3s，全年平均入庫(kù)流量為780.3 m3s。思林庫(kù)區(qū)98%保證率出庫(kù)流量為197 m3s。

圖2 2014年5月—2017年5月沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量過(guò)程

表1 沙陀庫(kù)區(qū)水文年月平均入庫(kù)流量年內(nèi)分配

2.2 沙陀庫(kù)區(qū)壩前水位

根據(jù)電站設(shè)計(jì)報(bào)告，沙陀電站正常運(yùn)行期間發(fā)電調(diào)度計(jì)劃為：沙陀水電站的發(fā)電以利用水頭為主，在滿足其他綜合利用的前提下盡量保持高水位運(yùn)行。在汛期6—8月，為滿足上、下游防洪需要，水庫(kù)汛期限制水位357 m；在滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求后，水庫(kù)可進(jìn)行日調(diào)節(jié)，電站發(fā)電時(shí)水位在353.5～357.0 m運(yùn)行；非汛期時(shí)，水庫(kù)無(wú)防洪要求，須進(jìn)行日調(diào)節(jié)，承擔(dān)事故備用及負(fù)荷備用，此時(shí)水庫(kù)可保持較高水位362.43～365.00 m運(yùn)行，以便充分利用入庫(kù)流量多發(fā)電。

從近年來(lái)沙陀壩前水位資料來(lái)看(圖3)，烏江主汛期為6—8月，汛前沙陀壩前水位降低，汛期水位上升，枯期維持高水運(yùn)行。近3 a資料表明，沙陀壩前水位并未完全按照調(diào)度方案運(yùn)行，部分時(shí)段可能出現(xiàn)非汛期蓄水不足而導(dǎo)致壩前水位較低，但該工況持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。

圖3 2015年5月—2016年5月沙陀庫(kù)區(qū)壩前水位過(guò)程

2.3 沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位遭遇組合

點(diǎn)繪沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位關(guān)系，見(jiàn)圖4。從圖4可看出，當(dāng)沙陀庫(kù)區(qū)壩前水位較低時(shí)，一般入庫(kù)流量較大；而當(dāng)入庫(kù)流量較小時(shí)，一般壩前水位較高。統(tǒng)計(jì)沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位遭遇組合出現(xiàn)概率，見(jiàn)表2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，近年來(lái)沙陀壩上未出現(xiàn)死水位353.5 m，沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)小流量與壩前低水位組合遭遇概率較低。入庫(kù)流量小于300 m3s且壩前水位低于355 m的概率為0.62%，入庫(kù)流量小于2 000 m3s且壩前水位低于365 m的概率為98.97%。

圖4 沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位關(guān)系

表2 2013—2017年沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位遭遇組合概率 %

注：組合概率為入庫(kù)流量與電站壩前水位均小于表中數(shù)值的天數(shù)占統(tǒng)計(jì)總天數(shù)的百分比。

3 設(shè)計(jì)最低通航水位的確定標(biāo)準(zhǔn)

3.1 傳統(tǒng)方法

烏江沙陀庫(kù)區(qū)規(guī)劃航道等級(jí)為III級(jí)。按照規(guī)范要求，沙陀庫(kù)區(qū)最低通航水位應(yīng)取98%保證率的入庫(kù)流量(197 m3s)與相應(yīng)的壩前消落水位組合，以及最低運(yùn)行水位(353.8 m)與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，并取其包絡(luò)線作為設(shè)計(jì)最低通航水位。從圖4可看出，入庫(kù)流量小且相應(yīng)的壩前水位低的區(qū)域點(diǎn)距稀疏，對(duì)應(yīng)的水位或流量的選取具有一定的隨機(jī)性。若選擇極端工況，取98%保證率的入庫(kù)流量(197 m3s)與死水位(353.5 m)進(jìn)行組合(極端工況出現(xiàn)概率小，但不排除出現(xiàn)的可能。如金沙江金安橋電站庫(kù)區(qū)2017年出現(xiàn)入庫(kù)小流量遭遇死水位組合)，雖然穩(wěn)妥，但按此水位進(jìn)行設(shè)計(jì)須對(duì)河道進(jìn)行大開(kāi)挖，在現(xiàn)有河道中形成人工深槽，這將導(dǎo)致河道水位出現(xiàn)明顯下降，河道開(kāi)挖上延至上一級(jí)樞紐壩下將對(duì)上一級(jí)樞紐的穩(wěn)定性和安全性造成影響。

3.2 水位流量組合的保證率

以往的研究只考慮了入庫(kù)流量的保證率，但對(duì)于梯級(jí)電站，庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量小不一定水深條件差，非汛期入庫(kù)流量較小，但壩前水位較高，變動(dòng)回水區(qū)水深可滿足通航要求；汛期壩前水位較低，但入庫(kù)流量較大，變動(dòng)回水區(qū)水深同樣可滿足通航要求，因此只考慮流量保證率不能代表變動(dòng)回水區(qū)實(shí)際設(shè)計(jì)最低通航水位保證率。此外，在工況組合的選取中，當(dāng)選擇多年歷時(shí)保證率流量或壩前水位作為控制因子，另一非控制因子的確定具有一定的隨機(jī)性?？紤]到上述缺陷，本文提出采用水位流量組合保證率確定航道水深保證率。

以整治河段末端斷面作為控制斷面，首先假定該斷面水深不小于設(shè)計(jì)通航水深，即認(rèn)為整治河段水深均滿足設(shè)計(jì)通航水深要求。對(duì)于整治河段，當(dāng)入庫(kù)流量大于最小通航流量Qmin時(shí)，不論壩前水位多少，航道水深h均滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)壩前水位高于最低淹沒(méi)水位H淹沒(méi)(即入庫(kù)流量為上一級(jí)電站下泄基流條件Q基下，整治河段末端斷面航道水深h不小于設(shè)計(jì)通航水深時(shí)的水位)時(shí)，不論入庫(kù)流量多少，整治河段航道水深h也均能滿足設(shè)計(jì)要求(圖5)。

圖5 整治河段工況

上述兩種情況均為極端工況，通過(guò)試算可得到變動(dòng)回水區(qū)滿足設(shè)計(jì)通航水深所需的臨界入庫(kù)流量與壩前水位組合曲線(圖6)，曲線以外各工況組合均能滿足設(shè)計(jì)通航水深要求。因此利用該曲線即可統(tǒng)計(jì)確定航道的最小水深保證率。

圖6 梯級(jí)電站庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位組合

在實(shí)際操作中，曲線須通過(guò)不斷試算得到，過(guò)程較為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化該過(guò)程，同時(shí)利于制定梯級(jí)電站航運(yùn)調(diào)度方案，可將該曲線簡(jiǎn)化成折線。雖然設(shè)計(jì)最低通航水位保證率有小幅降低，但降低幅度很小。因此，整治河段最小水深保證率的確定轉(zhuǎn)化為圖6中區(qū)域A的概率的統(tǒng)計(jì)。從圖6可看出，整治河段水深條件不滿足要求的情況是上一級(jí)電站下泄流量小于其最小通航流量Qmin，且壩前水位低于最低淹沒(méi)水位H淹沒(méi)。因此梯級(jí)電站庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)航道水深保證率，即流量與水位組合保證率計(jì)算公式為：

P=1-P′

(1)

式中：P為庫(kù)區(qū)河道水深滿足設(shè)計(jì)要求保證率；P′為上一級(jí)電站下泄流量小于其最小通航流量Qmin且壩前水位低于最低淹沒(méi)水位H淹沒(méi)的概率。

3.3 設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算步驟

1)參照GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》對(duì)保證率的要求，確定整治河段航道設(shè)計(jì)最小水深保證率P、P′。

2)確定水位流量曲線圖中H淹沒(méi)與Qmin的初值H′淹沒(méi)與Q′min。H′淹沒(méi)可取上游電站下泄基流條件下整治河段末端控制斷面最小水深等于設(shè)計(jì)通航水深時(shí)下游電站的壩前水位。Q′min根據(jù)水力學(xué)公式試算確定天然情況下整治河段基本滿足設(shè)計(jì)通航水深的最小流量。

3)統(tǒng)計(jì)初值H′淹沒(méi)、Q′min組合概率，若組合概率等于P′，則H′淹沒(méi)、Q′min組合即為設(shè)計(jì)最低通航水位工況組合H淹沒(méi)、Qmin；若組合概率小于P′，說(shuō)明保證率較高，且有部分富余，可增大H′淹沒(méi)或Q′min得到組合概率等于P′的設(shè)計(jì)最低通航水位工況組合H淹沒(méi)、Qmin；若組合概率大于P′，說(shuō)明保證率小于規(guī)范要求，需要采取措施提高最小水深保證率以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

根據(jù)水位流量曲線可知，有3種方式可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)：

①在不改變目前調(diào)度方式的基礎(chǔ)上(即維持目前入庫(kù)流量、壩前水位點(diǎn)據(jù)分布)，通過(guò)疏浚、炸礁等措施增加整治河段水深，進(jìn)而減小H′淹沒(méi)或Q′min值，以增大組合概率P。考慮到H′淹沒(méi)值的小幅變化影響范圍較小，實(shí)際設(shè)計(jì)中可固定H′淹沒(méi)值，對(duì)Q′min值進(jìn)行調(diào)整，確定滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的Qmin。采取工程措施以滿足入庫(kù)流量Qmin與壩前死水位組合工況下，沿程水深達(dá)到設(shè)計(jì)通航水深即可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。該方法可不改變電站現(xiàn)有的調(diào)度方案，但可能需投入較多資金對(duì)航道進(jìn)行整治。

②改變現(xiàn)有的梯級(jí)電站調(diào)度運(yùn)行方式，增大設(shè)計(jì)最小水深保證率(即維持流量曲線圖中折線不變，增加A區(qū)點(diǎn)據(jù)數(shù)量以提高A區(qū)保證率)。制定梯級(jí)電站調(diào)度方案：當(dāng)上游電站下泄流量小于Qmin時(shí)，下游壩前水位不得低于H淹沒(méi)；當(dāng)下游壩前水位低于H淹沒(méi)時(shí)，上游電站下泄流量不得小于Qmin時(shí)，即進(jìn)行矩形調(diào)度。

為進(jìn)一步提高電站發(fā)電效率，實(shí)際調(diào)度過(guò)程中也可對(duì)調(diào)度方案進(jìn)一步細(xì)化，將調(diào)度曲線設(shè)置成階梯型曲線(圖7)。該方法可不對(duì)航道進(jìn)行整治，但須與電站方進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，根據(jù)調(diào)度曲線制定低水期調(diào)度方案，該方法可能會(huì)對(duì)電站發(fā)電效益有影響。

圖7 電站梯形調(diào)度曲線

③結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)，在電站可接受的調(diào)度方式下，投入最少的資金對(duì)航道進(jìn)行整治，以達(dá)到最優(yōu)的效果。因此須綜合考慮電站發(fā)電效益和航道工程投資等因素，提出最優(yōu)的調(diào)度方案與航道整治措施。

4)根據(jù)各工況取下包絡(luò)線，最終確定設(shè)計(jì)最低通航水位工況組合為Qmin與壩前死水位組合。

4 沙陀變動(dòng)回水區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位確定

沙陀庫(kù)區(qū)III級(jí)航道起于沙陀通航建筑物口門區(qū)，止于思林電站通航建筑物口門區(qū)，因此沙陀庫(kù)區(qū)III級(jí)航道整治終點(diǎn)位于思林電站通航建筑物口門區(qū)。以口門區(qū)河道斷面作為控制斷面，由思林電站下泄基流193 m3s、口門區(qū)河道水深達(dá)到3.0 m時(shí)，沙陀電站壩前水位確定最低淹沒(méi)水位H淹沒(méi)為362 m。

不改變目前調(diào)度方式的基礎(chǔ)上，分析并試算2014—2017年的數(shù)據(jù)，流量≤430 m3s、水位≤362 m組合概率為5%，見(jiàn)表3。最終確定沙陀庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)III級(jí)航道最小水深保證率水位流量組合工況為H淹沒(méi)=362 m、Qmin=430 m3s，最終確定設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算工況組合H死=353.5 m、Qmin=430 m3s。

表3 沙陀庫(kù)區(qū)統(tǒng)計(jì)壩前流量水位關(guān)系

5 結(jié)論

1)傳統(tǒng)的梯級(jí)電站變動(dòng)回水區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位保證率統(tǒng)計(jì)只考慮了入庫(kù)流量而未考慮壩前水位，不能代表實(shí)際保證率，而且設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算工況組合的選取具有一定的偶然性。

2)對(duì)烏江沙陀庫(kù)區(qū)入庫(kù)流量與壩前水位統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)電站變動(dòng)回水區(qū)壩前水位較低時(shí)一般入庫(kù)流量較大，而當(dāng)入庫(kù)流量較小時(shí)一般壩前水位較高。

3)針對(duì)梯級(jí)電站變動(dòng)回水區(qū)的特點(diǎn)，提出采用水位流量組合保證率確定設(shè)計(jì)最低通航水位保證率，并提出了具體計(jì)算方法和步驟，利用該方法可合理確定梯級(jí)電站變動(dòng)回水區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位。

4)利用上述方法確定了沙陀變動(dòng)回水區(qū)設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算工況組合。