龍 翔，蔣四維

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 漢江水文水資源勘測(cè)局,湖北 襄陽 441000）

0 引言

自二十世紀(jì)五十年代以來,為了水文資料整編的實(shí)際需要,對(duì)非單一水位流量關(guān)系曲線定線推流提出了很多方法,其中包括連時(shí)序法、連實(shí)測(cè)流量過程線法以及考慮水力因素進(jìn)行校正計(jì)算的等落差法、定落差法、落差開方根法、校正因素法、特征河長(zhǎng)法、改正水位法等[1]。二十世紀(jì)七十年代,經(jīng)過20年的實(shí)踐,逐步發(fā)現(xiàn)上述一些方法存在適用性差、精度不高等缺陷,特別在實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)整編水文資料以后,以上方法難以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定線自動(dòng)化。為確保定線精度,水文站測(cè)流次數(shù)多達(dá)上百次,大大增加外業(yè)水文測(cè)驗(yàn)的人力、財(cái)力、設(shè)備和時(shí)間重?fù)?dān)。因此,水位流量單值化分析勢(shì)在必行。

2019年全國(guó)水利工作會(huì)議把信息化工程列為四大工程短板之一,因此大力推廣水文行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,加強(qiáng)推進(jìn)智慧水文建設(shè),全面推廣在線監(jiān)測(cè)設(shè)備勢(shì)在必行。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅極大減少了水文工作者的外業(yè)工作量,同時(shí)收集數(shù)據(jù)量大大增加。基于大量的采集數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),水文工作者對(duì)于水位～流量的關(guān)系分析更加細(xì)致、精確,率定出的關(guān)系線更加精準(zhǔn)。對(duì)處于水工建筑物下游的水文站而言,水位流量主要受閘門啟閉、發(fā)電調(diào)度的影響。因此王甫洲電廠水文站的水位～流量關(guān)系較為復(fù)雜,使用王甫洲電廠的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以減少流量測(cè)驗(yàn)的工作量,提升定線精度[2]。

“十四五”以來,我國(guó)水電事業(yè)在行業(yè)各方的共同努力下大步前行,烏東德、白鶴灘、兩河口等一批重大水電工程相繼投產(chǎn)發(fā)電。漢江作為長(zhǎng)江最大的支流,流域內(nèi)水能資源豐富,僅漢江干流就已經(jīng)形成了16個(gè)梯級(jí),其支流有陡嶺子、鄂坪、南河等諸多水電站。漢江新集水利樞紐目前正在加緊建設(shè),全面進(jìn)入主體工程施工階段。

為了研究新集水電站蓄水對(duì)王甫洲水電站的尾水渠水位流量關(guān)系的頂托,合理計(jì)算新集水電站建成運(yùn)行后王甫洲水電站的發(fā)電量損失,初步選擇王甫洲電廠站作為分析新集水電站對(duì)王甫洲水電站發(fā)電量影響分析的水文站,開展水文監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析。在王甫洲電廠下游530 m、入?yún)R漢江口上游300 m處設(shè)立王甫洲電廠水文站。為下游新集水利樞紐建成后對(duì)王甫洲電廠發(fā)電效率的影響程度分析,提供技術(shù)支撐。

王甫洲電廠水文站單值化法通過率定、分析王甫洲電廠監(jiān)測(cè)的發(fā)電流量與本站水位的關(guān)系,形成水位流量單一關(guān)系線。利用新集電站蓄水前、后的兩條單一關(guān)系線可以便捷地推算出王甫洲電廠發(fā)電時(shí)的水頭損失,從而得出具體的損失電量。

1 研究區(qū)域概況

漢江王甫洲水利樞紐是一個(gè)以發(fā)電為主,結(jié)合航運(yùn),兼有灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大型水利工程。位于湖北省老河口市漢江干流上,上距丹江口水利樞紐30 km,是漢江干流16個(gè)梯級(jí)開發(fā)中的第10個(gè)梯級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位86.23 m,相應(yīng)庫(kù)容1.495 億m3,校核洪水位89.30 m,總庫(kù)容3.095 億m3。電站為低水頭徑流式電站,裝有4臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組,總裝機(jī)109 MW,年發(fā)電量5.81 億kW·h。單機(jī)最大過流能力為420 m3/s。其中,樞紐主要水工建筑物為非一字型布置,泄水閘壩區(qū)布置在右岸大江主河道上,電廠及船閘壩區(qū)布置在小江（靠左岸）。泄水閘壩區(qū)在漢江上游,距離電廠約10 km。王甫洲電廠設(shè)置有壩上水位和壩下水位記錄裝置,壩下水位記錄裝置在壩下右岸電廠出水口右岸位置,位于水文站上游530 m[3-4]。

漢江新集水利樞紐上距已建成的王甫洲水利樞紐47.5 km,下距已建成的崔家營(yíng)航電樞紐61.5 km,是漢江中下游河道綜合治理、梯級(jí)開發(fā)的重要組成部分。正常蓄水位76.23 m,總庫(kù)容4.22 億m3,總裝機(jī)容量120 MW,年發(fā)電量5.09 億kW·h。

北河是漢江中游的支流,位于漢江右岸,發(fā)源于房縣,干流全長(zhǎng)103 km,流域面積1212 km3,流域內(nèi)多年平均降水量997.5 mm,多年平均年徑流量13 億m3。由紫金鎮(zhèn)彥家洲村入谷城縣,至北河鎮(zhèn)安家崗村匯入漢水。入?yún)R口在王甫洲電廠尾水渠漢江入?yún)R口上游約2.5 km。北河上建有北河水文站,建于2003年1月,距離漢江入?yún)R口約13 km。

南河是漢江中游的支流,位于漢江右岸,干流全長(zhǎng)303 km,流域面積6490 km3,流域內(nèi)多年平均降雨量1031.7 mm,多年平均年徑流量15.4 億m3。由紫金鎮(zhèn)瑪瑙觀村入谷城縣,至城關(guān)鎮(zhèn)格壘嘴村匯入漢水。入?yún)R口在王甫洲電廠尾水渠漢江入?yún)R口下游約7.5 km。南河上建有谷城水文站,建于1936年7月,距離漢江入?yún)R口約8 km。

王甫洲水文站位于王甫洲電廠下游530 m、入?yún)R漢江口上游300 m處,于2021年2月5日建成,并通過驗(yàn)收。根據(jù)漢江局下發(fā)的《王甫洲電廠水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)書》要求,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、流量、降水量。流量測(cè)驗(yàn)采用測(cè)船渡河、GNSS導(dǎo)航定位、GPS羅經(jīng)測(cè)定測(cè)船航行方向配合走航式ADCP施測(cè)。水文站外業(yè)資料收集完成后,采用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過一校、二校、審查等階段,確認(rèn)測(cè)量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和要求,成果可靠[5-7]。

2 單值化分析

2.1 技術(shù)路線

對(duì)于一條水位～流量曲線,斷面平均流量用Q表示,水位用Z表示,若選取有N個(gè)結(jié)點(diǎn)（N＞3）,水位Z對(duì)應(yīng)的流量Q,用下式計(jì)算：

在水位流速曲線上通過一元三點(diǎn)插值法[8-9]求解低枯水位級(jí)流量進(jìn)行驗(yàn)證。在端點(diǎn)附近與曲線曲率較大處,選擇水位級(jí)呈梯級(jí)分布的最少不少于三個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)低枯水位進(jìn)行插值計(jì)算。

水電站電量計(jì)算公式：

式中：k為綜合出力系數(shù)；E為電量,kW·h；Qi為日均流量,m3/s；Hi為日均毛水頭,m；Ti為日發(fā)電小時(shí)數(shù),h；ηi為機(jī)組效率。

為更好地分析新集電站對(duì)王甫洲電廠的影響,需要對(duì)影響因素進(jìn)行分析。王甫洲電廠來水主要為丹江口水庫(kù)下泄流量,根據(jù)下泄流量大小,其樞紐運(yùn)行可分為有棄水和無棄水下泄兩種情況。

（1）有棄水下泄,一般發(fā)生在汛期,漢江上游發(fā)生較大洪水時(shí),丹江口水庫(kù)開閘泄洪情況。其出流為泄水閘泄洪流量+電廠發(fā)電流量；此時(shí),泄水閘下泄洪水,對(duì)電廠尾水渠產(chǎn)生頂托影響。該時(shí)間段,可不考慮新集水電站對(duì)王甫洲電廠的影響。

（2）在非洪水期,上游丹江口水庫(kù)下泄為其樞紐發(fā)電出流,流量一般不超過1500 m3/s。另外,根據(jù)多年資料統(tǒng)計(jì),非洪水期支流南、北河出流之和很少超過300 m3/s。

綜上所述,新集水電站對(duì)王甫洲水電站的影響主要集中在非洪水期。因此,水文站水文測(cè)驗(yàn)資料收集及整理分析工作,亦主要針對(duì)此時(shí)段相關(guān)因素影響情況。

2.2 電廠發(fā)電流量成果精度分析

王甫洲電廠水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面在基下4 m處。在2021年7月后,漢江發(fā)生20年一遇的洪水,其間丹江口水庫(kù)下泄最大流量10800 m3/s。洪水過程一直持續(xù)到11月上旬,其間王甫洲電廠一直保持1300 m3/s以上的發(fā)電流量。

洪水過后,下游河道內(nèi)的雜物及植被沖刷殆盡,下游過水能力大幅度提高,水文站斷面亦被沖刷下切。過流斷面受沖淤變化影響時(shí),水位面積關(guān)系曲線會(huì)發(fā)生變動(dòng),從而使水位流量關(guān)系曲線亦發(fā)生變化[10]。斷面變化見圖1。

流量測(cè)驗(yàn)要集中在2021年1月26日～7月28日和2022年3月9日～8月20日,其中2021年施測(cè)流量37次；2022年共施測(cè)26次,合計(jì)施測(cè)63次,除去泄水閘工作期測(cè)驗(yàn)流量共計(jì)54次有效測(cè)次。

依據(jù)水文站實(shí)測(cè)流量比測(cè)電廠發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度,比測(cè)結(jié)果見圖2。

圖2 電廠發(fā)電流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比圖

由圖可知,電廠發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度較高,成果可靠,發(fā)電流量可參與水文站水位流量關(guān)系的分析率定。

2.3 水位流量資料分析

水文站實(shí)測(cè)流量測(cè)驗(yàn)范圍483 m3/s～1530 m3/s,基本覆蓋王甫洲電廠正常發(fā)電期。

王甫洲電廠正常發(fā)電期間,電廠調(diào)機(jī)較為頻繁,根據(jù)水力學(xué)原理,當(dāng)上游來水發(fā)生變化時(shí),由于洪水波傳播所引起的附加比降不同,使斷面上的流量與同水位穩(wěn)定的流量相比產(chǎn)生有規(guī)律的增大或減小[11]。把水位流量過程點(diǎn)繪在水位流量關(guān)系圖上,形成一條圍繞著水位流量關(guān)系曲線旋轉(zhuǎn)的逆時(shí)針繩套線[12-13]。以2022年2月6日10時(shí)電廠調(diào)機(jī)為例,3時(shí)至9時(shí)處于上一次調(diào)機(jī)后發(fā)電流量和水位減小的過程,由于時(shí)間過短,水位的變化明顯滯后與流量變化,當(dāng)流量穩(wěn)定在740 m3/s時(shí),水位保持下降趨勢(shì)；10時(shí)左右電廠進(jìn)行調(diào)機(jī),13時(shí)前完成調(diào)機(jī),發(fā)電流量由740 m3/s調(diào)整為1330 m3/s。過程變化見圖3。

圖3 2022年2月6日水位～流量關(guān)系時(shí)間序列變化過程圖

從圖4中可以看出,3時(shí)～9時(shí)處于上一次調(diào)機(jī)后發(fā)電流量和水位減小的過程,由于時(shí)間過短,水位的變化滯后于流量變化,當(dāng)流量穩(wěn)定在740 m3/s時(shí),水位保持下降趨勢(shì),水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)分布在穩(wěn)定期水位流量關(guān)系線左側(cè)；10時(shí)左右調(diào)機(jī)后,發(fā)電流量迅速上升,但水位變化很小,水位流量關(guān)系點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)移至關(guān)系線右側(cè)；在23時(shí)左右水位達(dá)到穩(wěn)定前,流量變換很小,水位持續(xù)上升,水位流量關(guān)系點(diǎn)保持在關(guān)系線右側(cè)；在7日1時(shí)左右水位穩(wěn)定后,水位流量關(guān)系點(diǎn)回歸于關(guān)系線附近,隨后流量變化很小,水位持續(xù)不變,并保持在關(guān)系線上[14]。

圖4 2022年2月6日水位-流量變化過程與穩(wěn)定流關(guān)系線圖

由此可見,電廠調(diào)機(jī)后,在發(fā)電尾水渠水位穩(wěn)定之前,水位流量關(guān)系點(diǎn)將明顯偏離水位和流量均穩(wěn)定不變時(shí)各流量級(jí)水位流量關(guān)系曲線。一般而言,流量變化越大,測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)離穩(wěn)定流越遠(yuǎn),其偏離越大；發(fā)電流量由小調(diào)大時(shí)關(guān)系點(diǎn)向關(guān)系線右側(cè)偏離,由大調(diào)小時(shí)關(guān)系點(diǎn)向關(guān)系線左側(cè)偏離。

詳盡分析洪水前、后電廠尾水渠水位流量關(guān)系,分析其穩(wěn)定流關(guān)系線明顯為兩個(gè)系列。分析原因,主要是本年長(zhǎng)歷時(shí)較大流量泄洪,泄水閘至格壘咀河段長(zhǎng)時(shí)間被沖刷,河段過水能力增強(qiáng)。圖5為洪水前后穩(wěn)定流關(guān)系線明顯為兩個(gè)系列關(guān)系。

圖5 發(fā)電尾水渠流量、水位均穩(wěn)定時(shí)水位流量關(guān)系圖

定線精度信息見表1,定線精度滿足水文資料整編規(guī)范中對(duì)于一類精度站的要求。

表1 實(shí)測(cè)流量與電廠流量對(duì)比表

由此可見,電站調(diào)機(jī)后發(fā)電尾水渠水位和流量均穩(wěn)定時(shí)各流量級(jí)水位流量關(guān)系呈現(xiàn)穩(wěn)定單一線型關(guān)系[15]。

綜上分析,在泄洪閘不棄水且南、北河來水較小的情況下,電廠發(fā)電出流與尾水渠水位變化不同步是引起尾水渠水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)分布散亂關(guān)鍵因素。該河段漢江河道相當(dāng)于電廠尾水渠河段而言,江面寬闊,體量較大,對(duì)尾水渠來水具有明顯的反調(diào)節(jié)作用。根據(jù)分析資料,電廠調(diào)節(jié)發(fā)電出流過程,不論是由小調(diào)大、還是由大調(diào)小,大江對(duì)尾水渠反調(diào)節(jié)制約作用較大,發(fā)電流量變率越陡,關(guān)系點(diǎn)越偏離穩(wěn)定單一線（中心線）；只有當(dāng)調(diào)機(jī)后尾水渠發(fā)電流量和水位均趨于穩(wěn)定時(shí),其水位流量關(guān)系點(diǎn)才回到穩(wěn)定單一線附近。

鑒于此,采用電廠瞬時(shí)流量過程推算2021年2月以來的旬平均流量及月平均流量,與相應(yīng)日平均水位、旬平均水位及月平均水位建立關(guān)系?？梢钥闯?①其關(guān)系點(diǎn)更趨于穩(wěn)定單一線上；②日平均關(guān)系點(diǎn)基本在穩(wěn)定單一線附近；③月、旬平均的關(guān)系點(diǎn)基本與尾水渠流量和水位均穩(wěn)定時(shí)各流量級(jí)瞬時(shí)水位流量關(guān)系點(diǎn)一致[16]。

除去產(chǎn)生棄水的2021年7月24日～11月5日、2022年2月17日至5月12日,采用穩(wěn)定單一線推算的月平均流量與發(fā)電流量計(jì)算的旬平均和月平均流量對(duì)比見表2。從表中可知兩者相對(duì)差較小,洪水前后分別推算的時(shí)段徑流相差均為0.2 %[17]。

綜上所述,采用穩(wěn)定的水位流量單一關(guān)系線能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出水文站的旬平均流量、月平均流量以及時(shí)段徑流。

3 結(jié)論

（1）王甫洲電廠提供的發(fā)電流量數(shù)據(jù)精度較高,成果可靠。

（2）王甫洲水文站水位流量關(guān)系影響因素復(fù)雜,電站調(diào)機(jī)后發(fā)電尾水渠水位和流量均穩(wěn)定后各流量級(jí)水位流量關(guān)系呈現(xiàn)穩(wěn)定單一線型關(guān)系。

（3）王甫洲水文站在電廠調(diào)機(jī)期后的一段時(shí)間內(nèi),水位流量關(guān)系呈帶狀,其中心線與穩(wěn)定單一線吻合；采用穩(wěn)定單一線推算的日平均流量、旬平均流量、月平均流量與實(shí)際流量基本一致,時(shí)段徑流基本一致；洪水后的穩(wěn)定流關(guān)系線為王甫洲電廠尾水渠現(xiàn)狀天然的穩(wěn)定流關(guān)系線。

（4）漢江新集水利樞紐開始蓄水后,繼續(xù)監(jiān)測(cè)電廠尾水渠出流情況,分析水位流量相關(guān)關(guān)系變化情況。進(jìn)一步收集蓄水前后不同流量級(jí)下漢江干流王甫洲至新集河段沿程水位流量同步監(jiān)測(cè)資料,采用數(shù)模分析計(jì)算方法,推求蓄水前后新集回水末端的水位變化情況,并通過施測(cè)資料驗(yàn)證模型分析成果,確定新集電站蓄水對(duì)王甫洲電站出力影響程度。