三峽水庫干流動防洪庫容簡化算法

三峽水庫干流動防洪庫容簡化算法黃偉;童思陳;王炎【摘要】基于三峽水庫實測水文、地形資料，采用一維水流數(shù)學模型對三峽水庫干流動庫容進行了計算，在綜合分析的基礎上對水庫各特征段動庫容進行了擬合.結(jié)果表明，三峽水庫干流動庫容可通過其與各代表水文站水位的關(guān)系來近似簡單表達，且具有良好精度;在壩前水位一定的情況下,三峽水庫干流的動防洪庫容隨流量的增大而減小，動、靜防洪庫容差隨著流量的增大而增大.【期刊名稱】《水利水電科技進展》【年(卷)，期】2018(038)006【總頁數(shù)】6頁(P8-12,85)【關(guān)鍵詞】三峽水庫;動庫容;動防洪庫容;簡化算法【作者】黃偉;童思陳;王炎【作者單位】重慶交通大學河海學院，重慶400074;國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074;重慶交通大學河海學院，重慶400074;國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074;浙江交科工程檢測有限公司，浙江杭州311200【正文語種】中文【中圖分類】TV697.1三峽水庫屬于典型的超大型山區(qū)河道型水庫，庫區(qū)狹長，縱向流動明顯，由于縱向水流的流動回水水面線存在明顯坡降，具有顯著的動庫容特性。在河道型水庫運行階段，利用動、靜庫容的差異開展精細化防洪調(diào)度可以提高防洪效益。周建軍等［1］根據(jù)水庫水動力特性分析和數(shù)值模擬研究表明，三峽水庫水面線并不水平，壩前水位變化與庫容變化不同步，按照靜庫容曲線計算出的水庫蓄泄水量偏差可達50%以上，這表明在水庫調(diào)蓄計算時不能按照靜回水曲線進行計算，必須考慮反映水面線變化的動庫容。張俊等［2］從水面線、典型洪水過程的動庫容計算及動庫容曲線3個方面初步分析了三峽水庫的動庫容特性，認為動庫容對三峽水庫洪水過程的庫容與攔蓄量計算影響較大;仲志余等［3］基于動庫容調(diào)洪的基本原理，編制了基于瞬時水面線法、普來士曼隱式差分法和三級河網(wǎng)算法的3種不同的動庫容調(diào)洪計算模型，采用三峽水庫建成后的實測洪水對模型和三峽防洪能力進行了驗證，但在求解的過程中需要考慮的因素及水力參數(shù)較多。由此可見,三峽庫區(qū)的動庫容對調(diào)洪影響很大，直接影響著防洪調(diào)度方案的制定。如何快速、準確計算庫區(qū)的動庫容成為難點。針對水庫動庫容問題彳艮多學者進行了相關(guān)研究［4-11］,但大部分側(cè)重于水庫的調(diào)洪演算,對水庫動庫容、動防洪庫容的問題研究仍有待進一步深入。童思陳等［12］從明渠恒定非均勻流方程出發(fā)，推導了河道型水庫動、靜防洪庫容關(guān)系,以數(shù)學模型為手段計算并繪制了動、靜防洪庫容關(guān)系曲線，給出了防洪庫容一般變化規(guī)律并提出了相應的近似算法，可用于中小型防洪水庫缺少斷面資料的情況下防洪庫容的初步確定。本文基于實測水文資料與地形資料，采用一維水流數(shù)學模型模擬法，探討三峽水庫壩前至江津段干流動防洪庫容特性，綜合分析并擬合壩前水位與動庫容的關(guān)系，得到三峽水庫干流動庫容簡化算法，并對三峽水庫干流動庫容、動防洪庫容變化規(guī)律進行探討分析。1水流數(shù)學模型及其驗證在計算動庫容和動防洪庫容過程中，需要計算回水曲線以及建立水位、流量和動庫容之間的關(guān)系，這需要建立能反映這些關(guān)系的水動力數(shù)學模型。設1、2為相鄰兩斷面編號，對于恒定非均勻流，其能量方程的差分形式為(1)式中:下標1、2分別代表相鄰的兩個斷S;Z為斷面水位;U為斷面平均流速;a為動能修正系數(shù);hf為沿程水頭損失;hj為局部水頭損失小為兩斷面間綜合糙率飛為兩斷面間距;R為水力半徑;cp為局部水頭損失系數(shù)，與斷面收縮和擴散程度有關(guān);g為重力加速度。在流量、壩前水位和水頭損失確定后，即可根據(jù)式(1)計算河道斷面的各水力要素。為了確定上述恒定非均勻流一維水流數(shù)學模型能否滿足本研究的要求，需要對模型進行驗證，選取2011—2012年水位及6組流量(29700m3/s、17100m3/s、12900m3/s、20100m3/s、12500m3/s、9540m3/s)數(shù)據(jù)作為模型驗證的基礎數(shù)據(jù)，采用2011—2012年三峽庫區(qū)壩前至江津河段的實際地形圖，以及2011—2012年共424個1/5000實測橫斷面作為計算斷面。計算結(jié)果表明，糙率小范圍變動對水庫動庫容影響較小，故沿程糙率取為0.03[13]。計算6組流量條件下2011—2012年的水面線，并與實測水位進行比較(圖1、圖2),可見計算水位與實測水位基本一致，差值在10cm之內(nèi)，表明該模型可應用于動庫容以及動防洪庫容計算。圖12011年三峽水庫水面線驗證圖22012年三峽水庫水面線驗證2三峽水庫干流動庫容簡化計算靜庫容的大小取決于庫區(qū)的地形條件,與流量無關(guān)；而動庫容則與壩前水位及入庫流量、出庫流量有關(guān)。相對于靜庫容,動庫容能夠更加真實地反映調(diào)洪過程中水面線、水庫庫容的變化情況,為汛期防洪調(diào)度提供更為切實的基礎參考依據(jù)。2.1數(shù)模法計算的動庫容動庫容是指在實際回水曲線下的庫容，對三峽庫區(qū)在不同壩前水位下、寸灘入庫流量由3萬m3/s逐漸增大到9萬m3/s時的動庫容進行推算，結(jié)果見表1。表1不同流量情況下的動庫容水位/m不同流量下的動庫容/億m33萬m3/s4萬m3/s5萬m3/s6萬m3/s7萬m3/s8萬m3/s9萬m3/s145193.84201.84211.13220.68230.60240.82251.45150212.12220.18228.78237.75247.09256.78266.91155233.07240.46248.40256.72265.48274.59284.19160255.95262.66269.92277.62285.74294.32303.25165280.69286.72293.30300.35307.84315.87324.17170307.28312.63318.55324.95331.95339.28346.90175335.63340.33345.58351.47357.76364.44371.412.2三峽水庫干流動庫容的簡化算法在三峽水庫壩址至江津河段，全河段地形采用2008年三峽庫區(qū)的實測斷面，沿程共布設了424個斷面。根據(jù)三峽水庫實測地形、水文資料、水庫回水的范圍、河道地形的分布情況以及水文測站的分布,對三峽庫區(qū)初步分為6段，即茅坪一奉節(jié)、奉節(jié)一白沙沱、白沙沱一清溪場、清溪場一長壽、長壽一寸灘、寸灘一塔坪,分別標記I、H、B、IV、V、VI。將茅坪、奉節(jié)、白沙沱、清溪場、長壽、寸灘、塔坪7個水文站分別標記為1、2、3、4、5、6、7,其對應的水位站水位為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7,如圖3所示。圖3三峽水庫動庫容計算分段示意圖圖4不同流量下壩前水位與動庫容計算值的關(guān)系三峽水庫壩址至涪陵屬于常年回水段，涪陵至江津?qū)儆谧儎踊厮?越往上游河段越接近天然河道。在動庫容計算分析時，分別選取流量3萬~9萬m3/s作為各計算水位的計算流量,根據(jù)計算流量以及三峽水庫的壩前水位計算出各段的動庫容如圖4所示。茅坪一奉節(jié)段距壩前最近，水深最大，受動庫容影響很小，庫容值可認為只與壩前水位有關(guān),與流量無關(guān);奉節(jié)一白沙沱段屬于常年回水區(qū),奉節(jié)距壩址約160km,受動庫容現(xiàn)象影響,水面開始上抬并產(chǎn)生一定的坡降;再往上游的白沙沱一清溪場段動庫容特性已十分明顯，水面產(chǎn)生一定的坡度變化，水面線尾部向上翹起,整體略微下凹,且各流量下曲線走勢較為一致，曲線分布比較均勻，說明庫容與壩前水位及流量之間存在相關(guān)關(guān)系;長壽一寸灘段屬于回水區(qū)中段,曲線之間的間距逐漸縮小,楔蓄庫容已經(jīng)減弱;寸灘一塔坪段為距壩址最遠的一段,屬于三峽水庫庫尾段，接近于天然河道，相鄰曲線間距基本保持定值，曲線隨壩前水位變化并不明顯，槽蓄庫容占主導，楔蓄庫容影響較小。根據(jù)計算水位選取的壩前水位值、庫容計算值、計算水位之間的線性關(guān)系，對相應的數(shù)據(jù)進行擬合,擬合關(guān)系如圖5所示。擬合的相關(guān)關(guān)系R2的范圍在0.998~0.999之間，擬合成果與計算數(shù)據(jù)吻合較好。而根據(jù)前面計算值與庫容實際值誤差分析,誤差遠小于規(guī)范要求，因此各段的擬合公式可用于動庫容計算。各庫段動庫容與各水位觀測站水位之間的擬合公式如下：VI=1.261ZI-107.00(2)VH=2.759Zn-321.90⑶Vm=0.349Zm-45.80⑷VIV=0.476ZIV-66.75(5)VV=0.656ZV-100.40(6)VVI=0.659ZVI-111.70⑺其中ZI=Z1ZH=(Z2+Z3)/2Zm=(Z3+Z4)/2ZIV=(Z4+Z5)/2ZV=(Z5+Z6)/2ZV=(Z6+Z7)/2最后得到總動庫容：V動=1.261ZI+2.759ZH+0.349ZB+0.476ZV+0.656ZV+0.659ZV-753.55(8)圖5各段水位與該段動庫容擬合關(guān)系3三峽水庫干流動防洪庫容特性3.1三峽水庫干流動防洪庫容計算方法動防洪庫容指防洪起調(diào)水位和終調(diào)水位之間相對應的庫容大小，即V終-V起，其中V終、V起可以采用式(8)計算。下面從三峽水庫干流動防洪庫容整體規(guī)律及變化趨勢，以及三峽水庫干流動靜防洪庫容之間的關(guān)系等方面,初步分析三峽水庫干流動防洪庫容特性。3.2三峽水庫干流動防洪庫容特性分析三峽庫區(qū)不同壩前水位下，寸灘入庫流量由3萬m3/s逐漸增大到9萬m3/s時三峽庫區(qū)動防洪庫容計算結(jié)果見表2。防洪動庫容取決于起調(diào)水位和終調(diào)水位，計算時選取同一流量下每5m水位差的相鄰水位作為起調(diào)水位和終調(diào)水位。表2不同流量情況下動防洪庫容水位/m不同流量下的動防洪庫容/億m33萬m3/s4萬m3/s5萬m3/s6萬m3/s7萬m3/s8萬m3/s9萬m3/s145~15017.7617.7417.2216.8016.3215.9715.69150~15520.7820.1019.4018.7818.3017.8517.44155~16022.9422.1321.4520.7920.2319.7619.17160~16524.8424.0923.4222.7722.1521.6221.07165~17026.7326.0425.3324.7024.1723.4822.86170~17528.4927.8027.1326.6025.8925.2524.63對選取流量、相鄰水位間動防洪庫容進行比較分析，結(jié)果見圖6。由圖6可知，在高水位小流量下動防洪庫容達到最大，為28.494億m3;在低水位高流量下動防洪庫容最小，為15.687億m3。同一流量下，動防洪庫容隨著起調(diào)水位和終調(diào)水位的增大，均呈現(xiàn)增大的趨勢；在相同流量變化條件下，動防洪庫容與水位呈正相關(guān);在起調(diào)、終調(diào)水位均相同的情況下，動防洪庫容隨著流量的增大而減小;水位變化相同的情況下，動防洪庫容隨著流量的增大而減小。圖6不同起調(diào)和終調(diào)水位下的動防洪庫容上述對于動防洪庫容所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律也與河道型水庫動庫容特性相吻合。在流量變化相同時，隨著水位的升高動庫容的影響減弱,庫尾水面線上翹減緩，動防洪庫容逐漸接近靜庫容并呈梯形分布，因此動防洪庫容值逐漸增大;在水位變化相同時，隨著流量的增大動庫容的影響增強，庫尾水面線上翹越明顯動防洪庫容大致呈楔形分布，而非按靜庫容的梯形分布，因此動防洪庫容值逐漸減小。圖7起調(diào)水位145m、終調(diào)水位175m條件下動防洪庫容隨流量的變化起調(diào)水位145m,終調(diào)水位175m的條件下動防洪庫容隨流量的變化如圖7所示，隨著流量的增大，總防洪動庫容逐漸變小;流量增大的過程中，動防洪庫容的變化率穩(wěn)定。3.3三峽水庫干流動、靜防洪庫容關(guān)系分析利用動庫容簡化公式可以快速準確地計算某種水位流量下的動庫容值，兩條不同水面線下的動庫容值相減即為兩者之間包含的動防洪庫容大小。下面以汛限水位145m為起調(diào)水位,設定155m、165m、175m為終調(diào)水位，分別計算在頻率為20%、10%、5%、2%、1%的洪水流量條件下的動防洪庫容，并與對應工況下的靜防洪庫容進行比較，分析兩者之間的關(guān)系。經(jīng)查詢資料可知以上5個頻率對應的寸灘流量分別為6.14萬m3/s、6.91萬m3/s、7.53萬m3/s、8.31萬m3/s、8.87萬m3/s。終調(diào)水位為175m時計算得到的靜防洪庫容與動防洪庫容比較情況見表3。表3終調(diào)水位175m下三峽庫區(qū)不同頻率洪水防洪庫容方法洪水流量/（萬m3-s-1）庫容/億m3壩前水位145m壩前水位175m防洪庫容/億m3動、靜防洪庫容差/億m3動、靜防洪庫容比/%靜庫容法169.79326.51156.73動庫容法6.14222.05352.32130.2726.4683.16.91229.70357.17127.4829.2581.37.53235.98361.26125.2831.4579.98.31244.05366.56122.5234.2178.28.87250.06370.49120.4336.376.8由表3可見,三峽庫區(qū)動防洪庫容均要小于對應水位下的靜防洪庫容，且在起調(diào)水位與終調(diào)水位固定時,動防洪庫容隨著流量增大而減小;動、靜防洪庫容差值變化范圍較大，并隨著終調(diào)水位的增大而增大;結(jié)合終調(diào)水位為155m和165m的動、靜庫容計算結(jié)果,整體動靜庫容差值為9.20億~36.30億m3,動防洪庫容占靜防洪庫容的比例為73%~83.1%。由于終調(diào)水位為155m、165m、175m的動靜庫容之間關(guān)系變化趨勢一致，分析終調(diào)水位175m動靜防洪庫容比值可知，在起調(diào)水位和終調(diào)水位固定時，流量越大水庫庫容呈楔形越明顯，因此動防洪庫容占靜防洪庫容比例隨流量增大而逐漸減小;而當同一流量下，終調(diào)水位升高時,由于水位對動庫容產(chǎn)生的負面影響，減緩了庫尾水面線上翹的程度,因此動防洪庫容占靜防洪庫容比例增大。4結(jié)語通過一維水流數(shù)學模型計算，對三峽水庫干流動庫容、動防洪庫容進行了探討，提出了僅通過庫區(qū)典型水文站水位確定動庫容的簡化算法，研究表明簡化算法具有良好的精度?；诤喕ㄌ接懥巳龒{水庫干流動庫容、動防洪庫容的基本特性和變化關(guān)系，結(jié)果表明，在壩前水位一定情況下，三峽水庫干流的動防洪庫容隨流量的增大而減小動、靜防洪庫容差隨著流量的增大而增大。參考文獻：【相關(guān)文獻】[1]周建軍,程根偉,袁杰等.三峽水庫動庫容特征及其在防洪調(diào)度上的應用:2.動態(tài)汛限水位調(diào)度方法[J].水力發(fā)電學報,2013,32(1):168-173.(ZHOUJianjun,CHENGGenwei,YUANJie,etal.DynamicstorageofThreeGorgereservoiranditsapplicationtofloodregulations:2.floodregulationswithdynamicfloodcontrollevels[J].JournalofHydroelectricEngineering,2013,32(1):168-173.(inChinese))[2]張俊，閔要武,陳新國.三峽水庫動庫容特性分析[J].人民長江，2011,42(6):90-93.(ZHANGJun,MINYaowu,CHENXinguo.AnalysisofcharacteristicsofdynamicreservoircapacityofThreeGorgesReservoir[J].YangtzeRiver,2011,42(6):90-93.(inChinese))[3]仲志余,李文俊,安有貴.三峽水庫動庫容研究及防洪能力分析[J].水電能源科學,2010,28(3):36-38.(ZHONGZhiyu,LIWenjun,ANYougui.StudyondynamicreservoircapacityandfloodcontrolcapacityofThreeGorgeReservoir[J].WaterResourcesandPower,2010,28(3):36-38.(inChinese))[4]許海軍，陳守煜.水庫動庫容調(diào)洪計算的數(shù)值-解析解法[J].水利學報,2002,33(3):69-73.(XUHaijun,CHENShouyu.Numerical-analyticmethodforreservoirbackwaterstoragefloodrouting[J].JournalofHydraulicEngineering,2002,33(3):69-73.(inChinese))[5]徐玲玲,張瀚文.基于數(shù)值解析法的水庫動庫容調(diào)洪計算[J].水電能源科學,2017,34(4):67-68.(XULingling,ZHANGHanwen.Calculationofreservoirdynamicstoragecapacitybasedonnumericalanalyticalmethod[J].WaterResourcesandPower,2017,34(4):67-68.(inChinese))[6]閔要武，王俊，陳力.三峽水庫入庫流量計算及調(diào)洪演算方法探討[J].人民長江,2011,42(6):49-52.(MINYaowu,WANGJun,CHENLi.DiscussiononcalculationmethodoffloodroutingandinflowofThreeGorgesReservoir[J].YangtzeRiver,2011,42(6):49-52.(inChinese))[7]李光熾,周晶晏.河道型水庫動庫容分析方法[J].水利水電科技進展,2005,25(5):9-11.(LIGuangchi,ZHOUJingyan.Backwaterstorageanalyticmethodforrivertypereservoirs[J].AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources.2005,25(5):9-11.(inChinese))[8]王船海,南嵐,李光熾.河道型水庫動庫容在實時洪水調(diào)度中的影響[J].河海大學學報(自然科學版),2004,32(5):526-529.(WANGChuanhai,NANLan,LIGuangzhi.Influenceofdynamiccapacityofriver-typereservoirsonreal-timefloodregulation[J].JournalofHohaiUniversity(NaturalScience),2004,32(5):526-529.(inChinese))[9]王英偉，夏建新,李文杰.三峽水庫運行后考慮重慶主城區(qū)防洪的壩前最佳水位[J].水利水電科技進展,2015,35(6):52-56.(WANGYingwei,XIAJianxin,LIWenjie.Studyonoptimumpre-damwater