水利枢纽对水文水力特性的影响分析

郭健常

(大同泰瑞集团建设有限公司，山西 大同 037000)

1 概 述

水利枢纽是保障水利灌溉、畜牧养殖等生产生活的重要保障，通过在江、河合适的河段修建的坝、水电站等建筑，达到水利发电、蓄水引水、旅游养殖等目的。水利枢纽的兴建关系到民生问题，直接或间接地影响着周边居民的生产生活。但水利枢纽的修建同样会在短期或长期内对当地的水文水力特性造成一定的影响，这种影响或利或弊，通过对其影响机理的研究，进而对水利枢纽以及当地水文情况进行有利调节，能够造福民生；相反，则可能对当地生态及人民财产造成破坏[1-4]。因此，研究水利枢纽对当地水文特征的影响成为当务之急。

在此背景下，许多学者针对水利枢纽对上游或下游水文特征的影响情况进行了研究。刘金星[5]以东庄水利枢纽为例，通过三维的紊流双方程模型对该水利枢纽的表孔宽尾墩的消洪性能进行了计算并进行试验，发现计算得出的结果与试验结果吻合度较高，该水利枢纽具备较好的消洪性能。龚丽[6]基于老龙口水利枢纽工程的竖缝与堰组合式鱼道的水力性能，采用湍流模型对该水利枢纽的流速和紊动能进行了研究，发现该鱼道内水流结构稳定，主流衰减较为明显，具有一定的消洪效果。包中进[7]通过对萧山水利枢纽进行研究，并采用物理模型及平面二维模型对其进水口引渠进行了分析论证，该枢纽原方案布置的引水渠存在较大范围的回流。胡春明[8]研究了红花尔基水利枢纽对下游伊敏河水文情势的影响，并采用IHA及RVA法评估水文总体变化的程度，结果表明伊敏河降水径流响应较为显著，该水利枢纽整体上对伊敏河及下游流域形成较为积极的影响。柴军瑞[9]基于黄河大柳树坝区的松动岩体，采用统计学方法，确定了坝基岩体的参数分布，并对渗透系数张量进行了修正，验证了坝区岩体渗透性较大。

本文以某地水利枢纽工程为例，借助该地水文实测资料，对该枢纽在蓄水前后的断面变化进行了研究，揭示了水利枢纽对水文水力特性的演变规律，为类似水利枢纽及水文特性的调节提供一定参考依据。

2 工程概况

水利枢纽A位于某市河道下游4km处，主要由电站、冲沙闸、船闸、泄水闸、挡水坝5部分构成，具有蓄水、水运、泄洪等功能。该枢纽于上世纪50年代进行规划，并于70年代开工，修建至今共抽水1 800×108m3，控制水域达100×104km2，坝区总库容为15.1×108m3。电站拥有发电机组20台，发电功率271.8×104kW，年发电量150×108kW·h。由于其施工条件较差，土石方挖填量巨大，总计达7×108m3，主体及附属结构混凝土浇筑达1×108m3，钢筋消耗量约为7.7×104t。枢纽包含3座船闸、27座冲沙闸与15座泄水闸，当闸体全部开启时，其最大泄洪量约为10×104m3。其中，3个船闸均为单级船闸，1号、2号船闸长宽分别为270、30m；3号船闸长宽分别为120、15m；挡水坝长2 588m，坝体最高点达45m。

水利枢纽A在其整体水系规划中主要起反调节作用，分别从航运与发电量两个方面体现。在航运方面，枯水期时，由于下游水位不稳定，波动幅度较大，不利于船舶停泊与运输，因此需要借助该水利枢纽进行反调节；在发电方面，水系主电站枯水期发电负荷较大，同样需要借助该枢纽电站进行负荷分担。

3 研究方法

对于水利枢纽A在丰水期蓄水前后的水位与流量关系，由于丰水期中水流具体表现为典型的渐变不恒定流动模式，因此本文采用反映非恒定渐变水流运动规律的偏微分方程组，即Saint Venant方程组，其连续方程为：

(1)

其运动方程为：

(2)

式中：Q为流量；x为水流路程；A为过水横断面积；t为水流时间；v为流速；y为水体深度；g为重力加速度(9.8N/kg)；i0为水利枢纽底部坡度；C为谢才系数；R为水力半径。

联立式(1)、式(2)，可得到Saint Venant动力方程：

(3)

(4)

当水流方式为均匀流时，可将式(4)变为：

(5)

式中：Q0为水流方式，为均匀流中的流量。

4 结果分析

4.1 丰水期水位-流量变化分析

该水利枢纽在丰水期水库中蓄水之后，其下游河道的水文水力特性发生改变。一旦下游河道的水文水力特性发生变化，该市水利枢纽A所在河段的水流作用力必然会随之改变，并带动水波类型的改变。本文通过当地实测水文资料，分别选取1974、1981、1987及2004共4个水流量达到6 000m3/s的年份进行分析比较，并将其归类为蓄水前和蓄水后年份。其中，蓄水前年份为1974与1981年，蓄水后年份为1987与2004年，蓄水前后流量与水位的变化图见图1。

图1 蓄水前后水位与流量变化图

从蓄水前的1974与1981年的水位流量变化图可以看出，蓄水前年份的水位与流量变化呈现出光滑的绳套状，符合Saint Venant方程组中式(5)所描述的均匀流运动规律。究其原因在于该河段受人为因素较少，呈现出天然流态，上游水流经过该水利枢纽时，携带的能量会均匀分布于河道两侧，因此惯性项对其影响效果较小，可忽略不计，因此该种水波属于扩散波类型，其水流的水力特性主要由阻力项和河底比降构成。在该水利枢纽蓄水完成后，即在1987和2004年后，水位流量曲线呈现出明显的变化，由之前的光滑绳套状演变为不规则形状，之前天然的连续性水流模式被破坏，河道两侧的能量产生变化，在坝区前河道水流势能增大，一部分转化为电能，另一部分转化为机械能继续向前流动，导致水流在流过坝区后流速明显增大，因此Saint Venant方程组中所描述的惯性项不能被忽略。但由于其整体趋势仍大致表现为绳套状，说明河底比降仍然存在，因此该种水波属于动力波类型。

4.2 蓄水前后的断面形状分析

由于该河段在第四纪冲积后基本断面已经定型，因此主要的形状变化来源于人为活动。通过实测记录资料，绘制蓄水前后形状及高程变化，见图2。

图2 蓄水前后断面形状变化图

图2为蓄水前后通过高程于起点距所反映的蓄水前后断面形状变化图。从图2中可以看出，蓄水前断面形状整体上变化规律较为不明显，形状变化不大，但在蓄水后的年份如1985、1995年断面变化较为显著。

为了更进一步得出具体的水位变化趋势，本文通过实测记录数据，绘制蓄水前1975年与蓄水后1995年的水位随断面面积变化曲线，见图3。

图3 水位随断面面积变化曲线

从图3中可以看出，随着蓄水的完成，曲线会向右偏移，说明河床形状发生了变化，在上游水流冲击的作用下，同一水位条件下的断面面积会变大。其原因是蓄水后水位会升高，坝区前的河段水流流速降低，导致水流挟沙能力下降，下游的输沙量锐减，坝体的阻隔使得泥沙堆积导致断面增大。同样由于蓄水后，坝区后由于势能转化的机械能增加，流速增大使得坝区后的水流挟沙能力比天然状态下增加，天然状态下无法被带走的泥沙会被带走，使得河道变深，因此增加的水流流速改变了该段的断面形状。

4.3 蓄水前后的断面水位分析

为了分析断面形状变化对水位及流量的变化规律，选取水流较为平缓的流量条件进行分析。由于5 000m3/s流量下水流平稳，受惯性力影响较小，因此本文通过1960年以来该地记录的5 000m3/s流量下的水位变化数据绘制成图4。

图4 5 000m3/s流量下的不同年份水位变化图

从图4中可以看出，蓄水前的年份所在水位整体上处于较高状态，虽然随年份不同会产生一定波动，但总体上变化不大。在1981年蓄水之后，水位逐年呈现出降低的趋势。该趋势说明在水位相同的情况下，断面面积增大，在水流流量一定的情况下水位会出现降低的情况。

为了对高水位下的水文特征进行分析，本文采用3次多项式曲线拟合的方法，对蓄水前后4个相似年份水位流量进行分析，并绘制成图5。从图5中可以看出，在水流流量较低的情况下，蓄水后水位会出现明显的降低，随着流量的逐渐增大，水位变化效果逐渐不明显，在达到最大流量后，水位变化几乎可以忽略不计。原因可能是低水位时，流量较小，整个流段较为平稳，因此水流携带的能量小，河床在冲击下变深，导致在流量相同下水位会变低；在水位居中时，上游水流携带的能量较低水位时增多，水流通过坝体后惯性力增大，加之断面形状的改变使得水位下降幅度达到峰值；在高水位下，由于水头高，势能最大，使坝区前水位增加的能量占比降低。

图5 不同断面下的水位随流量变化趋势

4 结 论

本文以某地水利枢纽A为研究对象，借助Saint Venant运动模型以及水利枢纽A多年蓄水前后的实测数据，通过对该水利枢纽蓄水前后的水位-流量、断面面积变化，断面面积变化下的水位特征进行研究分析，结论如下：

1)该水利枢纽的水波在蓄水前属于扩散波形式，在蓄水后转变为动力波形式。

2)该水利枢纽在蓄水前，坝区前水流流速较为平稳，水流流速较低，导致水流挟沙能力下降，下游输沙量锐减，坝体的阻隔使泥沙堆积，导致断面增大；蓄水后，坝区后由于势能转化的机械能增加，流速增大使坝区后的水流挟沙能力比天然状态下增加，天然状态下无法被带走的泥沙会被带走，使河床变深，进而改变该段断面形状。

3)在水流流量较低的情况下，蓄水后水位会出现明显的降低，随着流量的逐渐增大，水位变化效果逐渐不明显，在达到最大流量后，水位变化几乎可以忽略不计。