導(dǎo)語(yǔ)：水庫(kù)閘門(mén)泄流曲線率定方法研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)泄流曲線率定方法存在的流量系數(shù)難以測(cè)定、率定成本過(guò)高的問(wèn)題,結(jié)合退水階段入庫(kù)流量過(guò)程線受閘門(mén)啟閉影響發(fā)生突變的現(xiàn)象,根據(jù)歷史洪水調(diào)度資料提取多種閘門(mén)泄流工況,并基于水量平衡方程,通過(guò)反推入庫(kù)流量過(guò)程線的偏差來(lái)量化泄流曲線存在的偏差,進(jìn)而對(duì)泄流曲線進(jìn)行率定。以烏江流域大花水電站為例,根據(jù)2015~2020年洪水調(diào)度資料,利用該方法率定了右中孔泄流曲線,通過(guò)對(duì)比分析,率定結(jié)果較為準(zhǔn)確,與實(shí)際相符。

關(guān)鍵詞:泄流曲線率定;退水過(guò)程;水量平衡方程;大花水電站

1引言

水庫(kù)的泄流曲線是修建水庫(kù)時(shí)按設(shè)計(jì)要求根據(jù)模型試驗(yàn)得出的理論值,水庫(kù)建成投運(yùn)后,泄洪道施工誤差、閘門(mén)建造誤差、水的實(shí)際流態(tài)與設(shè)計(jì)流態(tài)不同等因素導(dǎo)致實(shí)際泄流曲線與設(shè)計(jì)值往往存在差異[1]。在電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,泄流曲線的精度直接影響下泄水量的計(jì)算結(jié)果,進(jìn)而影響水庫(kù)調(diào)洪演算方案和調(diào)度決策的合理性。目前針對(duì)泄流曲線的偏差校正問(wèn)題主要是采用水力學(xué)公式,通過(guò)模型試驗(yàn)或電站運(yùn)行數(shù)據(jù)確定流量系數(shù),從而達(dá)到率定泄流曲線的目的[2-4]。然而,對(duì)于同一種堰型采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式,所得結(jié)果通常不太一致;而采用模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量系數(shù)法又存在率定成本過(guò)高、模型試驗(yàn)與原型可能有較大差距,導(dǎo)致率定精度不高、率定過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題。鑒此,針對(duì)傳統(tǒng)泄流曲線率定存在的諸多問(wèn)題,本文從閘門(mén)啟閉導(dǎo)致退水過(guò)程的入庫(kù)過(guò)程線發(fā)生陡升或陡降現(xiàn)象出發(fā),探究了泄流曲線偏差與退水過(guò)程入庫(kù)流量過(guò)程線的相關(guān)關(guān)系,通過(guò)Depuit-Boussinesq退水方程對(duì)退水過(guò)程進(jìn)行擬合[5],從而反推出保證滿足退水過(guò)程一般規(guī)律的水位-開(kāi)度-泄水流量序列[6],并據(jù)此提出了新的泄流曲線率定方法;根據(jù)2015~2020年大花水電站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其閘門(mén)泄流曲線進(jìn)行率定,并利用率定曲線對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行校驗(yàn),結(jié)果表明率定的曲線精度較好,能夠指導(dǎo)實(shí)際泄洪閘門(mén)調(diào)度,為泄流曲線率定提供了一種新思路、新方法,且基于實(shí)際調(diào)度資料,適用性較好,對(duì)其他電站的閘門(mén)泄流曲線率定具有一定的參考價(jià)值。

2基于洪水調(diào)度資料的水庫(kù)閘門(mén)泄流曲線率定

2.1基本原理

水庫(kù)的入庫(kù)流量由上游出庫(kù)與區(qū)間降雨產(chǎn)匯流組成,對(duì)于首級(jí)水庫(kù),其入庫(kù)流量退水過(guò)程可假定符合洪水退水過(guò)程規(guī)律。洪水一般分為單峰型洪水與復(fù)峰型洪水,對(duì)于不同的洪水,其退水過(guò)程都是一個(gè)平滑、穩(wěn)定下降的曲線[7]。退水方程可用Depuit-Boussinesq方程表示,即:Qt=Q0e-t/τ=Q0kt(1)式中,Q0、Qt分別為0、t時(shí)刻的流量;τ為地下水蓄水量的循環(huán)周期;k為指定時(shí)段內(nèi)的退水常數(shù),0≤k≤1。在調(diào)洪調(diào)度的水利計(jì)算結(jié)果中,水庫(kù)閘門(mén)的啟閉總是導(dǎo)致處于退水過(guò)程的入庫(kù)流量過(guò)程線呈現(xiàn)陡升或陡降的規(guī)律。這是由于泄流曲線存在偏差,導(dǎo)致閘門(mén)開(kāi)啟時(shí),由泄流曲線查得的下泄流量不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響由水量平衡方程反推的入庫(kù)流量結(jié)果,為此利用反推入庫(kù)流量過(guò)程線的偏差來(lái)量化泄流曲線存在的偏差,進(jìn)而對(duì)泄流曲線進(jìn)行率定。水庫(kù)的入庫(kù)流量一般由水量平衡方程計(jì)算,水量平衡方程表達(dá)式為:Q入=ΔV/Δt+Q發(fā)+Q泄+Q其他=[f(z1)-f(z0)]/(t1-t0)+Q發(fā)+Q泄+Q其他(2)式中,Q入為入庫(kù)流量;ΔV為電站初末庫(kù)容變化值;Q發(fā)為電站發(fā)電流量;Q泄為電站泄水流量;f(z)為庫(kù)容與水位的函數(shù),可根據(jù)水位查詢庫(kù)容曲線得到;Q其他為電站其他出庫(kù)流量,包括引水、蒸發(fā)滲漏等。根據(jù)式(2)可知,影響計(jì)算入庫(kù)流量偏差的因素有水位測(cè)量誤差、庫(kù)容曲線偏差、發(fā)電流量偏差(NHQ曲線偏差)、泄流曲線誤差和其他流量誤差。其中,水位測(cè)量誤差與庫(kù)容曲線偏差可歸因于偶然誤差,其大小和正負(fù)都不固定,由此計(jì)算得到的入庫(kù)流量呈現(xiàn)波動(dòng)性而不是整體抬升的規(guī)律性;發(fā)電流量一般通過(guò)水位和出力查詢NHQ曲線得到,現(xiàn)可通過(guò)超聲波流量計(jì)測(cè)量發(fā)電流量減小NHQ曲線帶來(lái)的偏差[8];引水流量一般由引水流量計(jì)監(jiān)測(cè)得到,其偏差在合理范圍內(nèi);蒸發(fā)滲漏流量偏差可忽略不計(jì)。因此,退水過(guò)程中,入庫(kù)流量過(guò)程線陡升或陡降是由泄流曲線的偏差導(dǎo)致的。可通過(guò)Depuit-Boussinesq退水方程擬合退水過(guò)程,得到閘門(mén)啟閉過(guò)程的入庫(kù)流量系列,進(jìn)而推求合理的閘門(mén)泄水流量值,從而達(dá)到率定泄流曲線的目的。

2.2率定步驟

閘門(mén)的泄流曲線可反映電站上游水位、閘門(mén)開(kāi)度與泄水流量之間的關(guān)系,因此樣本數(shù)據(jù)需要體現(xiàn)電站在不同上游水位、閘門(mén)開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的泄水流量。其率定步驟如下。步驟1確定閘門(mén)率定順序,一般而言,對(duì)同一閘門(mén),其小開(kāi)度的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)多于大開(kāi)度;對(duì)不同閘門(mén),啟閉順序靠前的閘門(mén)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)多于啟閉順序靠后的閘門(mén)。故閘門(mén)的率定順序?yàn)?①對(duì)不同閘門(mén),啟閉順序靠前的閘門(mén)先率定;②對(duì)同一閘門(mén),開(kāi)度小的先率定。步驟2假設(shè)電站閘門(mén)啟閉順序?yàn)镚1→G2→…→Gi,閘門(mén)G1的開(kāi)度為A1,A2,…,Aj。由于同一閘門(mén)不同開(kāi)度、不同閘門(mén)同一開(kāi)度的泄流曲線偏差不盡相同,很難確定各泄流曲線偏差比例。為排除其他泄流曲線偏差的影響,需要在歷史數(shù)據(jù)中,選出單一閘門(mén)G1單一開(kāi)度A1的一段足夠長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,包括上下游水位、入庫(kù)流量、發(fā)電流量及閘門(mén)啟閉數(shù)據(jù),時(shí)段序列記為{T1,T2,…,Tl}。步驟3以時(shí)段T1為例,根據(jù)T1的入庫(kù)流量系列判斷該閘門(mén)啟閉時(shí)段所處的退水過(guò)程段,剔除其他時(shí)段,剩余時(shí)段為T(mén)'。步驟4時(shí)段T'剔除閘門(mén)啟閉過(guò)程Tm,剩余時(shí)段為T(mén)″,以時(shí)段T″的入庫(kù)流量序列{Q入1,Q入2,…,Q入k,Q入k+m,…,Q入,n}擬合得到整個(gè)退水過(guò)程的入庫(kù)流量序列{Q'入1,Q'入2,…,Q'入n}[8],在Tm時(shí)段內(nèi)的擬合入庫(kù)流量序列{Q'入k,Q'入k+1,…,Q'入k+m}減去原Tm時(shí)段的入庫(kù)流量序列{Q入k,Q入k+1,…,Q入k+m},即可得到入庫(kù)流量偏差序列{ΔQ1,ΔQ2,…,ΔQm},其平均偏差為ΔQ,假設(shè)該時(shí)段的上游水位序列為{z1,z2,…,zm},原泄流曲線為{z1,A1,Q1},{z2,A1,Q2},…,{zm,A1,Qm},則率定后的一段泄流曲線為{z1,A1,Q1-ΔQ},{z2,A1,Q2-ΔQ},…,{zm,A1,Qm-ΔQ}。步驟5選出單一閘門(mén)G1單一開(kāi)度A2與組合開(kāi)度A1、A2的一段足夠長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,包括上下游水位、入庫(kù)流量、發(fā)電流量及閘門(mén)啟閉數(shù)據(jù),時(shí)段序列記為{T'1,T'2,…,T'l}。步驟6以時(shí)段T'1為例,對(duì)單一開(kāi)度A2,重復(fù)步驟3、4;對(duì)組合開(kāi)度A1、A2,通過(guò)步驟3得到退水過(guò)程段T'1,將率定后的A1開(kāi)度的泄流曲線代入原入庫(kù)流量過(guò)程,重新計(jì)算入庫(kù)流量過(guò)程線,通過(guò)步驟4可得到一段{z'1,A2,Q'1-ΔQ'},{z'2,A2,Q'2-ΔQ'},…,{z'm,A2,Q'm-ΔQ'}泄流曲線。依此類推,可以率定多個(gè)閘門(mén)不同開(kāi)度的情況。泄流曲線率定的流程見(jiàn)圖1。

3實(shí)例

3.1大花水電站基本情況

大花水電站是清水河干流水電梯級(jí)規(guī)劃中的第三個(gè)梯級(jí),電站位于清水河中游,支流獨(dú)木河河口以下2.6km,開(kāi)陽(yáng)縣與福泉市交界處;電站距貴陽(yáng)市62km,距開(kāi)陽(yáng)縣城45km,是一座以發(fā)電為主的水電樞紐。大花水電站壩址控制流域面積4328km2,壩址多年平均流量75.0m3/s,年徑流量23.7×108m3。電站水庫(kù)正常蓄水位868.00m,死水位845.00m,調(diào)節(jié)庫(kù)容1.355×108m3,庫(kù)容系數(shù)0.056,水庫(kù)具有不完全年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量為200MW,多年平均電量7.29×108kW·h。大花水電站泄流建筑物有表孔3個(gè),泄洪表孔堰頂高程860.0m,弧型工作門(mén)13.5×8.5m(寬×高)。中孔2個(gè),泄洪中孔底板高程805.0m,弧型工作門(mén)6.0m×7.0m(寬×高)。大花水電站的閘門(mén)啟閉順序?yàn)殚_(kāi)啟順序,即右中孔(1~6.7m)→左中孔(1~6.7m)→全開(kāi)中表孔→全開(kāi)左、右表孔。關(guān)閉順序與開(kāi)閘順序相反,先關(guān)閉中表孔再關(guān)閉左、右表孔,最后關(guān)閉中孔。

3.2率定結(jié)果

圖2為大花水電站2018年6月26日至7月1日計(jì)算入庫(kù)過(guò)程線,該時(shí)段內(nèi),只有右中孔閘門(mén)于2018年6月26日14:01開(kāi)啟1m開(kāi)度,于2018年6月27日02:02關(guān)閉,發(fā)電流量情況見(jiàn)圖3。由圖2、3可知,閘門(mén)開(kāi)啟至閘門(mén)關(guān)閉時(shí)段內(nèi),大花水電站計(jì)算入庫(kù)過(guò)程線發(fā)生了陡升,而其發(fā)電流量并無(wú)較大差別,且大花水電站無(wú)引水需求,故該退水段入庫(kù)過(guò)程線陡升是由右中孔泄流曲線偏差導(dǎo)致的。去除突變點(diǎn)集合的退水過(guò)程擬合見(jiàn)圖4。Tallaksen對(duì)各種退水模擬方程進(jìn)行總結(jié)后指出,盡管對(duì)退水曲線提出的公式不同,但都是基于式(1)的修訂方程[9]。因此,采用Depuit-Boussinesq退水方程對(duì)大花水電站2015~2020年的退水過(guò)程進(jìn)行分析,獲得大花水電站入庫(kù)徑流過(guò)程的退水常數(shù)k為0.99。采用2015~2020年運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)大花水電站閘門(mén)進(jìn)行率定,由于6年內(nèi)大花水閘門(mén)啟閉次數(shù)較少,故只率定了右中孔1~3m開(kāi)度,其他開(kāi)度仍用原曲線。率定后的大花水電站右中孔1m開(kāi)度泄流曲線部分結(jié)果與率定前對(duì)比見(jiàn)圖5。圖5中,大花水電站右中孔原曲線為設(shè)計(jì)單位最初根據(jù)投產(chǎn)初期河道地質(zhì)條件計(jì)算的結(jié)果,其僅通過(guò)模型試驗(yàn)率定得到。以2018年6月26日00:00至28日00:00為例,率定前后的大花水電站計(jì)算入庫(kù)流量過(guò)程線對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6可知,率定后的泄流曲線可以滿足退水階段入庫(kù)過(guò)、穩(wěn)定下降的規(guī)律,降低了計(jì)算入庫(kù)的波動(dòng)性,相比率定前的泄流曲線,率定后的泄流曲線更貼合實(shí)際。

4結(jié)論

a.本文分析了泄流曲線偏差與退水過(guò)程入庫(kù)流量過(guò)程線的相關(guān)關(guān)系,提出了基于洪水調(diào)度資料的水庫(kù)閘門(mén)泄流曲線率定方法。b.以烏江流域大花水電站為例,率定了大花水電站右中孔泄流曲線,并將率定后的曲線代入入庫(kù)過(guò)程線進(jìn)行還原比較,結(jié)果表明率定后的泄流曲線更貼合實(shí)際應(yīng)用,滿足水庫(kù)科學(xué)防洪調(diào)度與聯(lián)合調(diào)度的計(jì)算需求,進(jìn)一步提高了水庫(kù)的管理水平。

作者：陳超 方國(guó)華 顏敏 聞昕 吳承君 張昕怡 單位：河海大學(xué)水利水電學(xué)院