三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容簡(jiǎn)化算法

三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容簡(jiǎn)化算法黃偉;童思陳;王炎【摘要】基于三峽水庫(kù)實(shí)測(cè)水文、地形資料，采用一維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容進(jìn)行了計(jì)算，在綜合分析的基礎(chǔ)上對(duì)水庫(kù)各特征段動(dòng)庫(kù)容進(jìn)行了擬合.結(jié)果表明，三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容可通過(guò)其與各代表水文站水位的關(guān)系來(lái)近似簡(jiǎn)單表達(dá)，且具有良好精度;在壩前水位一定的情況下,三峽水庫(kù)干流的動(dòng)防洪庫(kù)容隨流量的增大而減小，動(dòng)、靜防洪庫(kù)容差隨著流量的增大而增大.【期刊名稱】《水利水電科技進(jìn)展》【年(卷)，期】2018(038)006【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P8-12,85)【關(guān)鍵詞】三峽水庫(kù);動(dòng)庫(kù)容;動(dòng)防洪庫(kù)容;簡(jiǎn)化算法【作者】黃偉;童思陳;王炎【作者單位】重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074;國(guó)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(xué)河海學(xué)院，重慶400074;國(guó)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(cè)有限公司，浙江杭州311200【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TV697.1三峽水庫(kù)屬于典型的超大型山區(qū)河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)狹長(zhǎng)，縱向流動(dòng)明顯，由于縱向水流的流動(dòng)回水水面線存在明顯坡降，具有顯著的動(dòng)庫(kù)容特性。在河道型水庫(kù)運(yùn)行階段，利用動(dòng)、靜庫(kù)容的差異開展精細(xì)化防洪調(diào)度可以提高防洪效益。周建軍等［1］根據(jù)水庫(kù)水動(dòng)力特性分析和數(shù)值模擬研究表明，三峽水庫(kù)水面線并不水平，壩前水位變化與庫(kù)容變化不同步，按照靜庫(kù)容曲線計(jì)算出的水庫(kù)蓄泄水量偏差可達(dá)50%以上，這表明在水庫(kù)調(diào)蓄計(jì)算時(shí)不能按照靜回水曲線進(jìn)行計(jì)算，必須考慮反映水面線變化的動(dòng)庫(kù)容。張俊等［2］從水面線、典型洪水過(guò)程的動(dòng)庫(kù)容計(jì)算及動(dòng)庫(kù)容曲線3個(gè)方面初步分析了三峽水庫(kù)的動(dòng)庫(kù)容特性，認(rèn)為動(dòng)庫(kù)容對(duì)三峽水庫(kù)洪水過(guò)程的庫(kù)容與攔蓄量計(jì)算影響較大;仲志余等［3］基于動(dòng)庫(kù)容調(diào)洪的基本原理，編制了基于瞬時(shí)水面線法、普來(lái)士曼隱式差分法和三級(jí)河網(wǎng)算法的3種不同的動(dòng)庫(kù)容調(diào)洪計(jì)算模型，采用三峽水庫(kù)建成后的實(shí)測(cè)洪水對(duì)模型和三峽防洪能力進(jìn)行了驗(yàn)證，但在求解的過(guò)程中需要考慮的因素及水力參數(shù)較多。由此可見(jiàn),三峽庫(kù)區(qū)的動(dòng)庫(kù)容對(duì)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(zhǔn)確計(jì)算庫(kù)區(qū)的動(dòng)庫(kù)容成為難點(diǎn)。針對(duì)水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容問(wèn)題彳艮多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究［4-11］,但大部分側(cè)重于水庫(kù)的調(diào)洪演算,對(duì)水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容、動(dòng)防洪庫(kù)容的問(wèn)題研究仍有待進(jìn)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(dǎo)了河道型水庫(kù)動(dòng)、靜防洪庫(kù)容關(guān)系,以數(shù)學(xué)模型為手段計(jì)算并繪制了動(dòng)、靜防洪庫(kù)容關(guān)系曲線，給出了防洪庫(kù)容一般變化規(guī)律并提出了相應(yīng)的近似算法，可用于中小型防洪水庫(kù)缺少斷面資料的情況下防洪庫(kù)容的初步確定。本文基于實(shí)測(cè)水文資料與地形資料，采用一維水流數(shù)學(xué)模型模擬法，探討三峽水庫(kù)壩前至江津段干流動(dòng)防洪庫(kù)容特性，綜合分析并擬合壩前水位與動(dòng)庫(kù)容的關(guān)系，得到三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容簡(jiǎn)化算法，并對(duì)三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容、動(dòng)防洪庫(kù)容變化規(guī)律進(jìn)行探討分析。1水流數(shù)學(xué)模型及其驗(yàn)證在計(jì)算動(dòng)庫(kù)容和動(dòng)防洪庫(kù)容過(guò)程中，需要計(jì)算回水曲線以及建立水位、流量和動(dòng)庫(kù)容之間的關(guān)系，這需要建立能反映這些關(guān)系的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。設(shè)1、2為相鄰兩斷面編號(hào)，對(duì)于恒定非均勻流，其能量方程的差分形式為(1)式中:下標(biāo)1、2分別代表相鄰的兩個(gè)斷S;Z為斷面水位;U為斷面平均流速;a為動(dòng)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(kuò)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(jì)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(xué)模型能否滿足本研究的要求，需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用2011—2012年三峽庫(kù)區(qū)壩前至江津河段的實(shí)際地形圖，以及2011—2012年共424個(gè)1/5000實(shí)測(cè)橫斷面作為計(jì)算斷面。計(jì)算結(jié)果表明，糙率小范圍變動(dòng)對(duì)水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容影響較小，故沿程糙率取為0.03[13]。計(jì)算6組流量條件下2011—2012年的水面線，并與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行比較(圖1、圖2),可見(jiàn)計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位基本一致，差值在10cm之內(nèi)，表明該模型可應(yīng)用于動(dòng)庫(kù)容以及動(dòng)防洪庫(kù)容計(jì)算。圖12011年三峽水庫(kù)水面線驗(yàn)證圖22012年三峽水庫(kù)水面線驗(yàn)證2三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容簡(jiǎn)化計(jì)算靜庫(kù)容的大小取決于庫(kù)區(qū)的地形條件,與流量無(wú)關(guān)；而動(dòng)庫(kù)容則與壩前水位及入庫(kù)流量、出庫(kù)流量有關(guān)。相對(duì)于靜庫(kù)容,動(dòng)庫(kù)容能夠更加真實(shí)地反映調(diào)洪過(guò)程中水面線、水庫(kù)庫(kù)容的變化情況,為汛期防洪調(diào)度提供更為切實(shí)的基礎(chǔ)參考依據(jù)。2.1數(shù)模法計(jì)算的動(dòng)庫(kù)容動(dòng)庫(kù)容是指在實(shí)際回水曲線下的庫(kù)容，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)在不同壩前水位下、寸灘入庫(kù)流量由3萬(wàn)m3/s逐漸增大到9萬(wàn)m3/s時(shí)的動(dòng)庫(kù)容進(jìn)行推算，結(jié)果見(jiàn)表1。表1不同流量情況下的動(dòng)庫(kù)容水位/m不同流量下的動(dòng)庫(kù)容/億m33萬(wàn)m3/s4萬(wàn)m3/s5萬(wàn)m3/s6萬(wàn)m3/s7萬(wàn)m3/s8萬(wàn)m3/s9萬(wàn)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(kù)干流動(dòng)庫(kù)容的簡(jiǎn)化算法在三峽水庫(kù)壩址至江津河段，全河段地形采用2008年三峽庫(kù)區(qū)的實(shí)測(cè)斷面，沿程共布設(shè)了424個(gè)斷面。根據(jù)三峽水庫(kù)實(shí)測(cè)地形、水文資料、水庫(kù)回水的范圍、河道地形的分布情況以及水文測(cè)站的分布,對(duì)三峽庫(kù)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(chǎng)、清溪場(chǎng)一長(zhǎng)壽、長(zhǎng)壽一寸灘、寸灘一塔坪,分別標(biāo)記I、H、B、IV、V、VI。將茅坪、奉節(jié)、白沙沱、清溪場(chǎng)、長(zhǎng)壽、寸灘、塔坪7個(gè)水文站分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7,其對(duì)應(yīng)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(kù)動(dòng)庫(kù)容計(jì)算分段示意圖圖4不同流量下壩前水位與動(dòng)庫(kù)容計(jì)算值的關(guān)系三峽水庫(kù)壩址至涪陵屬于常年回水段，涪陵至江津?qū)儆谧儎?dòng)回水段,越往上游河段越接近天然河道。在動(dòng)庫(kù)容計(jì)算分析時(shí)，分別選取流量3萬(wàn)~9萬(wàn)m3/s作為各計(jì)算水位的計(jì)算流量,根據(jù)計(jì)算流量以及三峽水庫(kù)的壩前水位計(jì)算出各段的動(dòng)庫(kù)容如圖4所示。茅坪一奉節(jié)段距壩前最近，水深最大，受動(dòng)庫(kù)容影響很小，庫(kù)容值可認(rèn)為只與壩前水位有關(guān),與流量無(wú)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(dòng)庫(kù)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(chǎng)段動(dòng)庫(kù)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(shì)較為一致，曲線分布比較均勻，說(shuō)明庫(kù)容與壩前水位及流量之間存在相關(guān)關(guān)系;長(zhǎng)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(kù)容已經(jīng)減弱;寸灘一塔坪段為距壩址最遠(yuǎn)的一段,屬于三峽水庫(kù)庫(kù)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(kù)容占主導(dǎo)，楔蓄庫(kù)容影響較小。根據(jù)計(jì)算水位選取的壩前水位值、庫(kù)容計(jì)算值、計(jì)算水位之間的線性關(guān)系，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好。而根據(jù)前面計(jì)算值與庫(kù)容實(shí)際值誤差分析,誤差遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，因此各段的擬合公式可用于動(dòng)庫(kù)容計(jì)算。各庫(kù)段動(dòng)庫(kù)容與各水位觀測(cè)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(dòng)庫(kù)容：V動(dòng)=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(dòng)庫(kù)容擬合關(guān)系3三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容特性3.1三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容計(jì)算方法動(dòng)防洪庫(kù)容指防洪起調(diào)水位和終調(diào)水位之間相對(duì)應(yīng)的庫(kù)容大小，即V終-V起，其中V終、V起可以采用式(8)計(jì)算。下面從三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容整體規(guī)律及變化趨勢(shì)，以及三峽水庫(kù)干流動(dòng)靜防洪庫(kù)容之間的關(guān)系等方面,初步分析三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容特性。3.2三峽水庫(kù)干流動(dòng)防洪庫(kù)容特性分析三峽庫(kù)區(qū)不同壩前水位下，寸灘入庫(kù)流量由3萬(wàn)m3/s逐漸增大到9萬(wàn)m3/s時(shí)三峽庫(kù)區(qū)動(dòng)防洪庫(kù)容計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。防洪動(dòng)庫(kù)容取決于起調(diào)水位和終調(diào)水位，計(jì)算時(shí)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(dòng)防洪庫(kù)容水位/m不同流量下的動(dòng)防洪庫(kù)容/億m33萬(wàn)m3/s4萬(wàn)m3/s5萬(wàn)m3/s6萬(wàn)m3/s7萬(wàn)m3/s8萬(wàn)m3/s9萬(wàn)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(duì)選取流量、相鄰水位間動(dòng)防洪庫(kù)容進(jìn)行比較分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知，在高水位小流量下動(dòng)防洪庫(kù)容達(dá)到最大，為28.494億m3;在低水位高流量下動(dòng)防洪庫(kù)容最小，為15.687億m3。同一流量下，動(dòng)防洪庫(kù)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(shì)；在相同流量變化條件下，動(dòng)防洪庫(kù)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(dòng)防洪庫(kù)容隨著流量的增大而減小;水位變化相同的情況下，動(dòng)防洪庫(kù)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(dòng)防洪庫(kù)容上述對(duì)于動(dòng)防洪庫(kù)容所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律也與河道型水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特性相吻合。在流量變化相同時(shí)，隨著水位的升高動(dòng)庫(kù)容的影響減弱,庫(kù)尾水面線上翹減緩，動(dòng)防洪庫(kù)容逐漸接近靜庫(kù)容并呈梯形分布，因此動(dòng)防洪庫(kù)容值逐漸增大;在水位變化相同時(shí)，隨著流量的增大動(dòng)庫(kù)容的影響增強(qiáng)，庫(kù)尾水面線上翹越明顯動(dòng)防洪庫(kù)容大致呈楔形分布，而非按靜庫(kù)容的梯形分布，因此動(dòng)防洪庫(kù)容值逐漸減小。圖7起調(diào)水位145m、終調(diào)水位175m條件下動(dòng)防洪庫(kù)容隨流量的變化起調(diào)水位145m,終調(diào)水位175m的條件下動(dòng)防洪庫(kù)容隨流量的變化如圖7所示，隨著流量的增大，總防洪動(dòng)庫(kù)容逐漸變小;流量增大的過(guò)程中，動(dòng)防洪庫(kù)容的變化率穩(wěn)定。3.3三峽水庫(kù)干流動(dòng)、靜防洪庫(kù)容關(guān)系分析利用動(dòng)庫(kù)容簡(jiǎn)化公式可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算某種水位流量下的動(dòng)庫(kù)容值，兩條不同水面線下的動(dòng)庫(kù)容值相減即為兩者之間包含的動(dòng)防洪庫(kù)容大小。下面以汛限水位145m為起調(diào)水位,設(shè)定155m、165m、175m為終調(diào)水位，分別計(jì)算在頻率為20%、10%、5%、2%、1%的洪水流量條件下的動(dòng)防洪庫(kù)容，并與對(duì)應(yīng)工況下的靜防洪庫(kù)容進(jìn)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(gè)頻率對(duì)應(yīng)的寸灘流量分別為6.14萬(wàn)m3/s、6.91萬(wàn)m3/s、7.53萬(wàn)m3/s、8.31萬(wàn)m3/s、8.87萬(wàn)m3/s。終調(diào)水位為175m時(shí)計(jì)算得到的靜防洪庫(kù)容與動(dòng)防洪庫(kù)容比較情況見(jiàn)表3。表3終調(diào)水位175m下三峽庫(kù)區(qū)不同頻率洪水防洪庫(kù)容方法洪水流量/（萬(wàn)m3-s-1）庫(kù)容/億m3壩前水位145m壩前水位175m防洪庫(kù)容/億m3動(dòng)、靜防洪庫(kù)容差/億m3動(dòng)、靜防洪庫(kù)容比/%靜庫(kù)容法169.79326.51156.73動(dòng)庫(kù)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(jiàn),三峽庫(kù)區(qū)動(dòng)防洪庫(kù)容均要小于對(duì)應(yīng)水位下的靜防洪庫(kù)容，且在起調(diào)水位與終調(diào)水位固定時(shí),動(dòng)防洪庫(kù)容隨著流量增大而減小;動(dòng)、靜防洪庫(kù)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(dòng)、靜庫(kù)容計(jì)算結(jié)果,整體動(dòng)靜庫(kù)容差值為9.20億~36.30億m3,動(dòng)防洪庫(kù)容占靜防洪庫(kù)容的比例為73%~83.1%。由于終調(diào)水位為155m、165m、175m的動(dòng)靜庫(kù)容之間關(guān)系變化趨勢(shì)一致，分析終調(diào)水位175m動(dòng)靜防洪庫(kù)容比值可知，在起調(diào)水位和終調(diào)水位固定時(shí)，流量越大水庫(kù)庫(kù)容呈楔形越明顯，因此動(dòng)防洪庫(kù)容占靜防洪庫(kù)容比例隨流量增大而逐漸減小;而當(dāng)同一流量下，終調(diào)水位升高時(shí),由于水位對(duì)動(dòng)庫(kù)容產(chǎn)生的負(fù)面影響，減緩了庫(kù)尾水面線上翹的程度,因此動(dòng)防洪庫(kù)容占靜防洪庫(kù)容比例增大。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，對(duì)三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容、動(dòng)防洪庫(kù)容進(jìn)行了探討，提出了僅通過(guò)庫(kù)區(qū)典型水文站水位確定動(dòng)庫(kù)容的簡(jiǎn)化算法，研究表明簡(jiǎn)化算法具有良好的精度?；诤?jiǎn)化法探討了三峽水庫(kù)干流動(dòng)庫(kù)容、動(dòng)防洪庫(kù)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(kù)干流的動(dòng)防洪庫(kù)容隨流量的增大而減小動(dòng)、靜防洪庫(kù)容差隨著流量的增大而增大。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]周建軍,程根偉,袁杰等.三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特征及其在防洪調(diào)度上的應(yīng)用:2.動(dòng)態(tài)汛限水位調(diào)度方法[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),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(guó).三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特性分析[J].人民長(zhǎng)江，2011,42(6):90-93.(ZHANGJun,MINYaowu,CHENXinguo.AnalysisofcharacteristicsofdynamicreservoircapacityofThreeGorgesReservoir[J].YangtzeRive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